低频抗干扰采集系统及方法与流程

本发明涉及抗干扰采集，具体涉及一种低频抗干扰采集系统及方法。

背景技术：

1、在工业自动化与控制领域，低频模拟信号的采集易受工频干扰、谐波干扰及环境噪声的影响，导致采集数据信噪比低、精度不足。现有抗干扰采集方案主要采用固定参数滤波器、屏蔽隔离等被动措施，虽能在一定程度上抑制干扰，但仍存在以下不足：

2、一般的，干扰信号的频谱分布随工业现场工况变化而动态改变，固定参数的陷波滤波器无法根据实时干扰频谱自适应调整陷波中心频率、带宽与深度，导致滤除精度不高。现有自适应陷波器虽可实现参数调节，但其调节依据单一，未将干扰强度系数与频谱分布矢量进行联动分析，难以在强干扰环境下实现精准陷波；陷波滤波在滤除干扰的同时不可避免地造成目标信号中同频段有效分量的衰减，现有方案缺乏对滤波后信号的有效补偿机制，导致信号畸变。干扰残留补偿通常依赖人工经验设定补偿参数，无法根据残留干扰的实际频谱特征进行动态补偿；现有采集系统的采样时钟相位固定不变，当干扰信号与目标信号的频谱重叠时，固定的采样时刻可能恰好落入干扰信号的峰值区域，加剧采集误差。虽有研究关注采样时钟相位校准，但其校准目标为多通道间的相位失配，而非针对干扰信号的时间分布特征进行动态偏移；工频干扰及其谐波是工业现场最主要的干扰源之一，其频率在49hz～51hz范围内波动，现有梳状滤波器或单一陷波器虽能抑制工频干扰，但未能将工频干扰的追踪结果实时反馈至陷波参数配置环节，形成闭环调节。

3、近年来，随着工业互联网技术的快速发展，故障预测与健康管理（phm）作为其核心应用之一，对工业现场传感器信号采集的准确性和可靠性提出了更高要求。phm系统通过对设备运行过程中的振动、温度、电流等多源低频信号进行实时监测与分析，实现设备故障的早期预警与健康状态评估。然而，phm系统的有效性高度依赖于前端信号采集的质量，在强电磁干扰、工频谐波污染等复杂工业环境下，传感器输出的微弱低频信号极易被干扰淹没，导致phm系统的故障特征提取精度下降，甚至引发误报或漏报。现有抗干扰采集方案在上述干扰感知的全面性、滤波参数与干扰特征的自适应匹配、滤波后信号的有效补偿以及采样时序与干扰分布的协同配合等方面仍存在明显不足，难以满足phm系统对高信噪比、高保真度信号采集的实际需求。

4、基于此，本发明提供了低频抗干扰采集系统及方法，以解决上述所提出的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供低频抗干扰采集系统及方法，解决上述背景技术提出的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明提出一种低频抗干扰采集系统，包括：

4、干扰感知模块，所述干扰感知模块通过多通道模拟前端接收工业现场传感器输出的低频模拟信号，用于对低频模拟信号进行处理后生成原始数字信号序列，并根据原始数字信号序列的时域统计特征计算当前采集周期的干扰强度系数与干扰频谱分布矢量；

5、动态屏蔽参数生成模块，所述动态屏蔽参数生成模块用于接收所述干扰感知模块输出的干扰强度系数与干扰频谱分布矢量，根据干扰频谱分布矢量中各个频点的能量分布比例计算屏蔽频带边界值，并根据干扰强度系数与屏蔽频带边界值的比值计算屏蔽深度系数；

6、自适应陷波控制模块，所述自适应陷波控制模块用于接收所述动态屏蔽参数生成模块输出的屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数，根据屏蔽频带边界值配置数字陷波滤波器的陷波中心频率与陷波带宽，并根据屏蔽深度系数配置数字陷波滤波器的陷波深度，数字陷波滤波器对原始数字信号序列执行陷波滤波后输出一次滤波信号序列；

7、干扰残留补偿模块，所述干扰残留补偿模块用于接收所述自适应陷波控制模块输出的一次滤波信号序列和所述干扰感知模块输出的干扰频谱分布矢量，根据干扰频谱分布矢量中处于屏蔽频带边界值之外的残留干扰频点能量值计算补偿系数，根据补偿系数对一次滤波信号序列执行频谱补偿后输出二次滤波信号序列；

8、采集时序调节模块，所述采集时序调节模块用于接收所述干扰感知模块输出的干扰强度系数，根据干扰强度系数与预设强度阈值的比较结果动态调节多通道模拟前端的采样时钟相位偏移量，并将调节后的采样时钟相位偏移量反馈至所述干扰感知模块用于下一采集周期的模数转换采样触发。

