基于高铁传感器环境的短时脉冲干扰消除装置及实现方法

摘要

本发明提出一种处理短时脉冲干扰的方法及装置。该装置包括高通滤波模块、脉冲检测模块以及脉冲消除模块。通过高通滤波去除信号绝对幅度的影响；脉冲检测模块对短时脉冲干扰进行检测，并输出脉冲指示；脉冲消除模块消除信号中的短时脉冲干扰；且高通滤波和脉冲干扰消除均根据脉冲指示进行。该方法主要处理在时域进行，实现起来更简单，且对脉冲干扰消除很有效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高铁多传感器环境的短时脉冲干扰处理技术，支持高速列车上各类传感器，对于可能出现的短时脉冲干扰信号具有良好的抑制作用。

背景技术

传感器实际运行环境中会遭遇各种干扰，这些干扰叠加在有用信号上，影响有用信号的精度，甚至导致不可用。脉冲干扰（如图1所示）为其中典型的一种，可能来源包括汽车火花塞放电、间歇性电磁干扰等。其表现一般在时间上非连续，由持续时间短和幅度大的不规则脉冲或噪声尖峰组成，在频域则表现为较大的频宽。

对于数字输出的传感器，采用纠错编码和交织器的方式可以有效抵御脉冲噪声，接收侧甚至可以不做任何处理。但对于模拟输出的传感器，脉冲噪声会大大影响数据的表示，对于测控场合的传感器应用，甚至会产生虚假告警和误判，因此需要有效的手段抑制脉冲噪声影响。

 处理脉冲干扰一般在数字域进行，如图2所示，传感器信号处理时，其中滤波、信号调理、抗混叠滤波和ADC事在模拟域进行，而传感器信号数字处理是在数字域处理。 

一般的，在数字域上，简单的处理脉冲干扰的方法可以用窄带滤波器。窄带滤波器在概念上容易理解，但存在明显的缺点：

1）  脉冲干扰潜在的大频宽和高瞬时幅度，需要很窄的滤波器带宽，意味着滤波器级数多，实现延时大；

2）  窄的滤波器会对信号本身造成损失，需要权衡信号损伤和干扰抑制的影响，参数难选取。

也有在时域上处理脉冲干扰的方法，基本思想是利用脉冲干扰瞬时幅度远大于正常信号的特征，把超过一定幅度门限的认为是脉冲干扰，然后把脉冲干扰位置的数据或者限幅或者替换掉。但幅度门限的选取多基于经验，并且很少能自动设置和调节。

此外还有一些基于统计模型的方法，用类似隐态马尔科夫过程或者线性预测模型等的数学工具来描述信号或者脉冲噪声，这些方法实现复杂度高，并且对信号特征有一定要求，通常情况下不适合工程应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种短时脉冲噪声消除方法和装置。本发明主要处理在时域进行，但相对已有的方法，主要改进包括以下5点：

1）  通过一级高通滤波去除信号绝对幅度的影响；

2）  给出放大器幅度门限设计的理论依据；

3）  幅度门限具备根据信号特征自动调节的能力；

4）  对脉冲噪声波形特征不敏感；

5）  实现简单。

本发明通过以下技术方案实现：（权利要求修改后，记着把这部分修改一下）

一种短时脉冲干扰消除方法，其特征在于该包含以下步骤：

1）    将被干扰的原始数据输入通过一级高通滤波模块，进行高通滤波，去除信号绝对幅度的影响；

2）    将通过步骤1）处理后的信号进行脉冲检测，进而输出脉冲干扰指示，用以指示是否存在脉冲干扰；

3）    根据步骤2）输入的脉冲干扰指示，将原始数据输入进行脉冲消除。

进一步地， 所述步骤1）的具体步骤为：

11）在原始数据输入时，将其通过选择器1，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

12）然后将选择器1的输出输入低通滤波器1，将低通滤波器1的输出反馈到选择器1；

13）最后将原始输入的数据减去低通滤波器1的输出，从而得到进行了高通滤波后的数据；

其中选择器1根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器1的输出，否则选择原始输入数据进行输出。

