瞬態(tài)脈沖信號(hào)測(cè)量與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申春龍,郭 鋒,朱成銀

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽(yáng) 621900)

瞬態(tài)脈沖信號(hào)測(cè)量與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申春龍1,郭 鋒1,朱成銀2

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽(yáng) 621900)

針對(duì)高強(qiáng)度脈沖中子控制系統(tǒng)的測(cè)試，需要對(duì)通過(guò)LabVIEW控制的數(shù)字示波器所捕獲到的大量相似瞬態(tài)脈沖信號(hào)進(jìn)一步測(cè)量與處理，以便篩選出符合系統(tǒng)控制要求的瞬態(tài)脈沖信號(hào)。考慮到瞬態(tài)脈沖信號(hào)的控制與采集設(shè)計(jì)也是通過(guò)LabVIEW進(jìn)行控制，然而單獨(dú)采用Matlab對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，難以同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與處理的設(shè)計(jì)需求。由于LabVIEW具有自動(dòng)多線(xiàn)程技術(shù)、圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言和豐富信號(hào)處理模塊，并且Matlab軟件在對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波降噪方面具有優(yōu)勢(shì)，利用LabVIEW軟件與Matlab軟件混合編程，實(shí)現(xiàn)集時(shí)域測(cè)量、頻域測(cè)量和小波降噪處理于一體的海量信號(hào)分析處理系統(tǒng)。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)應(yīng)用于處理海量脈沖數(shù)據(jù)并篩選出有用信號(hào)的正確性及可行性，同時(shí)也表明了該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)采集； 脈沖信號(hào)； LabVIEW； Matlab； 時(shí)域測(cè)量； 頻域測(cè)量； 有限長(zhǎng)序列； 小波降噪

0 引言

在許多實(shí)際工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)瞬態(tài)脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和處理，例如：高強(qiáng)度脈沖中子控制系統(tǒng)、機(jī)械故障診斷、機(jī)器部件的瞬態(tài)沖擊等[1]。由于瞬態(tài)脈沖信號(hào)具有短時(shí)、頻帶寬和能量集中等特點(diǎn)，然而在高強(qiáng)度脈沖中子控制系統(tǒng)的測(cè)試中會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的相似瞬態(tài)脈沖信號(hào)，憑借傳統(tǒng)的示波器與頻譜分析儀難以快速和準(zhǔn)確地對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與處理。因此，能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)瞬態(tài)脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與處理是快速尋找到符合控制探測(cè)信號(hào)要求的重要工作。

本文在充分研究了現(xiàn)有信號(hào)測(cè)量與處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出利用LabVIEW軟件與Matlab軟件混合編程[2-3]對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與處理，從而從大量信號(hào)數(shù)據(jù)中快速篩選出符合設(shè)計(jì)要求的脈沖信號(hào)。

1 系統(tǒng)信號(hào)來(lái)源

在瞬態(tài)脈沖信號(hào)測(cè)量與處理中，需要產(chǎn)生脈寬為微秒至毫秒級(jí)的脈沖信號(hào)來(lái)驗(yàn)證信號(hào)測(cè)量與處理的精準(zhǔn)性，所以需要對(duì)脈沖信號(hào)的來(lái)源有簡(jiǎn)單的了解，以便對(duì)測(cè)試結(jié)果作進(jìn)一步的對(duì)比。在此簡(jiǎn)單介紹信號(hào)來(lái)源以及存儲(chǔ)方式，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件連接框圖來(lái)表達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件結(jié)構(gòu)主要包括安裝有LabVIEW、Matlab和DAQmx軟件的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相連的顯示器、輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡和屏蔽接線(xiàn)盒，以及需要控制的泰克DPO7000系列示波器。

首先，需要通過(guò)輸入設(shè)備以及顯示器向工控機(jī)內(nèi)的LabVIEW軟件設(shè)置脈沖寬度。其次，通過(guò)LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的控制產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)屏蔽接線(xiàn)盒將脈沖信號(hào)引出，并使用特殊探頭將信號(hào)接入示波器；同時(shí)需要通過(guò)LabVIEW對(duì)示波器進(jìn)行控制，等待滿(mǎn)足觸發(fā)條件的脈沖信號(hào)。最后，將滿(mǎn)足基本條件的脈沖信號(hào)通過(guò)LabVIEW存儲(chǔ)到工控機(jī)內(nèi)，以便后續(xù)分析[4]。

