一种PVDF超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法与流程

本发明涉及电气设备检测领域，具体而言涉及一种pvdf超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法。

背景技术：

局部放电是造成电气设备绝缘破坏的主要因素，局放超声阵列检测是局部放电众多检测方法中一种较为适用的方法，但是在实际运行中国，传感器的接收效率不高，灵敏度较低，所接收到的超声波信号极其微弱，电气设备运行环境十分复杂，致使超声信号常常被湮没在强烈的噪声之中，导致检测的精度降低，甚至检测失败。因此如何提高阵列传感器的灵敏度和抗干扰能力一直是有关技术人员面临的难题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种pvdf超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法，第一，pvdf超声阵列传感器从结构和材料选择上尽可能多地接收超声波信号，第二，对接收的超声波信号执行针对阵列信号的去噪方法，有效提高了阵列传感器的灵敏度和抗干扰能力。

为达成上述目的，本发明提出一种pvdf超声阵列传感器，所述pvdf超声阵列传感器包括传感器壳体、以及安装在传感器壳体内的若干个超声阵元；

所述超声阵元包括一阵元壳体，以及安装在阵元壳体内的声匹配层、pvdf压电材料、吸声背衬、导线；

所述阵元壳体呈圆柱体，其沿纵长方向具有第一端部和第二端部，其中，第一端部上设置有第一开口，第二端部上设置有第二开口；

所述声匹配层安装在阵元壳体的第一端部，填充第一开口以使第一端部成一封闭端；所述吸声背衬安装在声匹配层临近阵元壳体内部的一侧，其远离声匹配层的一端紧贴阵元壳体第二端部的内侧；所述pvdf压电材料填充在声匹配层和吸声背衬之间；所述pvdf压电材料呈凹槽状，其开口朝向阵元壳体的第一端部；

所述吸声背衬内部设置有一凹槽；

所述导线设置在凹槽内，导线的一端电连接pvdf压电材料，另一端穿过第二开口延伸至阵元壳体外部、并且与一数据采集器电连接；

所述数据采集器与一处理单元电连接；

所述pvdf压电材料将接收到的超声波信号转换成电信号，并且将生成的电信号经由导线传输至数据采集器，数据采集器再将接收到的电信号发送至处理单元；

所述处理单元内置有一阵列信号去噪算法模块，处理单元被设置成响应于接收到数据采集器发送的电信号，调用阵列信号去噪算法模块，对电信号进行去噪处理。

进一步的实施例中，所述声匹配层采用硅橡胶和氧化铝的混合物；

所述吸声背衬采用二氧化硅。

进一步的实施例中，所述pvdf压电材料呈半球形凹槽状。

进一步的实施例中，所述阵元壳体采用金属。

进一步的实施例中，所述若干个超声阵元呈圆环形分布在传感器壳体内。

进一步的实施例中，所述传感器壳体内设置有磁铁。

基于前述pvdf超声阵列传感器，本发明还提及一种阵列信号去噪方法，所述方法包括：

s1：将pvdf超声阵列传感器设置在电气设备外表面，以收集电气设备运行时产生的混合信号x(t)，其中，x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t)]^t,t＝1,2,...,n为混合信号的n个样本；

s2：对收集的混合信号x(t)进行预处理，预处理包括去均值处理和白化处理，用以去除混合信号中的均值、获得一白化矩阵w及白化后的混合信号矩阵z(t)＝wx(t)，其中，w＝∑^1/2t^h；

s3：按照顺序结构求出白化后的混合信号矩阵的四阶累积量，得到n²个四阶累积量，设其为并令

对每个mi∈m求四阶累积量矩阵，得到n²个四阶累积量矩阵，设其为并令其中，白化后的观测信号z(t)的四阶累积量的第i,j元素可由下式表示：

cum((zi,zj,zk,zl)mkl＝e[zizjzkzl]-e[zizj]e[zkzl]-e[zizk]e[zjzl]-e[zizl]e[zjzk]