进一步地，所述步骤2）的具体步骤为：

21）将步骤1）中的高通信号输出取绝对值，使得信号的幅值均为正值；

22）然后将信号通过选择器2，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

23）然后将选择器2输出的信号输入低通滤波器2，并将低通滤波器2的输出反馈到选择器2；

24）将低通滤波器2的输出的信号通过调整器，调整器将信号增加一个偏置，以调整信号，得到信号的最大值，如果信号幅度大于此值，都定义为脉冲；

25）在调整器后面，增加了一个“取较大值”的流程，将刚刚得到的最大值与一个参考值相比较，取大的那个；

26）将取过绝对值的信号与做过调整后的信号相比，若前者仍远大于后者，则将之视作短时脉冲干扰，输出一个脉冲提示；

其中，选择器2根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器2的输出，否则选择步骤21）输出的信号进行输出。

步骤24）中所述偏置的值为3倍的低通滤波器2输出的信号的标准差。

步骤25）所述参考值的选取从经验积累中获取。

进一步地，步骤3）的具体步骤为： 

31）将原始数据输入锁存器；

32）根据脉冲指示，锁存器进行输出；正常情况下无脉冲提示，锁存器打开更新，数据输出即等于数据输入；当检测到脉冲干扰后，锁存器关闭更新，数据输出取锁存器关闭前得信号输入值，即未受短时脉冲干扰的信号；

33）将锁存器输出与输入锁存器的数据进行选择，如果检测到脉冲干扰，则选择锁存器的输出作为最终数据进行输出；如果未检测到脉冲干扰，则将输入锁存器的数据作为最终数据进行输出。

一种短时脉冲干扰消除的装置，其特征在于该装置包括：一级高通滤波模块、二级脉冲检测模块和脉冲消除模块；其中，

一级高通滤波模块，用于将数据输入进行高通滤波，去除信号绝对幅度的影响；

二级脉冲检测模块，用于将所述一级高通滤波模块处理后的信号进行脉冲检测，进而输出脉冲干扰指示，用以指示是否存在脉冲干扰；

脉冲消除模块，用于根据所述二级脉冲检测模块输出的脉冲干扰指示，将原始数据输入进行脉冲消除。

进一步地，所述一级高通滤波模块包括选择器1、低通滤波器1和减法器；

选择器1，接收数据输入，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

低通滤波器1，连接至选择器1，将选择器1的输出输入低通滤波器1，将低通滤波器1的输出反馈到选择器1；

减法器，连接至低通滤波器1，将原始输入的数据减去低通滤波器1的输出，从而得到进行了高通滤波后的数据；

其中选择器1根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器1的输出，否则选择原始输入数据进行输出。

进一步地，所述二级脉冲检测模块包括绝对值模块、选择器2、低通滤波器2、调整器、取最大值模块和比较器；

绝对值模块，与一级高通滤波模块相连，从一级高通滤波模块输出的信号输出取绝对值，使得信号的幅值均为正值；

选择器2，与绝对值模块相连，将绝对值模块输出的信号通过选择器2，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

低通滤波器2，与选择器2相连，将选择器2输出的信号输入低通滤波器2，并将低通滤波器2的输出反馈到选择器2；

调整器，连接至低通滤波器2，将低通滤波器2的输出增加一个偏置，以调整信号，得到信号的最大值，如果信号幅度大于此值，都定义为脉冲；

取较大值模块，连接至调整器，从调整器中得到的最大值与一个参考值相比较，取大的那个；

比较器，将取过绝对值的信号与调整器输出的做过调整后的信号相比，若前者仍远大于后者，则将之视作短时脉冲干扰，输出一个脉冲提示；

其中，选择器2根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器2的输出，否则绝对值模块输出的取过绝对值的信号进行输出。

进一步地，所述偏置的值为3倍的低通滤波器2输出的信号的标准差。

进一步地，所述参考值的选取从经验积累中获取，获取方法为观察记录原始数据的规律和特征，找出数据中脉冲干扰的普遍幅值。

进一步地，所述脉冲消除模块包括锁存器和选择器3；

锁存器，连接至二级脉冲检测模块，接收从二级脉冲检测模块的输出信号；根据脉冲指示，锁存器进行输出；正常情况下无脉冲提示，锁存器打开更新，数据输出即等于数据输入；当检测到脉冲干扰后，锁存器关闭更新，数据输出取锁存器关闭前得信号输入值，即未受短时脉冲干扰的信号；

