本章首要介绍弱信号检测中的信号鼓励办法，经过剖析常见的单鼓励数字相敏检波办法体系累积差错较大的缺陷，提出了一种改进的信号检测办法：正交双鼓励信号检测办法（Double Digital Phase Sensitivity Demodulation，D-DPSD）。经过仿真试验和差错剖析，该改进的办法在弱信号中的鉴幅鉴相才干上有必定的进步，取得了较好的效果。
3.1信号鼓励办法概述
生物电阻抗丈量体系是一个硬件与软件结合的全体。其体系原理如图3.1所示。其间信号源发生信号，经过电极传到被测目标上，信号经过被测目标之后，再经过电极传送到前端信号检测模块，经AD收集之后，送到上位机进行处理。
信号源和优化电极的装备是进步EIT体系功用的要害环节。人们对鼓励信号源、电极及其影响进行了多方面研讨，并对其结构形状进行了许多改进，而优化电极结构，就有必要对不同电极结构对灵敏场散布以及丈量的影响进行深入剖析，然后取得优化的结构办法。
信号源发生的信号首要有方波信号、正弦波信号、脉冲信号等。
现在，EIT体系中选用的电极有点电极、矩形电极、复合电极三种，点电极是一种直径十分小的圆形电极。因为面积小，因而能丈量“点”的电位信息，能够希望丈量数据更接近于反映二维电导率散布状况。可是实际上，点电极所发生的场类似于两个点电荷所发生的场，在空间发散散布，这样的场用二维场剖析会导致较大的差错（只要平行平面场才干简化为二维场）。
矩形电极是为改进点电场散布的不均匀性而提出的。在均匀介质散布的状况下，能够近似以为电流密度在电极上均匀散布，当电极轴向满足长、电极间间隔很小时，除电极板边际部分存在边际效应外，中心区域电流密度平行散布。这样矩形电极发生的场更契合二维场模型。
复合电极是医学EIT范畴提出的一种电极，实际上是矩形电极和点电极的组合。其意图是希望能归纳点电极和矩形电极的长处，即用矩形电极发生比较平行、均匀的灵敏场，用点电极丈量点的电位信息。一起运用大面积的电极能减小电极与皮肤之间的触摸阻抗，进步丈量数据的可靠性。
不管哪种形状的电极，其灵敏场都均散布于必定的空间区域内，该区域媒质电导率的改动都会对灵敏场的散布发生调制效果，然后导致鸿沟丈量电压的改动，使得丈量的信息反映物场的改动。
在EIT体系中，电极的数目决议了或许的独立丈量数，而独立丈量数越多，越能取得更高的图画分辨率。可是，电极数意图添加，对灵敏场散布和丈量信号也会发生其它影响：
（1）电极数意图添加，必定导致相邻两个电极之间的间隔变小，然后鼓励电流更多地流经场域鸿沟，形成场域鸿沟的灵敏度进一步进步，而场域中心的灵敏度进一步下降；
（2）电极数意图添加将导致一次鼓励时，所取得的各丈量电压之间不同的减小，这就要求数据收集体系具有更高的分辨率。当两个丈量电极之间的电压差小到低于数据收集体系分辨率时，电极数意图添加也就失去了含义。丈量电压越小，相对来说其信噪比下降，相应地对丈量电路的要求越高。此外，跟着电极数意图添加，独立丈量数也将添加，形成数据收集时刻及图画重建时刻延伸，影响体系实时性。
电极宽度关于灵敏场的影响也需求考虑，在EIT体系中，宽电极被广泛选用，在Ping Hua等人的研讨中，电极乃至覆盖了丈量目标周边面积的80—90％。
首要考虑鼓励电极，在EIT体系中，电极与丈量目标之间存在触摸阻抗，选用宽电极能够经过增大触摸面积而削减触摸阻抗。此外，添加电极宽度还能够改进灵敏场散布的均匀性。不管关于相对鼓励形式仍是相邻鼓励形式，电极越窄，电极邻近的灵敏场相对越强，而远离电极区域的灵敏场相对越弱，灵敏场散布的不均匀性越强。8个点电极构成的E1T体系在相邻鼓励形式下，有90％以上的灵敏场散布在鼓励电极对地点的半场，当电极数目添加时，灵敏场散布的不均匀性将进一步加重。
关于惯例电极，丈量电极与鼓励电极是同一个电极，电极加宽对体系的晦气影响首要体现在两个方面：（1）因为电极与丈量目标触摸面积的加犬，而使电极丈量信号不能反响“点”电位信息；（2）因为电极为导体，它将与其触摸的被测体外表强制为等电势，电极越宽，强制等势面积越大，而对灵敏场的影响越大。
EIT体系在医学运用中，常运用复合电极。复合电极的外部电极作为电流鼓励电极，内部电极作为电压丈量电极，因为丈量电极面积很小，因而，能够看作点电极，然后克服了惯例电极加宽所带来的晦气影响，可是因为外部电极面积较大，电极加宽形成的晦气影响依然存在。事实上，电极宽度的添加对丈量所带来的利害互相制约，因而，在信号源已知的状况下，电极优化时有必要归纳考虑。
