引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，航天、工業(yè)、醫(yī)療、船舶等領(lǐng)域?qū)ξ⑷跣盘?hào)處理的需求日益增加。水下磁異常信號(hào)作為一種微弱且復(fù)雜的物理量，在地質(zhì)勘探、海洋探測(cè)和國(guó)防監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。然而，該信號(hào)處于微伏級(jí)別，極易受到環(huán)境噪聲、設(shè)備噪聲及電磁干擾等因素的影響，導(dǎo)致其難以實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)和精確采集。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，信號(hào)采集系統(tǒng)在信號(hào)檢測(cè)、處理過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其性能直接決定了信號(hào)的質(zhì)量和精度。特別是在提升信噪比和動(dòng)態(tài)范圍方面，動(dòng)態(tài)范圍越大，采集系統(tǒng)能夠覆蓋的信號(hào)幅度也相應(yīng)擴(kuò)展，意味著在固定AD量化級(jí)數(shù)內(nèi)可以采集到更多有用信息；反之，動(dòng)態(tài)范圍較小會(huì)導(dǎo)致微弱信號(hào)被噪聲淹沒，從而影響信號(hào)的檢測(cè)精度和有效恢復(fù)。

為了使微弱信號(hào)能被采集，通常在采集之前會(huì)采用放大電路對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行放大，信號(hào)放大過程中不可避免地會(huì)引入電源噪聲、放大器自身的熱噪聲、閃爍噪聲以及外部干擾信號(hào)。這些噪聲源在極端環(huán)境下尤為明顯，使得對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)難度進(jìn)一步加大。同時(shí)在常規(guī)的采集方法中，每一路信號(hào)的采樣通常直接采用單個(gè)AD轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果作為數(shù)字信號(hào)。盡管這些芯片具有很高的理論動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際應(yīng)用中由于單一量程的限制，系統(tǒng)的可測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍往往低于AD轉(zhuǎn)換器的理論值。李小龍[1]提出借助最小二乘法得到每個(gè)通道修正誤差所需要的系數(shù)，最后再通過配置 AD芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的修正，但實(shí)時(shí)性不足，且對(duì)噪聲模型的適應(yīng)能力較差。郭威等人[2]提出一種分立式架構(gòu)的雙 ADC 同步采集單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)采集時(shí)的高分辨率以及對(duì)大信號(hào)采集時(shí)的高容差，但由于不同AD對(duì)同一信號(hào)采集，易導(dǎo)致相位失調(diào)，可變?cè)鲆嬉膊灰卓刂啤?/p>

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文旨在提升采集系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的采集能力。以紫光Logos系列PGL22G型號(hào)的國(guó)產(chǎn)FPGA作為核心，微弱信號(hào)在前端實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)處理后，通過兩個(gè)AD通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采集，并對(duì)兩個(gè)24位通道數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)融合以及濾波估計(jì)，最終優(yōu)選結(jié)果以期提高信號(hào)采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍。最后，通過試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行本地噪聲和系統(tǒng)響應(yīng)精度論證。

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作者信息：

卓光加1，董彩萍2，郭拓1，劉建國(guó)3

（1.陜西科技大學(xué) 電子信息與人工智能學(xué)院，陜西 西安712099；

2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái)264000；

3.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安710068）