9、优选地，还包括：

10、工频干扰追踪模块，所述工频干扰追踪模块用于接收所述干扰感知模块输出的原始数字信号序列，从原始数字信号序列中提取工频基波频率及其整数倍谐波频率处的能量值生成工频干扰特征矢量，并将工频干扰特征矢量输出至所述动态屏蔽参数生成模块；

11、所述动态屏蔽参数生成模块根据工频干扰特征矢量中能量值超过预设工频能量阈值的频点位置更新屏蔽频带边界值。

12、优选地，还包括：

13、采集质量评估模块，所述采集质量评估模块用于接收所述干扰残留补偿模块输出的二次滤波信号序列，计算二次滤波信号序列的信噪比与信号畸变率，当信噪比低于预设信噪比阈值或信号畸变率高于预设畸变率阈值时生成参数调整请求信号；

14、所述动态屏蔽参数生成模块接收所述采集质量评估模块输出的参数调整请求信号后重新计算屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数，并将重新计算后的屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数输出至所述自适应陷波控制模块。

15、本发明还提出一种低频抗干扰采集方法，包括以下步骤：

16、s1.干扰感知模块通过多通道模拟前端接收工业现场传感器输出的低频模拟信号，对低频模拟信号进行处理后生成原始数字信号序列，根据原始数字信号序列的时域统计特征计算当前采集周期的干扰强度系数与干扰频谱分布矢量；

17、s2.动态屏蔽参数生成模块根据s1生成的干扰频谱分布矢量中各个频点的能量分布比例计算屏蔽频带边界值，根据s1生成的干扰强度系数与屏蔽频带边界值的比值计算屏蔽深度系数，将屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数输出至自适应陷波控制模块；

18、s3.自适应陷波控制模块根据s2输出的屏蔽频带边界值配置数字陷波滤波器的陷波中心频率与陷波带宽，根据s2输出的屏蔽深度系数配置数字陷波滤波器的陷波深度，数字陷波滤波器对s1生成的原始数字信号序列执行陷波滤波后输出一次滤波信号序列至干扰残留补偿模块；

19、s4.干扰残留补偿模块接收s3输出的一次滤波信号序列和s1输出的干扰频谱分布矢量，根据干扰频谱分布矢量中处于屏蔽频带边界值之外的残留干扰频点能量值计算补偿系数，根据补偿系数对一次滤波信号序列执行频谱补偿后输出二次滤波信号序列；

20、s5.采集时序调节模块接收s1输出的干扰强度系数，根据干扰强度系数与预设强度阈值的比较结果动态调节多通道模拟前端的采样时钟相位偏移量，将调节后的采样时钟相位偏移量反馈至干扰感知模块用于下一采集周期的模数转换采样触发。

21、优选地，所述步骤s1的具体实施流程为：

22、s1.1、干扰感知模块通过多通道模拟前端以预设初始采样频率分别接收多个通道的低频模拟信号，各通道的低频模拟信号经程控放大器放大后由模数转换器转换为数字信号，形成各通道的原始数字信号序列；

23、s1.2、、对s1.1生成的各通道原始数字信号序列执行时域统计特征提取，时域统计特征包括各通道信号序列的峰峰值、均方根值和方差值，根据各通道的均方根值与基准均方根值的比值计算各通道的通道干扰系数；

24、s1.3.对s1.1生成的各通道原始数字信号序列执行快速傅里叶变换得到各通道的频谱数据，根据频谱数据中各频点的幅值生成干扰频谱分布矢量，并根据s1.2计算得到的各通道干扰系数中的最大值作为当前采集周期的干扰强度系数。

25、优选地，所述步骤s2的具体实施流程为：

26、s2.1、动态屏蔽参数生成模块接收s1.3生成的干扰频谱分布矢量，对干扰频谱分布矢量中各频点的能量值按从大到小排序，选取能量值排序前n位的频点作为主干扰频点，n为预设正整数；

27、s2.2、、根据s2.1选取的各主干扰频点的频率值确定屏蔽频带下边界值与屏蔽频带上边界值，屏蔽频带下边界值为各主干扰频点频率值中的最小值减去第一预设频偏值，屏蔽频带上边界值为各主干扰频点频率值中的最大值加上第二预设频偏值；

28、s2.3、接收s1.3生成的干扰强度系数，计算干扰强度系数与屏蔽频带带宽的比值作为屏蔽深度系数，屏蔽频带带宽为屏蔽频带上边界值与屏蔽频带下边界值之差。

29、优选地，所述步骤s3的具体实施流程为：

30、s3.1、自适应陷波控制模块接收s2.2输出的屏蔽频带下边界值与屏蔽频带上边界值，将屏蔽频带下边界值与屏蔽频带上边界值的算术平均值作为数字陷波滤波器的陷波中心频率，将屏蔽频带带宽作为数字陷波滤波器的陷波带宽；

