数字化摆式倾斜仪的信号处理设备及方法与流程

1.本文件涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种数字化摆式倾斜仪的信号处理设备及方法。

背景技术：

2.为了进行固体潮和地震等观测，需要获取连续的地形变状态信息。摆式倾斜仪是一种应用广泛的地形变观测仪器，通常其传感器感受到地表变化时，经过信号解调和类型转换等处理将地动信号转化为数字信号。
3.通常摆式倾斜仪的信号处理分为解调和采集两个部分，信号处理经历的两个过程，由两部分电路来完成，这两部分电路分别为模拟电路和数字电路，通常是分开的两组电路、两个设备，及一些外围设备。为了将微弱信号从背景噪声中提取出来，通常采用的方法是将信号放大并进行滤波处理，然后再进行解调，最后转换为数字信号。
4.现有仪器信号处理方法是以模拟电路为主，特别是信号类型转换前是完全的模拟电路处理。全模拟电路的特点是电路结构简单，成本低，有明显的延迟和电路内部噪声。以往使用全模拟方法处理的原因是倾斜仪数据不要求较高的采样率，以及对硬件成本的控制。但为了设计可靠性和稳定性更高的观测设备，以及得到更高质量的观测数据，必须从根本上解决延迟和噪声问题，必须对摆式倾斜仪的信号处理方案进行重新设计。
5.需要解决的具体问题：
6.1.信号延迟问题，包括放大器和电容等造成的相位滞后；
7.2.噪声问题，包括电路内部噪声和线路、接口引入的噪声等；
8.3.组成设备分散，线路繁杂，传感器和数据采集器等设备分立封装，不便于运输和维护，增加额外干扰。