2 軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件作為人機(jī)交互的紐帶，是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心[5]。脈沖信號(hào)的分析主要包括時(shí)域測(cè)量和頻域分析，對(duì)脈沖信號(hào)的處理包括濾波和降噪。為了能夠簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分析和處理，采用對(duì)程序進(jìn)行分析和處理的模塊化設(shè)計(jì)。由于通過(guò)LabVIEW對(duì)示波器的控制將示波器顯示的波形存儲(chǔ)為有限長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)序列，因此為后續(xù)的分析和處理提供了便利[6]。因?yàn)長(zhǎng)abVIEW不僅可以通過(guò)“條件結(jié)構(gòu)”VI設(shè)置并同時(shí)選擇需要分析處理的任意多個(gè)數(shù)據(jù)文件，而且LabVIEW具有高效性和并行執(zhí)行的能力，所以能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)不同脈沖信號(hào)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量、頻域測(cè)量與信號(hào)處理。因?yàn)樾枰焖俚貙?duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，所以通過(guò)對(duì)需要測(cè)量的某一參數(shù)與其參考值進(jìn)行比較。如果超出閥值，那么該組數(shù)據(jù)則無(wú)效；反之則有效，并且對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，從而高效實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的篩選工作。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2.1 時(shí)域測(cè)量

通過(guò)LabVIEW中“從文件讀取波形”VI的選擇，并通過(guò)“文件路徑”控件指定波形文件的位置，將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行波形還原(波形回放)，還原脈寬為1 ms的脈沖波形如圖3所示。

圖3 脈沖波形還原圖

脈沖信號(hào)的時(shí)域測(cè)量根據(jù)信號(hào)時(shí)域的表達(dá)式或者觀(guān)察的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行分析。對(duì)瞬態(tài)脈沖的時(shí)域測(cè)量包括以下幾個(gè)方面：脈沖寬度、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、脈沖幅度[7]。

時(shí)域測(cè)量如表1所示。

表1 時(shí)域測(cè)量參數(shù)表

2.2 頻域測(cè)量

因?yàn)橛布a(chǎn)生的瞬態(tài)信號(hào)非常相似，直接從時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行觀(guān)測(cè)難以區(qū)分，所以需要對(duì)頻域進(jìn)行進(jìn)一步的觀(guān)測(cè)。一方面，頻譜分析方法能夠有效地抑制干擾信號(hào)對(duì)頻率測(cè)量的影響；另一方面，頻譜分析方法在頻率測(cè)量時(shí)不存在電平閾值的問(wèn)題，所以測(cè)量精度較高[8]。由于針對(duì)瞬態(tài)脈沖信號(hào)的采集所選擇的高性能的示波器，能提供最低為10 GS/s、最高達(dá)40 GS/s的實(shí)時(shí)采樣率，因此所存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)非常多。在頻域測(cè)量中，快速傅里葉變換(fast fourier transformation,FFT)方法是一種行之有效的方法。

軟件使用LabVIEW調(diào)用原始的采集數(shù)據(jù)，通過(guò)FFT方法將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域，從而更加方便直接地從頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，選擇RIGOL公司的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1 kHz、峰-峰值為5 V的正弦波，將其作為與脈沖信號(hào)對(duì)比和驗(yàn)證信號(hào)。通過(guò)對(duì)正弦波信號(hào)和圖3所示的1 ms脈沖信號(hào)進(jìn)行FFT得到的頻譜圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)FFT頻譜圖

為了能與正弦波頻譜進(jìn)行對(duì)比，將正弦波頻率與脈沖信號(hào)頻譜進(jìn)行放大觀(guān)察。通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)脈沖信號(hào)的FFT符合頻譜測(cè)量要求。

3 脈沖信號(hào)處理

從圖3可以直觀(guān)看出，脈沖信號(hào)中存在噪聲干擾，為了降低脈沖信號(hào)中的噪聲，以此獲得更加清晰的脈沖信號(hào)，需要對(duì)脈沖信號(hào)降噪處理。從圖4可以看出，脈沖信號(hào)主要由低頻部分組成，可以采用低通濾波器對(duì)其進(jìn)行處理，這樣噪聲集中的高頻部分就被去除掉了。但是由于低通濾波器在通帶和阻帶之間有不連續(xù)性，所以選擇比低通濾波器更具優(yōu)勢(shì)的巴特沃斯低通濾波器。它不會(huì)像理想低通濾波器一樣將一些有用的高頻信息也濾除。如果想要得到好的濾除效果，就要提高巴特沃斯濾波器的濾波階數(shù)，但隨著高巴特沃斯濾波器的濾波階數(shù)增加會(huì)出現(xiàn)明顯的振鈴現(xiàn)象[9]。為了更好地對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行噪聲處理，引入小波變換降噪。

3.1 小波降噪處理

通過(guò)圖4的頻譜分析可以看出，利用傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)思想難以對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，以獲取有用信息。然而小波變換具有低熵性、多分辨率特性和選基的靈活性等特點(diǎn)，所以小波變換在信號(hào)降噪方面得到了廣泛使用[10]。

由于波形信號(hào)存儲(chǔ)的格式為離散時(shí)間信號(hào)，所以對(duì)于小波變換主要討論的是離散小波變換。下文先從連續(xù)小波變換分析入手[11-13]。

