微陀螺微弱信号数字处理技术的分析与仿真

从理论上探讨了微弱信号数字检测技术中数模转换器的两种采样方式--整周期采样和非整周期采样对检测目标信号精度的影响,并仿真分析了某微机械陀螺仪调制信号解调的过程,显示了数字处理技术的优越性.     

EIT高精度数字解调方法误差分析

EIT测量中,阻抗信息解调方法的精度直接关系到信息提取和EIT成像的质量。数字解调方法与模拟解调方法相比具有抗噪声能力强和设计灵活等优点。高精度数字解调方法是提取EIT复阻抗全信息的重要手段。本文深入研究了采样同步时延和相位抖动对高精度数字解调方法的误差影响,并且采用FPGA验证了EIT解调时的相位误差,实验结果表明合理选择激励频率和采样时钟能提高数字相位解调的精度,这与理论分析完全一致。     

基于粒子滤波算法毫米波误差综合估计

5G毫米波通信因其高载波频率和速率而备受关注,成为了未来移动通信的研究热点。然而,在毫米波通信测试仪器设计中,通常采用多次倍频的方法为毫米波基波混频器提供毫米波本振,这个过程中附加产生的相位噪声、载波频率偏移和采样时钟偏移等误差,会造成系统解调指标恶化。为了解决这一问题,本文首次提出了一种基于粒子滤波算法的毫米波误差综合估计的方法,利用粒子滤波算法良好的鲁棒性和适应性,可一次性估计出相位噪声、载波频率偏移以及采样时钟偏移。通过仿真与实验分析,本文算法相较于传统PTRS相位噪声估计效果更好,EVM指标更优。并且本文所提算法已应用于国产5G毫米波基站综测仪中,在载波频率为28 GHz,带宽为400 MHz,调制方式为64QAM时,EVM指标可达到2.21%。     

基于SPR相位检测的蛋白质芯片信号获取与处理研究

表面等离子体共振传感器有可能发展成为一种灵敏的高通量检测的蛋白质组学研究工具,而信号获取和数据处理是其关键之一.本文利用数值模拟全面研究了微阵列相位检测的分辨率与空间采样频率、采样周期数以及ADC位数等关系,详细分析了相关、正弦拟合和傅立叶变换(FTP)等算法对相位检测的精度和误差等影响.研究结果表明,在理想状况下,4个CCD像素就能满足分辨率对光电转换的要求,而在有噪音的情况下,分辨率随着空间采样频率的增加而提高;信号周期数对分辨率影响不大,但有利于克服噪声影响,提高精度;ADC对分辨率影响最大,高分辨率需要选择多位ADC,8位ADC时分辨率约为0.15°,10位时约为0.05°,而12位时约为0.01°.     

基于改进平方检测和新型K-N互卷积窗的闪变参数检测

传统的数字式闪变仪研制主要根据IEC闪变测量原理将各环节的模拟滤波器转换为数字滤波器来实现,但数字滤波器的效果受限于采样频率和变换方法的选取。提出利用解析模式分解改进传统平方检测法的滤波环节,准确提取电压闪变包络信号,构建新型K-N互卷积窗函数,推导基于新型K-N互卷积窗三谱线插值修正算法,据此提出基于改进平方检测法和新型KN互卷积窗的闪变参数检测方法,开发基于虚拟仪器的闪变参数检测平台。仿真实验结果表明,所提算法在单一频率调制、多频率调制、电网频率波动、含有叠加谐波及噪声干扰的情况下,均能有效实现闪变参数的准确检测,相较于传统检测方法,实现简单且具有更高的准确度。     

模糊PID控制的恒星光谱模拟

针对目前基于数字微镜（Digital Micromirror Device,DMD）的光谱模拟中，光谱模拟单元具有不同偏态性质且存在非线性调制等特点，提出了一种适用于多种色温调制的基于模糊PID控制的恒星光谱模拟方法。构造了DMD工作矩阵、光谱调制权重矩阵、光谱分布函数矩阵以及目标光谱矩阵，建立了基于DMD的光谱模拟数学模型；然后，研究了基于遗传算法优化BP神经网络的光谱分布函数拟合算法，在400～800 nm的峰值波长内实现了光谱分布函数拟合；提出了一种基于模糊PID控制的光谱模拟算法，选择模糊集合与隶属度函数，制定了模糊推理以及解模糊化规则。仿真分析了模糊PID控制器性能，结果表明与PID控制相比，模糊PID控制的超调量减小90.7%，调节时间缩短了69.4%。最后，实验验证了3 000～11 000 K色温光谱分布曲线的模拟精度，结果表明：光谱模拟误差优于±4.21%；相较于PID控制，模糊PID控制在3 000,6 500以及11 000 K色温的最大光谱模拟精度分别提高了2.31倍，1.71倍和2.02倍。所提出的方法可以进一步提升光谱模拟精度，为高精度星敏感器的地面标定提供...     