其中，mkl为矩阵m的第k行，l列元素，m为第i行，j列元素为1，其余元素为零的n×n矩阵。

以mi∈m为权重矩阵构成四阶累积量矩阵[cz(mi)]，对四阶累积量矩阵[cz(mi)]执行联合对角化处理，以获得一正交归一化矩阵v，该正交归一化矩阵v被设置成能够对所有的四阶累积量矩阵[cz(mi)]进行联合对角化；

s4：根据白化矩阵w和正交归一化矩阵v对混合信号x(t)进行反演计算，以获取去噪后的超声波信号其中，

进一步的实施例中，步骤s2中，白化处理的方法包括：

设混合信号x的自相关矩阵为rx，由相关矩阵rx的性质可知，rx的特征分解式为：

rx＝t∑t^h

其中，∑为对角矩阵，其对角元素为矩阵rx的特征值λ1,λ2,...,λn，正交矩阵t的列向量是与特征值相对的特征向量。

令白化矩阵为：

w＝∑^-1/2t^h

白化后的混合信号矩阵为z(t)＝wx(t)。

进一步的实施例中，步骤s3中，采用近似对角化来代替完全对角化。

进一步的实施例中，近似对角化采用最小jd准则函数：

其中，非对角分量off(·)定义为off(a)＝∑i≠j|aij|²。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，

1)能够接收大部分超声波信号，包括宽带信号和窄带信号，应用范围广。

2)能够对接收到的信号进行聚焦处理，提高信号接收效率。

3)采用声匹配层减少信号损耗。

4)提出了一种适用于阵列信号的阵列信号去噪方法，有效去除接收到的混合信号中的噪声信号。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的pvdf超声阵列传感器的结构示意图。

图2是本发明的pvdf超声阵列传感器的a-a剖面示意图。

图3是本发明的pvdf超声阵列传感器的b-b剖面示意图。

图4是本发明的超声阵元的结构示意图。

图5是本发明的阵列信号去噪方法的工作流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，本发明提出一种pvdf超声阵列传感器。针对现有技术中的超声阵列传感器的弊端，本发明提出的pvdf超声阵列传感器在以下两个方面做了一些改进：

(1)减小声波损耗，尽可能多地接收超声波信号，提高信号的接收效率。

(2)对接收到的阵列信号进行去噪处理，从中提取出需要的超声波信号。

在本发明中，改进(1)通过一种新型的pvdf超声阵列传感器的结构实现，改进(2)则通过一种适用于前述pvdf超声阵列传感器的阵列信号去噪方法来实现。

下面首先对本发明所提及的pvdf超声阵列传感器的结构进行阐述。

结合图1、图2、图3，所述pvdf超声阵列传感器包括传感器壳体7、以及安装在传感器壳体7内的若干个超声阵元6，其中，若干个超声阵元6根据实际需求按顺序排列成不同的形状，例如十字型、环形、长方形、圆形等等，图1展示了环形的其中一种结构。

优选的，相邻超声阵元6之间的距离相同，同时，为了避免pvdf超声阵列传感器的旁瓣效应，pvdf超声阵列传感器所包含的各个超声阵元6之间的距离被设置成不超过所要检测的超声波的半波长。

为了便于拆装使用，本发明提出在pvdf超声阵列传感器的内侧镶嵌磁铁8，使用时可以将pvdf超声阵列传感器吸附在电气设备外表面。优选的，在pvdf超声阵列传感器的两侧对称设置两块磁铁8，一方面，这样的设计能够使pvdf超声阵列传感器稳定地固定在电气设备外表面，另一方面，节约成本的同时尽可能地减少磁铁8对pvdf超声阵列传感器的影响。

结合图4，每个超声阵元6包括一阵元壳体4，以及安装在阵元壳体4内的声匹配层2、pvdf(聚偏二氟乙烯)压电材料、吸声背衬3、导线5。

所述阵元壳体4呈圆柱体状，其沿纵长方向具有第一端部和第二端部，其中，第一端部上设置有第一开口，第二端部上设置有第二开口。

所述声匹配层2安装在阵元壳体4的第一端部，填充第一开口以使第一端部成一封闭端；所述吸声背衬3安装在声匹配层2临近阵元壳体4内部的一侧，其远离声匹配层2的一端紧贴阵元壳体4第二端部的内侧；所述pvdf压电材料1填充在声匹配层2和吸声背衬3之间。