31、s3.2、接收s2.3输出的屏蔽深度系数，将屏蔽深度系数映射为数字陷波滤波器的陷波深度参数，陷波深度参数与屏蔽深度系数成正相关关系；

32、s3.3、按照s3.1配置的陷波中心频率、陷波带宽和s3.2配置的陷波深度参数构建数字陷波滤波器传递函数，将s1.1生成的原始数字信号序列输入数字陷波滤波器执行陷波滤波，输出一次滤波信号序列。

33、优选地，所述步骤s4的具体实施流程为：

34、s4.1、干扰残留补偿模块接收s3.3输出的一次滤波信号序列和s1.3生成的干扰频谱分布矢量，对一次滤波信号序列执行快速傅里叶变换得到一次滤波频谱数据；

35、s4.2、将s1.3生成的干扰频谱分布矢量与s4.1得到的一次滤波频谱数据在同一频点进行幅值比较，提取干扰频谱分布矢量幅值大于一次滤波频谱数据幅值且频率处于屏蔽频带边界值之外的频点作为残留干扰频点；

36、s4.3、根据s4.2提取的各残留干扰频点的幅值差值计算各残留干扰频点的补偿系数，补偿系数等于干扰频谱分布矢量幅值与一次滤波频谱数据幅值的比值，按照各残留干扰频点的补偿系数对一次滤波信号序列中对应频点的频谱分量执行幅值补偿后经逆快速傅里叶变换输出二次滤波信号序列。

37、优选地，所述步骤s5的具体实施流程为：

38、s5.1、采集时序调节模块接收s1.3输出的干扰强度系数，将干扰强度系数与预设强度阈值进行比较，预设强度阈值包括第一强度阈值和第二强度阈值，第一强度阈值小于第二强度阈值；

39、s5.2、根据s5.1的比较结果确定采样时钟相位偏移量，当干扰强度系数小于第一强度阈值时采样时钟相位偏移量为零，当干扰强度系数介于第一强度阈值与第二强度阈值之间时采样时钟相位偏移量为第一偏移值，当干扰强度系数大于第二强度阈值时采样时钟相位偏移量为第二偏移值，第二偏移值大于第一偏移值；

40、s5.3、将s5.2确定的采样时钟相位偏移量反馈至干扰感知模块的模数转换器采样时钟输入端，干扰感知模块在下一采集周期按照偏移后的采样时钟相位触发模数转换采样。

41、优选地，所述步骤s3中数字陷波滤波器对原始数字信号序列执行陷波滤波后，还包括以下实施流程：

42、工频干扰追踪模块接收s1.1生成的各通道原始数字信号序列，从各通道原始数字信号序列中提取工频基波频率处的能量值及二次谐波频率处、三次谐波频率处的能量值，生成包含工频基波能量值、二次谐波能量值和三次谐波能量值的工频干扰特征矢量；

43、将工频干扰特征矢量中能量值超过预设工频能量阈值的频点标记为工频干扰频点，将工频干扰频点的频率值输出至动态屏蔽参数生成模块；

44、动态屏蔽参数生成模块接收工频干扰频点的频率值后，将工频干扰频点的频率值加入s2.2确定的主干扰频点集合中，重新执行s2.2至s2.3更新屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数，并将更新后的屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数输出至自适应陷波控制模块用于下一采集周期的陷波滤波配置。

45、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

46、本发明通过干扰感知模块实时计算干扰强度系数与干扰频谱分布矢量，为后续滤波参数配置和采样时序调节提供精准的数据基础；通过动态屏蔽参数生成模块根据干扰频谱分布矢量计算屏蔽频带边界值、根据干扰强度系数与屏蔽频带边界值的比值计算屏蔽深度系数，实现了陷波参数与实时干扰特征的自适应匹配；通过自适应陷波控制模块依据屏蔽频带边界值与屏蔽深度系数配置数字陷波滤波器的陷波中心频率、带宽与深度，使滤波器的阻带特性与干扰频谱精准对齐；通过干扰残留补偿模块根据屏蔽频带边界值之外的残留干扰频点能量值计算补偿系数并对一次滤波信号执行频谱补偿，有效恢复了陷波滤波造成的信号衰减；通过采集时序调节模块根据干扰强度系数动态调节采样时钟相位偏移量，使采样时刻避开干扰信号的峰值区域；通过工频干扰追踪模块实时提取工频基波及其谐波能量并反馈至动态屏蔽参数生成模块，形成工频干扰抑制的闭环调节，综上，本发明各模块之间形成数据联动与协同工作，共同提升了低频抗干扰采集的信噪比与信号保真度，适用于工业现场传感器信号采集、电力设备状态监测、低频通信接收等强干扰环境下的低频信号采集场景。