选择器3，连接至锁存器，将锁存器输出与输入锁存器的数据进行选择，如果检测到脉冲干扰，则选择锁存器的输出作为最终数据进行输出；如果未检测到脉冲干扰，则将输入锁存器的数据作为最终数据进行输出。

附图说明

图1为脉冲噪声示意图；

图2为传感器信号处理链；

图3为本发明的短时脉冲消除装置的原理框图；

图4为一级高通滤波模块；

图5为二级脉冲检测模块；

图6为高斯分布概率密度函数图；

图7为脉冲消除模块；

图8为本发明的短时脉冲消除方法基本流程图；

图9为短时脉冲消除的具体步骤；

图10为按照本发明的方法所进行的仿真示例中输入的含有短时脉冲的原信号；

图11为按照本发明的方法所进行的仿真示例中进行处理后的信号。

具体实施方式

参照附图3，其为本发明短时脉冲消除装置的基本框图，其中包括一级高通滤波模块301、二级脉冲检测模块302和脉冲消除模块303，

一级高通滤波模块301，用于将数据输入进行高通滤波，去除信号绝对幅度的影响；

二级脉冲检测模块302，用于将所述一级高通滤波模块处理后的信号进行脉冲检测，进而输出脉冲干扰指示，用以指示是否存在脉冲干扰；

脉冲消除模块303，用于根据所述二级脉冲检测模块输出的脉冲干扰指示，将原始数据输入进行脉冲消除。

参照附图4、5、7为一级高通滤波模块301、二级脉冲检测模块302和脉冲消除模块303的具体结构。

1、一级高通滤波模块，如图4所示。将输入信号通过一级高通滤波器，由于传感器测得的信号，本身即带有其绝对幅度，如温度、气压一类的传感器。为了处理方便起见，希望可以将信号中的绝对幅度去除掉，相当于去除直流分量，剩余的信号分量即在坐标轴上下波动的白噪声。此模块的分析展开如下：

在被干扰的原始数据输入时，将其通过选择器1，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据，“脉冲指示”将在后面涉及（在脉冲检测模块中涉及，此处的脉冲指示即为脉冲检测模块的输出）。如果有脉冲，则选择低通滤波器1的输出，否则选择前端输入的数据进行输出。这是因为检测到脉冲后，为了防止瞬时的大脉冲把绝对幅度拉上去，应该使低通滤波的输出保持不变。

由于高通滤波器的实现比较复杂，所以选择用低通滤波器与减法器配合使用。低通滤波器1的输出为频率较低信号和直流分量，将原信号通过减法器将低通输出减去，即可得到信号本身的白噪声分量、短时脉冲干扰分量，以及其他的噪声分量。

2、 二级脉冲检测，如图5所示。将1中的高通信号输出取绝对值，使得信号的幅值均为正值。然后将取绝对值的信号通过选择器2，根据脉冲指示，选择器2输出相应的信号，如果有脉冲指示，则选择低通滤波器2的输出，否则选择取绝对值后的信号输出。将选择后的信号将信号通过低通滤波器2，由低通滤波器原理可知，若滤波器取一定的截止频率和通带，可使滤波器输出为信号的直流均值                                                。由通信原理的理论可知白噪声信号属于高斯分布信号，由高斯分布信号的概率密度图（即图6）可知，轴与曲线之间的面积恒等于1。由经验可知，曲线下，横轴区间（，）（其中为信号的期望，为信号的标准差）内的面积为68.268949%，横轴区间（，）内的面积为95.449974%，横轴区间（，）内的面积为99.730020%，这就意味着信号幅度大于3倍的标准差时，出现的概率将会非常小，几乎可以忽略不计。也就是说，将低通滤波器2的输出增加一个偏置，值为3倍的标准差，则可得到信号的最大值，默认如果信号幅度大于此值，都定义为脉冲。

在调整器后面，增加了一个“取较大值”的流程，将刚刚得到的最大值与一个参考值相比较，取大的那个，这是因为如果信号的均值较小，调整后的值仍然偏小，这样会影响后期对脉冲的判断。参考值的选取要从经验积累中获取，获取方法为观察记录原始数据的规律和特征，找出数据中脉冲干扰的普遍幅值。