基于高调制频率的快速数字锁相算法

为了提高数字锁相的检测速度以及其最高调制频率,改善数字锁相放大的实时检测性能,文中提出了一种新型快速数字锁相算法。文中根据方波参考信号傅里叶展开存在奇次谐波,使得调制频率等于参考信号频率的2m-1倍。同时,通过将采样频率设为调制频率的4的整数倍,保证两路参考信号的正交性。在相敏检波算法实现中,仅仅存在加减法运算,消除了乘法运算,提高了数字锁相算法的运算速度。而且,基于普通微处理器的数字锁相放大能达到的最高调制频率也得到了有效的提升,改善了锁相放大的实时性能。实验表明,该算法既具备较高的速度,又能提高锁相放大的实时性,使得数字锁相对微弱信号的实时检测在普通微处理器上的实现成为可能。     

解调分析在机械振动分析中应用的局限性研究

在具有齿轮、滚动轴承的机械设备的振动故障诊断中 ,广泛使用解调方法分析诊断故障。从理论上分析了现有的解调分析方法存在有三个局限性 :将不包括调制信息 (故障信息 )的两时域相加信号 ,也以其频率之差作为解调信号而解出 ;广义检波滤波解调分析中 ,由于取绝对值或检波过程可能产生混频效应 ;几种细化解调分析新算法中 ,无法在细化分析的选抽时进行数字低通滤波 ,有可能会出现调制频率的高次谐波成分发生频率混叠而反折到低频部分的现象。无论那种局限性出现 ,都会在机械振动信号的解调谱中出现无法分析的频率成分 ,给分析带来很大的困难 ,有时甚至引起误诊断。     

高精度交流电压有效值测量技术研究北大核心CSCD

为提高交流电压有效值的测量精度,对高精度交流电压有效值测量技术进行了研究,采用交流数字采样的方式,基于等效采样的积分算法与过零检测采样,通过基抖动误差抑制实现交流电压有效值测量不确定度为40 ppm的指标。通过实验测试验证,所开发的交流数字采样系统工作稳定可靠,可以实现高精度交流电压有效值的测量。     

基于DFT的电网频率精确计算

频率是电能质量的重要指标,也是评价电力系统运行特性的重要参数之一。频谱泄露和栅栏效应会导致DFT算法在计算相量同步相角时存在误差,且计算误差与频率偏移的大小成正比。传统的DFT频率测量算法在计算系统频率时忽略了该部分的影响,使得频率计算出现较大偏差。在考虑该部分计算误差的基础之上,提出基于DFT的电网频率新算法,该算法在考虑频率偏移时DFT计算相角误差的基础上,利用相隔一个采样周期的相角测量值。通过计算相角差反向求解系统的实际频率,并通过Matlab仿真实验,验证了该算法在频率线性、正弦变化时的计算精度。     

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。     

点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测

针对单线结构光测量因范围有限以及遮挡等原因而无法检测整个车轮的轮缘及踏面的问题,提出了一种列车轮对双目双线结构光检测方法。该方法采用两组双线结构光传感器进行测量和数据采集。在两传感器产生的点云进行配准的过程中使用截面点云数据还原点云矩阵,然后对其进行傅里叶变换,在计算旋转角度时先进行极坐标转换,最后求取两矩阵的互功率谱,从而得到点云的旋转和平移矩阵。在此过程中考虑到点云噪声的存在,将辛格函数近似代替无噪声的互功率谱傅里叶反变换,从而确定在频域配准时噪声对配准参数的确定并无影响。接着采用相对值比较的算法和主成分分析拟合基准平面,对轮对直径方向进行标定。利用标定值对扫描数据进行处理,得出包括车轮直径、车轮滚动圆径向跳动等对尺寸参数。实验表明:点云频域配准的双目双线轮对检测技术对车轮直径的测量尺寸误差≤±0.05mm,车轮端跳的测量误差≤±0.06mm,车轮径跳的测量误差≤0.04mm。与标准轮对检测数据相比可知,该系统满足轮对检测精度的要求。     