3.1.1 連續(xù)小波變換

(1)

式中：a為尺度因子；b為平移因子。

(2)

對(duì)于任意函數(shù)在某一尺度a、平移點(diǎn)b上的小波變換系數(shù)，實(shí)質(zhì)上表征的是在b位置處，時(shí)間段aΔt內(nèi)，包含在中心頻率為ω0/a、帶寬為Δω/a的頻窗內(nèi)的頻率分量大小。隨著尺度a的變化，對(duì)應(yīng)窗口中心頻率ω*/a及窗口寬度Δω/a也發(fā)生變化[13]。

3.1.2 離散小波變換

在實(shí)際情況下，由于f(t)的連續(xù)小波變換系數(shù)Wψf(a,b)的信息量是冗余的，所以一般會(huì)對(duì)信號(hào)f(t)進(jìn)行離散化。具體做法就是將尺度因子a和平移因子b離散化，只取一些特定的值，便可以減少小波變換系數(shù)的冗余度，這樣用計(jì)算機(jī)分析和處理將會(huì)很方便。

(3)

從而式(2)的連續(xù)小波變換變?yōu)槿缡?4)所示的離散小波變換：

(4)

式中：m,n分別為頻率范圍指數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)變化指數(shù)。

3.2 LabVIEW與Matlab聯(lián)合編程

Matlab軟件更加清晰直觀(guān)地表達(dá)對(duì)信號(hào)的降噪要求，同時(shí)結(jié)合LabVIEW圖形化的編輯語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的降噪處理。Matlab程序通過(guò)LabVIEW調(diào)用Matlab-Script的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的小波降噪處理。

為了選取更適合系統(tǒng)信號(hào)來(lái)源的降噪處理方式通過(guò)巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器，對(duì)Daubenchies小波降噪、Symlets小波降噪、Coiflets小波降噪進(jìn)行對(duì)比。切比雪夫?yàn)V波如圖5所示。Daubenchies小波降噪如圖6所示。

圖5 切比雪夫?yàn)V波圖

圖6 Daubenchies小波降噪圖

對(duì)比圖5、圖6，可以看出：小波降噪的效果比濾波降噪效果明顯，因此小波降噪更加適合受噪聲干擾情況下的瞬態(tài)脈沖信號(hào)的降噪處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

瞬態(tài)脈沖信號(hào)的測(cè)量和處理在許多領(lǐng)域中具有重要實(shí)用價(jià)值。本研究不僅通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)在工控機(jī)內(nèi)的海量脈沖信號(hào)時(shí)域的測(cè)量、頻域的分析，而且通過(guò)LabVIEW與Matlab聯(lián)合編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的小波降噪處理。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該信號(hào)測(cè)量與處理系統(tǒng)具有較高的精確性和實(shí)用性，對(duì)信號(hào)測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)和對(duì)信號(hào)處理的性能均滿(mǎn)足對(duì)信號(hào)篩選的要求。該信號(hào)測(cè)量與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)可以為今后的實(shí)際工程和教學(xué)研究提供新方法。

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DesignoftheMeasurementandProcessingSystemofTransientPulseSignal

SHEN Chunlong1,GUO Feng1,ZHU Chengyin2

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China；2.Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

For the test of high intensity pulsed neutron control system,in order to sieve out the transient pulse signals that are fit the requirement of the control of the system,it is necessary to make further measurement and processing for a large number of similar transient pulse signals captured by the digital oscilloscope which is controlled by LabVIEW.Considering that the design of control and collection for transient pulse signals are also controlled by LabVIEW software,while using Matlab alone to analyze and process the signal is difficult to simultaneously satisfy the design demands for measurement and processing of massive amounts of data.Due to LabVIEW software has automatic multithreading technology,graphical design language and rich signal processing module,and Matlab software has advantage in wavelet noise reduction of signals,so the mixed programming of LabVIEW and Matlab is proposed to integrate time domain measurement,frequency domain measurement,and wavelet noise reduction processing,for implementing the design of massive signal analysis and processing system.The results of practical tests verify the correctness and feasibility of the system for processing massive pulsed data,and sieving out useful signals; these also indicate that the system has advantages of simple operation,fast response speed,and high measurement accuracy; thus possesses higher practical value.

Data acquisition; Pulse signal; LabVIEW; Matlab; Time domain measurement; Frequency domain measurement; Finite length sequence; Wavelet noise reduction

TH865；TP274

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709013

修改稿收到日期：2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475453)

申春龍(1990—)，男，在讀碩士研究生，主要從事信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)處理方向的研究。E-mail：1415725868@qq.com。 郭鋒(通信作者)，男，教授，主要從事智能儀器等方向的研究。E-mail：guofen9932@163.com。