所述吸声背衬3内部设置有一凹槽。

所述导线5设置在凹槽内，导线5的一端电连接pvdf压电材料1，另一端穿过第二开口延伸至阵元壳体4外部、并且与一数据采集器电连接。

声匹配层2采用的是硅橡胶和氧化铝按照一定比例掺杂的混合物，其声阻抗适中。当超声波信号由电气设备外表面传播到pvdf压电材料1当中，由于两种材料的声阻抗相差较大，因此会造成较大的损失，声匹配层2起到了减小声波损耗的作用。

pvdf压电材料1将超声波信号转换为电信号反馈出来。相对于传统的压电材料,pvdf具有低机械品质因数、高宽频带、压电电压常数高、声阻抗低等独特优势。

吸声背衬3采用二氧化硅材料，其作用是吸收经过pvdf压电材料1的超声波信号，避免其发生反射干扰正常接收信号。

导线5的作用是将pvdf压电材料1转换成的电信号传输到数据采集器中。

在一些例子中，将pvdf压电材料1的结构设计成凹槽状，凹槽的开口朝向阵元壳体4的第一端部，目的在于将入射进来的超声波信号进行聚焦。这是由于目前大多数阵列信号处理算法均是针对窄带信号而言的，而实际检测的信号大多为为宽带信号，基于凹槽的设计，本申请提及的阵列传感器能够实现超声波信号的聚焦，再将聚焦之后的信号运用阵列信号处理算法进行处理，扩大其使用范围。作为其中的一个例子，我们将pvdf压电材料1设计成半球形凹槽状，半球形的半径与需要采集的超声波的波长相匹配，以达到最大化聚焦的目的。

在一些例子中，所述阵元壳体4采用金属，采用金属外壳目的主要是进行屏蔽。

优选的，第一端部作为超声波信号的接收端，面积越大接收的超声波信号越多，结合图1的例子，我们将第一开口设置为全端开口，以便于超声波信号的采集。

导线5穿过第二端部上的第二开口以连接数据采集器，因此第二端部上的第二开口的大小可以设置成和导线5尺寸匹配，至于位置，优选的，设置在第二端部的中间，目的在于使吸声背衬3在阵元壳体4横截面的各方向上的功效一致。

在一些例子中，所述第二端部为一可拆卸的活动端。进一步的，所述第二开口朝向阵元壳体外侧的一侧上设置有一可拆卸的密封盖，以使第二端部成一封闭端。当某些超声阵元发生故障时，能够快速对其进行检修，可以理解，这样的结构设计也便于超声阵元的日常维护，实际应用中，根据具体的需要只拆卸密封盖、或者拆卸密封盖及第二端部，减少对第一端部处结构件的损伤。

前述结构能够使pvdf超声阵列传感器尽可能多的接收电气设备运行时的混合信号，这里的混合信号既包括检测分析所需要的超声波信号，也包括电气设备运行时产生的强烈的噪声，对于噪声，本申请提出一种阵列信号去噪方法，去除混合信号中的噪声，还原检测分析所需的超声波信号。

结合图5，本发明提出一种基于前述的pvdf超声阵列传感器的阵列信号去噪方法，所述方法包括：

s1：将pvdf超声阵列传感器设置在电气设备外表面，以收集电气设备运行时产生的混合信号x(t)，其中，x(t)＝[x1(t),x2(t),...,xn(t)]^t,t＝1,2,...,n为混合信号的n个样本。

s2：对收集的混合信号x(t)进行预处理，预处理包括去均值处理和白化处理，用以去除混合信号中的均值、获得一白化矩阵w及白化后的混合信号矩阵z(t)＝wx(t)，其中，w＝∑^1/2t^h。

步骤s2中，首先需要在分离之前先去除混合信号的均值，应当理解，去均值处理只会改变信号源所携带的信息，不会影响信道信息。

设x为均值不为零的随机变量，零均值的目的就是用x0＝x-e(x)代替x即可。在实际计算中，是用算术平均值替代式中的数学期望来对样本去除均值。采用下式去除样本的均值：