技术实现要素：

9.本方法的目的是提出一种数字化程度高，集成度高的信号处理设备及方法，将换能和数据采集结合起来。因为用数字电路代替了大部分模拟电路，可以减少电路内部噪声和延迟，很大程度上减少来自设备外部环境的干扰。除此之外信号处理电路采用一体化、单片集成的设计方案，可以使仪器的体积较小，并杜绝冗余的线路、接口等，不仅降低运输成本还能降低操作难度。
10.本发明实施例提供一种数字化摆式倾斜仪的信号处理设备，其特征在于，包括：传感器电路、arm电路以及逻辑门电路；
11.传感器电路，与逻辑门电路和arm电路连接，将相位数据通过数-模转换器转换为模拟正弦波，进行信号调制，再将调制信号发送到arm电路中；
12.arm电路，接收传感器电路发送的调整信号，将调制信号通过模-数转换后通过奇异值分解算法进行降噪处理；
13.逻辑门电路，与arm电路连接，用于将降噪后的信号进行解调，对解调后的信号进
行将采样处理然后输出。
14.本发明实施例提供一种数字化摆式倾斜仪的信号处理方法，包括：
15.传感器电路赌信号类型转换后，利用axi总线将数据保存到ddr3内存中，接着arm电路对内存中的数据进行降噪处理，其中，降噪处理通过奇异值分解算法实现有用信号和噪声信号的分离，并将噪声信号剔除；
16.逻辑门电路读取内存中降噪后的数据，并保存在bram中，bram中数据保持实时刷新状态，并对信号进行解调；
17.对解调后的信号进行降采样处理，然后输出。
18.通过采用本发明实施例对摆式倾斜仪信号处理电路进行了全新设计，基于嵌入式芯片的控制和运算设计，数字化程度、电路集成度较高，大大降低噪声和延迟，能显著增强系统的稳定性和可靠性。
附图说明
19.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例的数字化摆式倾斜仪的信号处理设备示意图；
21.图2为本发明实施例的数字化摆式倾斜仪的信号处理方法流程图。
具体实施方式
22.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
23.装置实施例
24.本发明实施例提供了一种数字化摆式倾斜仪的信号处理设备，图1为本发明实施例的数字化摆式倾斜仪的信号处理设备的示意图，根据图1所示，本发明实施例的数字化摆式倾斜仪的信号处理设备具体包括：
25.传感器电路10、arm电路20以及逻辑门电路30；
26.传感器电路10，与逻辑门电路30和arm电路20连接，将相位数据通过数-模转换器转换为模拟正弦波，进行信号调制，再将调制信号发送到arm电路20中；
27.arm电路20，接收传感器电路10发送的调制信号，将调制信号通过模-数转换后通过奇异值分解算法进行降噪处理；
28.逻辑门电路30，与arm电路20连接，用于将降噪后的信号进行解调，对解调后的信号进行将采样处理然后输出。
29.传感器电路10具体包括：反向器12、两个数模转换器11、以及电容器13；
30.反相器12与其中一个模数转换器11串联后再与另一个模数转换器11进行并联，将
相位数据经过两个数模转换器形成两路相位相反振幅相等的正弦波；
31.电容器13由三个平行电容极板组成，两路相位相反振幅相等的正弦波加在两侧的平行电容极板上，由中间极板引出的信号为基带信号调制后的调制波发送到arm电路20。
32.arm电路20具体包括：模数转换器21和奇异值分解处理器26；
33.模数转换器21，用于将调制后的调制波转换为数字信号；
34.奇异值分解处理器26，用于将数字信号进行有用信号和噪声信号的分离，并将所述噪声信号提出，得到只含有地形变信息的调制信号。奇异值分解处理器26具体包括：cache22、ddr323、浮点运算器25以及时钟电路24；
35.cache22，用于将参与运算的数据进行暂存；
36.ddr323，用于存储模数转换器发送的数据；
37.浮点运算器25，用于对参与降噪处理的数据进行运算；
38.svd时钟电路24，用于控制ddr3中的数据进行实时刷新。
39.逻辑门电路30具体包括：bram电路31、解调电路、滤波降采样电路36、逻辑运算电路以及只读存储器40；
40.bram电路31，用于接收并暂存所述arm电路发送的数据；bram电路具体包括：axi协议通信控制电路32以及块内存电路33；axi协议通信控制电路，用于为各个电路之间的通信提供axi通信协议支持；块内存电路，用于存储arm电路发送的数据。
41.解调电路，将降噪后得到的调制信号进行解调，然后使用低通滤波器35率除掉高频信号；
42.滤波降采样电路36，将低通滤波后的信号使用级联积分梳状滤波器进行抽样，以降低采样率减少数据量；
43.逻辑运算电路，具体包括：加法器39、乘法器38以及减法器37，用于为解调电路提供乘法运算，为滤波降采样电路提供加法及减法运算。
44.只读存储器40，用于存取所述相位数据。
45.其中逻辑门电路进一步包括：时钟电路34，时钟电路用于为整个数字化摆式倾斜仪的信号处理设备提供时钟脉冲。