3.2单鼓励数字相敏检测办法
数字相敏检测办法是阻抗丈量体系中提取信号幅值和相位的有用办法之一。
阻抗丈量是生物电阻抗成像技能的要害，没有阻抗丈量体系精确的丈量生物内部的各种特性，就没有生物电阻抗成像技能的开展。生物电阻抗成像技能[1]是依据生物安排与器官的电特性，丈量鸿沟电压或电流信号来获取物体内部电特性参数散布，从而重建物体内部结构与功用特性图画。生物电阻抗丈量技能是其要害。关于生物安排电阻抗检测技能的研讨，一直是生理学、生物医学工程学重视的热点问题。
近年来，生物电阻抗丈量首要对中低频阻抗剖析丈量，中低频阻抗剖析一般选用矢量法原理，依据被测物体两头的矢量电压和矢量电流核算出阻抗矢量，其原理如图3.2所示。首要别离求出U和I在坐标轴上的各投影重量U x，U y，I x，I y。
据此求出阻抗
相位
3.2.1单鼓励数字相敏检波算法原理
传统的相敏检波办法是以模仿乘法器或乘积型数模转换器为中心构成PSD.近年来，国内外也有学者开端研讨用数字相敏检波器（DPSD）以替代模仿相敏检波器（APSD）。可是，选用模仿参阅信号时，其乘法器的线性度和温度漂移、有限的低通滤波器的积分时刻以及直流放大器的零漂和1/f噪声都使得精度难以做得很高[5]；而选用根据反向采样的DPSD算法和根据V/F改换的DPSD算法[4]完成的办法时，因为其选用方波信号作为参阅信号，所以存在谐波的影响。
针对上述相敏检波技能的缺乏，一般的数字相敏检波技能是选用鼓励信号经过被测网络，然后与同频率的一组正交信号相乘来提取幅值和相位。在体系中建立仿真时选用同一个AD的两个通道将被测信号采入FPGA，在AD改换之后用数字滤波技能提取矢量信号的起伏和相位，运用正交相乘进行鉴幅和鉴相，该办法的线性度大大优于传统乘积型模仿转换器为中心构成的相敏检波器的计划。因为选用了AD和FPGA相结合，体系的灵活性增大，且能够凭借各种数字信号算法进步参数的估量精度。
单鼓励源数字相敏检波算法的完成办法是运用信号源发生一组正弦波
，将这组正弦波与其同频率的
相乘得到1 y （ n ），2 y （ n ）。
然后经过累加办法滤波，在FPGA中进行运算处理来提取起伏和相位。如图3.3所示。
3.2.2单鼓励数字相敏检波理论剖析
数字%&&&&&%的飞速开展，特别是数字信号处理技能的开展，对中频信号直接进行数字化处理成为了或许。取样坚持电路直接取样中频信号，一般要求取样坚持电路的取样率是中频信号频率的3倍以上，以确保中频信号的每一个周期内至少收集3个数据点，只要这样才干不失真的核算出被测矢量信号的起伏和相位。
数字处理办法能够有用进步检波电路的抗干扰才干，一起减小了体积和本钱。本文的办法是在A/D改换之后用数字滤波技能提取矢量信号的起伏和相位。
运用数字相敏检波算法鉴幅鉴相核算相位*和幅值A *的原理如图3.4所示：
3.2.3单鼓励数字相敏检波差错剖析
数字相敏检波算法关于有源器材带来的高斯噪声和谐波噪声、AD采样带来的量化噪声以及信号中搀杂的与信号不相关的随机噪声有很好的抑制效果，这样能够在很大程度上减小体系的丈量差错，这是DPSD算法的长处，可是经过对体系的差错做全体剖析知，DPSD算法中，差错首要来自滤波环节。
由DPSD算法可知，在对y1（ n ）和y2 （ n ）进行滤波时，选用的是周期累加办法，即
其间N为累加的点数，一般为一个周期或许周期的整数倍内的采样点数，Xi为待滤波的信号。图3.5（a）和图3.5（b）别离为单位正弦波的0ω在不同取值下累加一个周期和两个周期的差错散布状况，其间0 / cω= f f是采样频率和被采信号频率之比。
如图3.8所示，在累加一个周期的状况下，就算采样频率是信号频率的10倍，最终的累加值也有将近10%的差错，而此刻关于生物电阻抗丈量体系而言，ADC的采样率要到达鼓励信号频率的20倍；累加两个周期时，差错有所减小，在采样频率是信号频率的10倍时，有将近4%的差错，而且图3.5（a）和图3.5（b）中所示的各个采样频率和被采信号频率比值处的差错不必定便是此比值下累加形成的最大差错，图中所示仅仅规范正弦波从零点开端累加的成果。生物电阻抗丈量体系中丈量的是及其弱小的信号，用这样的办法去丈量生物电阻抗将得到很糟糕的数据，且晦气于丈量带宽的扩展。