对于联合近似对角化算法，白化也是一个必须的预处理环节。实现白化的环节有两种：一是利用混合信号相关矩阵的特征值分解或者奇异值分解来实验；二是通过迭代算法对混合信号进行线性变换来实现，在发明中，提出了一种利用特征值分解的白化方法，但应当理解，混合信号的白化处理并不局限于下述提到的方法，例如，通过迭代算法也可以实现对混合信号的白化处理。

本发明提出的利用特征值分解的白化方法包括：

设混合信号x的自相关矩阵为rx，由相关矩阵rx的性质可知，rx的特征分解式为：

rx＝t∑t^h

式中：其中，∑为对角矩阵，其对角元素为矩阵rx的特征值λ1,λ2,...,λn，正交矩阵t的列向量是与特征值相对的特征向量。

令白化矩阵为：

w＝∑^-1/2t^h

白化后的混合信号矩阵为z(t)＝wx(t)，由此可得到：

由上式可见，通过白化矩阵w的变化，使得混合信号各分量之间变得不相关了。

s3：按照顺序结构求出白化后的混合信号矩阵的四阶累积量，得到n²个四阶累积量，设其为并令

对每个mi∈m求四阶累积量矩阵，得到n²个四阶累积量矩阵，设其为并令其中，白化后的观测信号z(t)的四阶累积量的第i,j元素可由下式表示：

cum((zi,zj,zk,zl)mkl＝e[zizjzkzl]-e[zizj]e[zkzl]-e[zizk]e[zjzl]-e[zizl]e[zjzk]

其中，mkl为矩阵m的第k行，l列元素，m为第i行，j列元素为1，其余元素为零的n×n矩阵。

以mi∈m为权重矩阵构成四阶累积量矩阵[cz(mi)]，对四阶累积量矩阵[cz(mi)]执行联合对角化处理，以获得一正交归一化矩阵v，该正交归一化矩阵v被设置成能够对所有的四阶累积量矩阵[cz(mi)]进行联合对角化。

具体的，先求出白化后的混合信号矩阵z(t)＝wx(t)的四阶累积量，经过上述预处理后，zi,zj,zk,zl(1≤i,j,k,l≤n)的均值为零，由四阶累积量的定义可得：

cum((zi,zj,zk,zl)mkl＝e[zizjzkzl]-e[zizj]e[zkzl]-e[zizk]e[zjzl]-e[zizl]e[zjzk]

按照顺序结构求得所有的四阶累积量，这样可以得到得到n²个四阶累积量，设其为并令

建立四阶累积量矩阵，由四阶累积量矩阵cz(m)的定义得：白化后的观测信号z(t)的四阶累积量的第i,j元素可由下式表示：

式中，mkl为矩阵m的第k行，l列元素，m为第i行，j列元素为1，其余元素为零的n×n矩阵。

对每个mi∈m求四阶累积量矩阵，得到n²个四阶累积量矩阵，设其为并令可以证明：以mi∈m为权重矩阵构成四阶累积量矩阵[cz(mi)]必可做如下分解：

[cz(mi)]＝λmi

式中，λ＝k4(sm)是cz(mi)的特征值。

由四阶累积量矩阵的定义可知cz(mi)是对称阵，且[cz(mi)]＝λmi，故必存在正交归一化矩阵q使得四阶累积量矩阵cz(mi)对角化。在此基础上再寻找一个正交归一化矩阵v可以同时对所有的四阶累积量矩阵cz(mi)进行联合对角化。

考虑到实际计算中，由于计算误差和干扰噪声的存在，无法实现完全对角化，本发明提出采用近似对角化来代替完全对角化，使得变换后的各个cz(mi)尽可能的对角化。近似对角化采用最小jd准则函数：

式中：非对角分量off(·)定义为

s4：根据白化矩阵w和正交归一化矩阵v对混合信号x(t)进行反演计算，以获取去噪后的超声波信号其中，

从而，本发明提及一种pvdf超声阵列传感器及其阵列信号去噪方法，有效提高了阵列传感器的灵敏度和抗干扰能力。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。