46.本发明实施例采用直接数字频率合成器(direct digital frequency synthesizer，dds)通过相位累加器对幅值寻址的方法产生正弦波，频率控制输入令相位累加器开始累加工作，而相位数据与幅值在只读存储器(rom)地址中有一一对应的关系，这些幅值数据通过图1中的dac转换为连续的模拟电压信号，再经由滤波处理得到特定频率的正弦波形。这种由数字电路控制合成的周期波形是一种频率、振幅可编程控制的信号。
47.为了将摆体即电容器13的倾斜量转化为电压量，需要对差分电容产生的信号进行调制解调，提取目标频带的信号波形。将两路相位相反振幅相等的正弦波加在摆体电容极板上，此时由中间极板引出的信号为基带信号调制后的调制波。将调制波经由adc转换为数字信号后再通过svd进行滤波去噪声处理，将代表信号的矩阵进行svd，只保留前k个较大的奇异值，从而保留了图像的主要信息。这样操作将大大减小图像存储的内存需求。这也可用于图像去噪，因为小的奇异值一般对应着噪声。
48.将降噪后得到的数字信号数据与只读存储器中的载波数据通过乘法器进行乘法运算，然后使用低通滤波。这个过程是信号的解调过程，在数学上表示为信号再一次与载波
相乘，然后将高频率信号用低通滤波器滤除掉。整个调制解调过程在数学上表示为：原始信号*载波*载波
→
低通滤波＝1/4倍原始信号。因此使用低通滤波器即可剔除掉高频部分，再加入一个乘法器或一个加法器，乘四倍，即可恢复基带信号。
49.将低通滤波后的信号使用级联积分梳状滤波器进行抽样，以减少数据量。在进行抽样后各频率成分在频谱上的位置会发生变化，为了避免抽样引起的频率混叠，使用级联积分梳状(c i c)滤波器实现抽样工作。其在电路中实现仅需加法器、减法器和延时等电路，硬件成本较低易于实现。
50.本方法对摆式倾斜仪信号处理电路进行了全新设计，基于嵌入式芯片的控制和运算设计，数字化程度、电路集成度较高，大大降低噪声和延迟，能显著增强系统的稳定性和可靠性。与现有技术相比，本发明提出的技术路线数字化程度较高，且数据处理速度极快。使用数字电路代替大部分模拟电路，可以避免一些电路内部噪声，模拟电路因为电路中的电压波动而对信号产生干扰，而数字电路将信号数字化，避免了这种干扰对信号的影响。另外降噪算法的引入可以进一步提高信噪比，提高数据质量。采用指令集处理器和逻辑门电路进行信号处理，实现数字信号的并行运算，处理速度快，以往的模拟电路将信号处理的各部分串联起来，不可避免地会将各部分产生的延迟累加起来，而采用并行计算可以减少叠加延迟。同时将以往多设备分立式的信号处理方法改为一体化的集成式的处理方式，可以减小硬件成本、提高稳定性，利于运输、运行及维护。
51.通过采用本发明实施例，具备如下有益效果：
52.基于数字电路进行信号处理。不同于以往的基于放大器搭建的全模拟电路，本方法基于fpga搭建数字电路，进行信号处理。除了传感器电路和信号转换电路，都是数字电路。
53.传感器换能、数据采集、数据处理一体化设计。不同于以往的传感器电路和数据采集器电路分体式结构，本方法使用各部分功能电路一体化、单板集成的电路结构设计。
54.奇异值分解算法降噪。全新增加数字降噪功能，使用奇异值分解算法进行信号的预处理，提高信噪比。
55.全数字解调。不同于以往使用锁相放大器电路这种模拟电路，本方法采用数字检波、数字解调的方式完成。
56.数字滤波。不同于以往的放大器电路滤波，而是使用数字滤波，数字滤波其滤波的系数、滤波的延迟等完全人为可控，可以以低成本实现不同种类的滤波器。采用级联积分梳状滤波器进行抽样操作，可以实现平滑的抽样操作且计算简单易于实现。
57.滤波参数、采样频率等参数都可以现场编程改变，观测模式的修改十分灵活。
58.方法实施例
59.本发明实施例提供了一种数字化摆式倾斜仪的信号处理方法，包括：
60.传感器电路赌信号类型转换后，利用axi总线将数据保存到ddr3内存中，接着arm电路对内存中的数据进行降噪处理，其中，所述降噪处理通过奇异值分解算法实现有用信号和噪声信号的分离，并将噪声信号剔除；
61.逻辑门电路读取内存中降噪后的数据，并保存在bram中，bram中数据保持实时刷新状态，并对信号进行解调；
62.对解调后的信号进行降采样处理，然后输出。
63.如图2为本发明实施例的数字化摆式倾斜仪的信号处理方法流程图，根据图2可知，对传感器信号进行信号类型转换后，利用axi总线将数据保存到ddr3内存中，接着arm核对内存中的数据进行降噪处理。降噪处理通过奇异值分解算法(svd)实现有用信号和噪声信号的分离，并将噪声信号剔除。降噪处理后的数据保存到内存中，处理前后数据保存地址不同，并保持实时刷新状态。
64.逻辑门电路核读取内存中降噪后的数据，并保存在bram中，与上述内存一样bram中数据保持实时刷新状态。紧接着利用逻辑门电路对信号进行解调，为了提高信号处理速度，使用流水线等方法对信号进行并行计算。可以从硬件层面进行数据的并行计算是逻辑门电路的一大特性。
65.对解调后的信号进行降采样处理，然后输出。降采样/抽样处理时采用级联积分梳状滤波器(cic)进行抽样，此过程中包含有两次低通滤波和两次抽样，低通滤波同样采用逻辑门电路数字滤波器。
66.本信号处理方法的设计除了信号类型转换部分，包括模拟-数字转换和数字-模拟转换部分，由模拟电路完成，其他部分均由数字电路完成。其中数字电路包含了可编程逻辑门电路即fpga，以及处理器电路即arm。信号的降噪功能是由处理器电路来完成的，过程中包含了矩阵的加法和乘法等运算，还有内存的读写等。信号类型转换器的控制、只读存储器、乘法器、滤波器等的实现，都是由逻辑电路来完成的。
