相敏解調（phase sensitive demodulation，PSD），又稱爲鎖相放大、鎖相檢測、相關檢測和相關解調，可將被高斯白噪聲污染甚至淹沒的有用信息提取出來，用途廣泛，在ECT系統中，相敏解調用於被測電容信息從C/V轉換後的交流電壓信號中提取出來。
相敏解調方法分爲模擬解調和數字解調。
一、模擬解調首先將模擬解調首先將C/V 轉換後的交流電壓信號轉換成直流電壓信號,再由低速的A/D 轉換器測量。常用的模擬解調方法有開關解調和乘法解調,一般通過乘法器、低通濾波器等模擬器件實現。1）開關解調是利用與激勵信號同相的方波解調測量電壓信號的方法。主要包含運算放大器和低通濾波器兩部分。運放的增益由參考信號控制,在1 和- 1 之間切換。低通濾波器從信號中提取直流電壓分量。2）乘法解調利用與激勵信號同相的正弦電壓信號解調被測信號。主要包含乘法器和低通濾波器兩部分。低通濾波器從乘法器輸出信號中提取直流成分,該直流成分與輸入信號的幅值及輸入信號和參考信號之間的相位差成一定比例關係。傳統的ECT 系統一般採用模擬器件進行解調,低通濾波器的穩定時間是影響系統成像速度的主要因素。而低通濾波器的穩定時間ts 與截止頻率fc 成反比。理論上,選取較低的截止頻率fc,能有效抑制噪聲,提高系統的精度;然而,fc 越低,濾波器的穩定時間ts 就越長,系統速度降低。可見,模擬解調濾波已成爲進一步提高系統速度與精度的瓶頸。此外,模擬ECT 系統一般採用兩個DDS 芯片,分別產生激勵和解調參考信號,但即便使用同一片晶振,也無法保證激勵和參考信號的頻率、相位完全一致,勢必影響解調的精度。
二、數字解調是由高速A/D 轉換器對被測信號採樣,利用高性能數字信號處理器件,如FPGA、DSP 等,採用數值計算的方法提取被測信號的幅值和相位信息。常用的解調方法有FFT 解調方法和正交序列解調。
FFT 解調是將信號從時域變換到頻域, 在頻譜中找到對應頻點信息,即爲解調結果。
通常利用高速DSP 芯片對被測信號進行頻譜分析,分爲以下三步:
⑴ 對信號進行採樣,得到離散的數字信號;
⑵ 建立數據窗,進行數據截取;
⑶ 對截取數據應用FFT,得到結果。此過程需要進行大量的複數乘法和加法運算時間開銷較大。可見利用FFT 解調,系統實時性不高。此外,FFT 在進行時域到頻域的變換過程中存在固有的缺陷,如柵欄效應、頻率泄漏等,影響解調精度。
正交序列解調利用了匹配濾波器的理論。匹配濾波器是在白噪聲背景下,能使輸出信噪比達到最大的線性濾波器。
與FFT 解調相比,數字正交解調具有明顯的優勢:(1)計算量大幅度降低。(2)執行效率高,佔用內存資源少。FFT 解調只能在採滿一個週期的數據後才能運算; 而正交解調計算過程無需等待下一個採樣點的到來,計算完成後採樣值也不用保存。
