引言

目前瓦斯氣體在礦井中的積累已成為困擾煤礦安全生產的重大難題，實現瓦斯氣體的準確、有效地監控，對煤礦安全生產有極其重要的意義。由于礦井中存在著即有噪聲以及生產中產生的大量噪聲，被噪聲淹沒的微弱瓦斯信號相對于噪聲來說顯得及其微弱，如輸入信號的信噪比為10–1 、10–2、有的甚至10–5 ，瓦斯信號被“深埋”在噪聲之中，另外檢測傳輸時又受到信號端、傳輸器件及變換器件等本身存在的噪聲影響，表現出的總體效果是有用微弱瓦斯信號被大量的噪聲和干擾所淹沒。由于噪聲具有隨機性，而信號具有周期性、相關性，所以本文采用鎖相放大原理中的相敏檢波技術中互相關運算來削弱噪聲的影響，然后在經過一個低通濾波器，此濾波器的頻帶寬度做的很窄，那么經過相敏檢波輸出后，只有落在低通濾波器的等效噪聲帶寬之內的分量才有輸出，其他的高頻分量均被濾除，此方法具有很強的噪聲抑制能力。方便提取低濃度的瓦斯信號，在微弱瓦斯氣體檢測中達到了高效性和高靈敏度，很好地降低了微弱瓦斯積聚帶來的危害。

微弱瓦斯信號檢測的原理和方法

衡量瓦斯氣體吸收的基本定律是朗伯比爾定律，其數學表達式如式1：

式1

式1中：A為吸光度，T為透射比是投射光強度與入射光強度的比值。c為吸光物質的濃度，b為吸收層厚度。

其物理意義是：當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度c及吸收層厚度b成正比。也就是說明光的吸收與吸光物質的濃度成正比。

考慮到氣體吸光度與瓦斯濃度變換量的關系，當煤礦井下存在微弱的瓦斯氣體時，式中的b、c值均小，同時比例系數一般很小，那么特別針對于微弱的信號A的值就很微小，所以在檢測瓦斯氣體的濃度時，很容易被噪聲信號掩蓋。為了更好地檢測微弱瓦斯濃度信號，采用的方法是：通過相敏檢波器（乘法器）和低通濾波器（積分器）完成相關運算，利用相關檢測以最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲。

相敏檢波器實現相關運算

相敏檢波PSD就是對被測信號、參考信號兩個信號間的相位進行檢波，它是將被測信號與參考信號送入PSD中，在混頻器中相乘。PSD工作原理如圖1所示：

圖1 PSD工作原理圖

在設計相敏檢波器時，設待測信號其中、、、、分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。參考信號為其中、、、 分別為待測信號的幅度、時間、初相位和頻率。相敏檢波器的輸出電壓為：

其中n為諧波次數。公式表明：相敏檢波器的輸出包括兩部分，前者為待測信號與參考的差頻分量，當被檢測有用信號與參考信號同步時，即時（n=0），差頻為零，這時差頻分量變成相敏直流電壓分量，而后者成為倍頻。即經相敏檢波后電壓輸出僅與相位差有關。如果通過DSP控制參考信號的初相位，使其與輸入信號同相，最終的直流分量值為，可見只要待測信號中有用的信號本身和參考信號同頻同相，即可方便地得到濾波前檢波器直流輸出信號。

濾波器的選擇

相敏檢波器的輸出信號只有在經過一個低通濾波后，才能得到與濃度有關的直流信號，所以低通濾波是很重要的一個環節，其性能的好壞直接影響后期的數據處理。考慮到礦井下通信環境的特殊要求，為了確保提取有用的信號采用的是FIR濾波器，這種濾波器對脈沖輸入信號的響應最終趨向于零，故這種濾波器一定是穩定和能夠實現的，另外在線性相位要求高的場所采用FIR濾波器也較好，同時也符合了參考信號與有用信號同頻同相的要求。

本設計中的FIR低通濾波器采用巴特沃斯低通濾波，截止頻率為10kHz，采樣頻率為40kHz的指標，阻帶衰減為80dB。

DSP實現低通濾波

相敏檢波器的輸出信號直接被采樣到DSP的內部，利用DSP優化算法實現高速處理數據能力來實現低通數字濾波。基于此本文采用DSP實現低通濾波，在濾波方式上進行算法的改進。選擇TMS320F2812型DSP 為核心的主控芯片，它具有高速的運算能力、強大的實時處理能力和高度集成化的設計結構，指令周期為6.67ns，并采用流水線技術，使得信號的處理速度明顯提高。DSP中的專用硬件乘法器和特殊指令DMAC的采用，使得在一個處理器時鐘周期里可以得到兩個操作數相乘的結果。這種結構恰好滿足了數字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運算，此外，TMS320F2812片內擁有高達128K×16位的FLASH程序存儲器，可以滿足程序中濾波器的系數、采樣數據以及運算結果的乘法和累加的存儲。

程序開始時首先要對系統、寄存器、工作變量進行初始化，打開全局中斷，設置采樣時鐘頻率，EVA模塊的定時器初始化及配置，數據的采樣是在中斷子程序中完成，采集到的數據先保存在FIFO中，數據采集結束后DSP從FIFO中讀取數據開始進行相關性、濾波等一系列的處理，最后將結果顯示輸出。程序的流程圖如圖2所示：

圖2 程序流程圖

仿真圖形如圖3、圖4、圖5所示：圖3上半部分是濾波前的波形，下半部分是濾波后的波形。

仿真結果分析：由時域圖可以看出，原始波形上的不規則毛刺得到了很好的平滑，反映在頻譜圖可以看出，輸入波形中的低頻部分通過了濾波器，高頻信號則大部分被濾除。較好地抑制了噪聲的干擾，進而有效的提取微弱瓦斯信號，符合鎖相放大對輸出波形的要求。

 
圖3 濾波前后的波形對照

圖4 濾波前輸入信號的頻譜

圖5 濾波后輸出信號的頻譜

結束語

本文介紹了一種鎖相放大和DSP實現的濾波器共同實現微弱信號檢測的原理和方法，并給出了TMS320F2812 DSP在算法上實現低通濾波器的流程圖及仿真結果，結果表明采用DSP實現低通濾波與相敏檢波原理相結合的方法來檢測微弱瓦斯濃度信號，具有很強的噪聲抑制能力，可使整個系統穩定性、靈敏度更高。