路立平，景亞來

(鄭州輕工業(yè)學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

現(xiàn)階段，在工業(yè)生產(chǎn)和科研領域，瞬變壓力檢測的作用非常重要.在瞬變壓力檢測中，因電子設備的性能，在傳感器的輸出信號中不可避免地有噪聲信號.另外，在對傳感器進行動態(tài)補償時，由于拓展了設備的帶寬，而噪聲又是高頻信號[1]，故設備頻帶的擴展會引起嚴重的噪聲干擾，進而影響系統(tǒng)測量的精度.此外，在信號的采集和傳播途徑中都會引入噪聲，噪聲的引入影響了對真實信號的處理.有時候，較強的噪聲會“遮蓋”信號，從而難以得到準確穩(wěn)定的真實信號[2].因此，有效地消除和抑制噪聲對于瞬變壓力信號檢測系統(tǒng)具有非常重要的意義.

有效抑制和消除噪聲的方法可以分為兩類：被動噪聲抑制和主動噪聲抑制.被動噪聲抑制從噪聲源、傳播途徑和接收者3個方面利用聲學材料和聲學結構來抑制噪聲.傳統(tǒng)的噪聲消除技術大多采用被動的方法[3]，設計帶通或帶阻等數(shù)字濾波器.但是，由于噪聲的不確定性，所以無法充分了解噪聲的先驗知識，很難設計出估計系統(tǒng)的數(shù)字濾波器.有時候，設計的規(guī)則會在濾波器正常運行時改變，故可變系數(shù)的自適應濾波器被提出 .

隨著自動控制理論和現(xiàn)代信號處理技術的發(fā)展，主動噪聲抑制技術開始以自適應算法為主要研究方向.自適應濾波器具有跟蹤信號和噪聲變化的能力，自適應噪聲抵消技術是自適應濾波原理的擴展，它能夠從被噪聲干擾的環(huán)境中檢測和提取出有用信號.

1 瞬變壓力檢測系統(tǒng)的數(shù)學模型

文獻[4]研究了炮口沖擊波測試問題，針對固態(tài)壓阻型壓力傳感器建立了壓力傳感器激波管校準實驗系統(tǒng)，采用系統(tǒng)辨識的方法建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型：

(1)

對應幅值誤差為±5%和±2%的工作頻率分別為5.875 kHz和4.114 kHz.由于該系統(tǒng)的時域震蕩次數(shù)較多，超調(diào)量較大，文獻[4]設計了數(shù)字補償濾波器:

(2)

補償后的等效系統(tǒng)幅值誤差為±5%和±2%的工作頻率分別為124.1 kHz和110.7 kHz.雖然補償后系統(tǒng)的帶寬得到了擴展，補償了動態(tài)測量的誤差，但可能引入嚴重的高頻噪聲干擾而影響系統(tǒng)的精度.為了解決該問題，需研究基于自適應濾波消除噪聲干擾的方法.

2 自適應濾波原理

圖1 自適應濾波器的一般結構Fig.1 The structure of adaptive filter

經(jīng)典的濾波方法在有用信號和噪聲占用不同頻帶時，濾波效果比較好.但是，當信號與噪聲的頻帶有重疊時，傳統(tǒng)濾波方法的濾波效果欠佳[5].自適應濾波器依靠遞推算法進行運算，這使得該濾波器可以在無法獲得有關信號特征完整知識的環(huán)境下，圓滿地完成濾波運算.該濾波器的濾波器參數(shù)是不斷變化的，它可以隨著輸入信號特征的變化而動態(tài)地改變參數(shù)，從而保持最佳的濾波狀態(tài).

自適應濾波器的一般結構示意圖見圖1，x(n)是自適應濾波器的輸入信號，d(n)是期望響應，y(n)是自適應濾波器的響應輸出信號，e(n)是系統(tǒng)的估計誤差且e(n)=d(n)-y(n).自適應數(shù)字濾波器的濾波參數(shù)受誤差信號e(n)的控制，可根據(jù)e(n)的值自動調(diào)整，以便使得輸出的y(n+1)接近于所期望的參考信號d(n+1).

3 噪聲消除原理及LMS算法

圖2 常用濾波消噪原理Fig.2 The principle of filter to denoise

4 Matlab仿真程序及結果分析

圖3 濾波器原理圖Fig.3 The filter principle diagram

由于反饋的存在，容易引起IIR濾波器的不穩(wěn)定，相反，F(xiàn)IR濾波器總是穩(wěn)定的.故本研究仿真實驗采用橫向結構的4階FIR濾波器，結構圖見圖3.有用信號分量采用正弦信號s,參考噪聲信號x采用具有正態(tài)分布的隨機序列.由于抽頭權向量的先驗知識未知，故取權值w為零序列，程序略.

仿真采用幅度為1的正弦信號作為有用信號，函數(shù)randn產(chǎn)生一組具有正態(tài)分布的隨機數(shù)作為待濾除的噪聲信號分量.在前人的研究基礎上，經(jīng)過反復試驗比較得出,當步長μ為0.003的時候，既可以保證較小的失調(diào)又可以使得LMS算法的確立時間較短，從而使本研究所設計的消噪方法在精度和速度兩個方面都可以達到系統(tǒng)的要求.

在有用信號中加入噪聲后，信號的幅度變大，并且變得雜亂，如圖4與圖5所示.被噪聲干擾的雜亂信號經(jīng)過自適應濾波器消除噪聲后，輸出結果含有很少的期望信號以外的信號分量，輸出信號的幅度非常接近原始有用信號的幅度，系統(tǒng)的信噪比得到了很大的提高.從圖5中可以明顯地看出，只需要經(jīng)過很短的時間,輸出信號便與原始有用信號基本吻合，可以很好地滿足動態(tài)測試的要求，達到了將噪聲濾除的目的.

圖4 仿真結果Fig.4 The simulation results

圖5 仿真結果Fig.5 The simulation results

5 結論

在瞬變壓力動態(tài)測試過程中，基于LMS算法設計出了自適應濾波器.相對于經(jīng)典的濾波方法，自適應具有自動調(diào)節(jié)自身參數(shù)的能力，可在未知外界干擾源特征、傳遞途徑不斷變化以及背景噪聲和被測對象聲波相似的情況下，有效地消除外界噪聲的干擾而獲得高信噪比的對象信號.這一技術在測試環(huán)境不太理想的工作現(xiàn)場可為機械元件、內(nèi)燃機的噪聲與振動等動態(tài)壓力信號做故障診斷和測試分析提供有效的方法和依據(jù)，具有一定的理論意義和應用價值以及廣泛的應用前景.

參考文獻：

[1] 劉清，孫穎.用實時小波分析消除噪聲的動態(tài)測量誤差補[J].南京師范大學學報，2006,6(3):1-5.

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[3] 曹斌芳.自適應噪聲抵消技術的研究[D].長沙：湖南大學，2007.

[4] 張文娜.壓力傳感器的辨識建模及動態(tài)補償技術研究[D].長沙：國防科技大學，2002.

[5] 陳琳，李建勛，戴虎，等.自適應濾波在動態(tài)推力測量中的應用[J].宇航學報，2010，31(7):1819-1825.

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[7] 曹斌芳，何怡剛，郭杰榮.強噪聲背景下的語音信號提取研究[J].噪聲與振動控制，2008(4)：145-149.

[8] 陳琳，李建勛，戴虎，等.自適應濾波在動態(tài)推力測量中的應用[J].宇航學報,2010，31(7):1819-1825.