[发明专利]一种光声信号降噪系统及其降噪方法

说明书

本发明提供了一种光声信号降噪系统及其降噪方法，包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；参考信号产生单元产生两路有相位差的参考信号；相敏检测单元将上述前置放大后的输出的光声信号分别与两路参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中消除高频部分；随后再输出至卡尔曼滤波单元；卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中。

技术领域

本发明涉及光声信号检测与处理技术领域，尤其涉及一种光声信号降噪系统及其降噪方法。

背景技术

随着电力行业逐步进入高电压、大电网时代，对电力设备的故障诊断技术的可靠性要求也越来越高，因此对油中溶解气体浓度检测的精度要求也越来越高。通过光声光谱技术对变压器油中溶解气体浓度进行检测，分析不同气体浓度比值是目前判断变压器潜在运行故障的主要方法。光声光谱技术检测气体浓度原理如图1所示，其检测设备主要结构包括激发光源、声光池、信号检测部分等。它用一束频率可调制的单色光照射光声池内气体，气体吸收光能由基态跃迁至激发态，并立即以释放热能的方式退激，释放的热能向周围的介质按照光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种声压被麦克风检测并转化为光声信号，气体分子数越多产生的光声压力波越强，进而转化的光声信号也会越强，因此便可以对气体浓度进行定量分析。但是这种信号不可避免的夹杂着很强的环境噪声和电路噪声，用锁相放大器对该信号进行提取降噪是目前光声信号降噪处理的主要方法，当气体浓度较低或在线监测系统处于十分恶劣的自然环境，变压器的大电压大电流产生强的磁场对信号有较大的干扰，导致本就十分微弱的光声信号中夹杂很强的噪声，而传统的锁相放大器难以将其高效滤出，因此该种信号处理方法很难满足对低浓度气体的检测精度的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种能结合卡尔曼滤波器和锁相放大器、增强降噪能力且不增大时间常数的光声信号降噪系统及其降噪方法。

一方面，本发明提供了一种光声信号降噪系统，包括输入信号处理单元、参考信号产生单元、相敏检测单元、低通滤波单元、卡尔曼滤波单元和输出信号处理单元；输入信号处理单元的输出端和参考信号产生单元的输出端分别与相敏检测单元的输入端信号连接；相敏检测单元的输出端与低通滤波单元的输入端信号连接，低通滤波单元的输出端与卡尔曼滤波单元的输入端信号连接；卡尔曼滤波单元的输出端与输出信号处理单元的输入端信号连接；其中：

输入信号处理单元，对输入的光声信号进行前置放大后发送至相敏检测单元中；

参考信号产生单元，一方面产生参考信号直接送入相敏检测单元中，另一方面，将参考信号进行相移后送入相敏检测单元中；

相敏检测单元，将上述前置放大后的输出的光声信号，分别与参考信号和相移后的参考信号进行复合，产生两路检测输出信号，该两路检测输出信号发送至低通滤波单元中；

低通滤波单元对相敏检测单元产生的两路检测输出信号分别滤波后，输出至卡尔曼滤波单元；

卡尔曼滤波单元接收到低通滤波器输出值后，进一步进行卡尔曼滤波降噪，将滤波降噪结果输出至输出信号处理单元中；

输出信号处理单元根据两路卡尔曼滤波单元输出的结果进行加法运算，得到待测的光声信号的幅值，并反算声光池内的气体浓度。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述相敏检测单元是对前置放大后的输入的光声信号分别与参考信号和相移后的参考信号进行比例运算，得到两路检测输出信号；参考信号和相移后的参考信号为正交的正弦信号。

进一步优选的，所述相敏检测单元包括第一数字乘法器和第二数字乘法器，前置放大后的输入的光声信号和参考信号输入第一数字乘法器中；前置放大后的输入的光声信号和相移后的参考信号输入第二数字乘法器中，两路数字乘法器的输出均导入低通滤波单元中。