67.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种数字化摆式倾斜仪的信号处理设备，其特征在于，包括：传感器电路、arm电路以及逻辑门电路；传感器电路，与逻辑门电路和arm电路连接，将相位数据通过数-模转换器转换为模拟正弦波，进行信号调制，再将调制信号发送到arm电路中；arm电路，接收所述传感器电路发送的调制信号，将所述调制信号进行模-数转换后通过奇异值分解算法进行降噪处理；逻辑门电路，与所述arm电路连接，用于将所述降噪后的信号进行解调，对解调后的信号进行将采样处理然后输出。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器电路具体包括：反向器、两个数模转换器、以及电容器；所述反相器与其中一个模数转换器串联后再与另一个模数转换器进行并联，将所述相位数据经过两个数模转换器形成两路相位相反振幅相等的正弦波；所述电容器由三个平行电容极板组成，所述两路相位相反振幅相等的正弦波加在两侧的平行电容极板上，由中间极板引出的信号为基带信号调制后的调制波发送到arm电路。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述arm电路具体包括：模数转换器和奇异值分解处理器；所述模数转换器，用于将所述调制后的调制波转换为数字信号；奇异值分解处理器，用于将所述数字信号进行有用信号和噪声信号的分离，并将所述噪声信号提出，得到只含有地形变信息的调制信号。4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述逻辑门电路具体包括：bram电路、解调电路、滤波降采样电路、逻辑运算电路以及只读存储器；bram电路，用于接收并暂存所述arm电路发送的数据；解调电路，将降噪后得到的调制信号进行解调，然后使用低通滤波器率除掉高频信号；滤波降采样电路，将低通滤波后的信号使用级联积分梳状滤波器进行抽样，以降低采样率减少数据量；逻辑运算电路，用于为所述解调电路及所述滤波降采样电路提供运算支持；只读存储器，用于存储所述相位数据。5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述逻辑运算电路具体包括：加法器、乘法器以及减法器，用于为所述解调电路提供乘法运算，为所述滤波降采样电路提供加法及减法运算。6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述滤波降采样电路进行抽样时采用两次低通滤波和两次抽样的方式。7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述bram电路具体包括：axi协议通信控制电路以及块内存电路；axi协议通信控制电路，用于为各个电路之间的通信提供axi通信协议支持；块内存电路，用于存储所述arm电路发送的数据。8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述逻辑门电路进一步包括：时钟电路，所述时钟电路用于为整个数字化摆式倾斜仪的信号处理设备提供时钟脉冲。9.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述奇异值分解处理器具体包括：cache、
ddr3、浮点运算器以及svd时钟电路；所述cache，用于将参与运算的数据进行暂存；所述ddr3，用于存储所述模数转换器发送的数据；所述浮点运算器，用于对参与降噪处理的数据进行运算；所述svd时钟电路，用于控制所述ddr3中的数据进行实时刷新。10.一种数字化摆式倾斜仪的信号处理方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任意一项所述的数字化摆式倾斜仪的信号处理设备，包括：传感器电路对信号类型转换后，利用axi总线将数据保存到ddr3内存中，接着arm电路对内存中的数据进行降噪处理，其中，所述降噪处理通过奇异值分解算法实现有用信号和噪声信号的分离，并将噪声信号剔除；逻辑门电路读取内存中降噪后的数据，并保存在bram中，bram中数据保持实时刷新状态，并对信号进行解调；对解调后的信号进行降采样处理，然后输出。

技术总结

本说明书实施例提供了一种数字化摆式倾斜仪的信号处理设备及方法，其中，设备包括：传感器电路、ARM电路以及逻辑门电路；传感器电路，将相位数据通过数-模转换器转换为模拟正弦波，进行信号调制，再将调制信号发送到ARM电路中；ARM电路，接收传调制信号，将调制信号进行模-数转换后通过奇异值分解算法进行降噪处理；逻辑门电路，与ARM电路连接，用于将降噪后的信号进行解调，对解调后的信号进行将采样处理然后输出。本发明用数字电路代替大部分模拟电路，避免一些电路内部噪声，通过降噪算法提高信噪比，本发明同时将以往多设备分立式的信号处理方法改为一体化的集成式的处理方式，可以减小硬件成本、提高稳定性，利于运输、运行及维护。维护。维护。