将取过绝对值的信号与做过调整后的信号相比，若前者仍远大于后者，这在高斯概率分布中出现的可能性及其小，因此可以将之视作短时脉冲干扰，输出一个脉冲提示。

3、脉冲消除模块，如图7所示。得到脉冲提示后，此模块决定了信号的输出。正常情况下无脉冲提示，锁存器打开更新，数据输出即等于数据输入；当检测到脉冲干扰后，锁存器关闭更新，数据输出取锁存器关闭前得信号输入值，即正常值。

当输入信号瞬时出现大的突变，如调试阶段传感量的快速大幅度调节，变化完后信号在新的均值水平稳定，则上图的脉冲指示可能死锁住。因此当脉冲指示给出后，同步对锁存器启动一个计数器，计数器设一个上限（取值比可能出现的脉冲最大宽度略大），上限的数值一般由经验值决定，当计数满之前，脉冲指示自动置零，开启锁存器输入更新。但当计数满，脉冲指示还是高时，则复位脉冲指示，锁存器重新关闭，输出为第二次更新过的输入值。

参照附图8，其为本发明短时脉冲消除装置的基本流程图。

将信号输入短时脉冲消除装置后，

步骤801，将数据输入通过一级高通滤波模块，进行高通滤波，去除信号绝对幅度的影响；

步骤802，将通过步骤301处理后的信号进行脉冲检测，进而输出脉冲干扰指示，用以指示是否存在脉冲干扰；

步骤803，根据步骤302输入的脉冲干扰指示，将原始数据输入进行脉冲消除。

参照附图9，其为短时脉冲消除的具体步骤：

步骤901，在数据输入时，将其通过选择器1，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

步骤902，然后将选择器1的输出输入低通滤波器1，将低通滤波器1的输出反馈到选择器1；

步骤903，最后将原始输入的数据减去低通滤波器1的输出，从而得到进行了高通滤波后的数据；

其中选择器1根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器1的输出，否则选择原始输入数据进行输出。

步骤904，将步骤903中的高通信号输出取绝对值，使得信号的幅值均为正值；

步骤905，然后将信号通过选择器2，根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据；

步骤906，然后将选择器2输出的信号输入低通滤波器2，并将低通滤波器2的输出反馈到选择器2；

步骤907，将低通滤波器2的输出增加一个偏置，以调整信号，得到信号的最大值，如果信号幅度大于此值，都定义为脉冲；

步骤908，在调整器后面，增加了一个“取较大值”的流程，将刚刚得到的最大值与一个参考值相比较，取大的那个；

步骤909，将取过绝对值的信号与做过调整后的信号相比，若前者仍远大于后者，则将之视作短时脉冲干扰，输出一个脉冲提示；

其中，选择器2根据是否检测到短时脉冲的指示来选择输出的数据时，如果有短时脉冲，则选择低通滤波器2的输出，否则选择步骤去过绝对值的输出的信号进行输出。

步骤910，将原始数据输入锁存器；

步骤911，根据脉冲指示，锁存器进行输出；正常情况下无脉冲提示，锁存器打开更新，数据输出即等于数据输入；当检测到脉冲干扰后，锁存器关闭更新，数据输出取锁存器关闭前得信号输入值，即正常值；

步骤912，将锁存器输出与输入锁存器的数据进行选择，如果检测到脉冲干扰，则选择锁存器的输出作为最终数据进行输出；如果未检测到脉冲干扰，则将输入锁存器的数据作为最终数据进行输出。

按照本发明的方法进行仿真，可得到以下仿真结果：

利用调试传感器时采集到的信号，对本发明提出的处理方法进行仿真验证。由图10可以看出，采集到的原信号中，大部分信号是平稳波动的，但存在着若干处的大幅度短时脉冲。针对这些干扰，运用该发明中提出的方法进行处理，值得提出的是，调整器中的参数取3倍的信号标准差。

从图11可以看出，短时脉冲基本被消除干净，由此可见，这个方法实现非常简单，实现方法对脉冲的形状和保持时间不是特别的敏感，只对脉冲的幅度较为敏感，最重要的是，不需要预先设定门限值，系统会根据信号特征来进行自动调节门限值。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变形在内。