Near-infrared spectroscopy using digital phase-sensitive detection

Scanning near-infrared (NIR) spectrometers commonly employ analog lock-in amplifiers for demodulation that require complex circuitry and are sensitive to electromagnetic interference. Here, a new sampling system based on digital phase-sensitive detection is reported that used a quadrature sampling algorithm to establish the sampling frequency as an integral multiple of four times the optical signal frequency. A complex programmable logic device was used to control the analog-to-digital converter. A digital signal processor was used to receive data, complete the quadrature calculations, and transfer the results to a computer. Consequently, the circuitry was simplified with reduced electromagnetic interference. Spectra were obtained using instrumentation based on analog and digital sensitive detection that showed the latter provided more accurate results. The optimum signal-to-noise ratio of 66.34 dB was higher than the value obtained by the analog system.     

四端对双螺线型计算电阻及其量值传递装置研究

提出将双螺线型计算电阻的定义改为四端对形式,建立其等效电路模型,分析计算了定义变更对交流阻抗引入的附加误差。提出一种计算机控制的电流比较仪电桥作为四端对双螺线型计算电阻量值传递装置,设计研制了基于乘法型数模转换器的数字式微差补偿器,研究了用于电流比较仪自动平衡的牛顿迭代算法。测量结果显示,1 592 Hz频率范围内四端对双螺线型计算电阻的交、直流相对差在1×10-7内闭合。将四端对双螺线型计算电阻的交、直流差传递给商用交流标准电阻,合成测量标准不确定度为1.7×10-7,满足交流电阻量值传递要求。     

装配误差衰减双屏"十"字环FSS传输特性研究

用Galerkin矩量法计算电场积分方程的方法,数值计算、分析了装配误差引起双屏FSS频率响应衰减变化特性.由实际经验建立了双屏FSS(频率选择表面)装配误差物理和结构模型,并提出了具体数值分析计算方法.基于数值分析结果表明,装配误差为单元周期长度10%时,频率响应幅值衰减最大;当装配偏移方向与入射波极化方向一致时,产生相位插入延时并且相位与频率关系曲线发生变形;当装配偏移方向与入射波极化方向正交时,出现较大相位延迟.     

基于电压调幅的超声波流量计研究

针对非稳态流场中流体测量时存在的问题,在超声波流量计过零点检测判定渡越时间的基础上,采用电压调幅的方法产生超声波换能器激励信号,然后通过检测接收信号的幅值变化特征点定位波形。针对流场中流速不稳定可能导致的波形不稳定情况,采用中值滤波的方法减小误差。为避免ADC芯片位数和AD转换速率限制导致渡越时间测量误差问题,在数字波形特征点判定基础上,采用过零点检测从模拟波形上获得渡越数据。实验结果表明,该方法具有一定的可行性,可以达到对超声波脉冲序列准确处理、定位的目的,测量误差可以控制在在1.5%以内,可以达到二级精度仪表的要求水平。     

The secondary converter of an automatic device for thermal measurements

The converter of analog signals into a numerical pulse code transmits data to a personal computer through a standard COM-port. The conversion error near the upper boundary of the measured range is ±0.01%, and the error in the measured temperature is ±0.05°C for a measurement time of 10 s.     

Flexible lock-in detection system based on synchronized computer plug-in boards applied in sensitive gas spectroscopy

We present a flexible and compact, digital, lock-in detection system and its use in high-resolution tunable diode laser spectroscopy. The system involves coherent sampling, and is based on the synchronization of two data acquisition cards running on a single standard computer. A software-controlled arbitrary waveform generator is used for laser modulation, and a four-channel analog/digital board records detector signals. Gas spectroscopy is performed in the wavelength modulation regime. The coherently detected signal is averaged a selected number of times before it is stored or analyzed by software-based, lock-in techniques. Multiple harmonics of the modulation signal (1f, 2f, 3f, 4f, etc.) are available in each single data set. The sensitivity is of the order of 10(-5), being limited by interference fringes in the measurement setup. The capabilities of the system are demonstrated by measurements of molecular oxygen in ambient air, as well as dispersed gas in scattering materials, such as plants and human tissue.     

高功率激光装置中靶的定位调试

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度,提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测,利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集,并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源,包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行,实现了理想条件下的零误差定位调整;调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5μm,角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行,故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。