一种微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测方法， 特别涉及一种对高压变电站和输电线路中的局部放电点产生的电磁辐射信号的检测方法。
【背景技术】
[0002] 高压变电站和输电线路中产生的局部放电是影响电力系统安全稳定运行的一个 重要因素，其产生的局部放电信号不仅会带来严重的电磁干扰和电磁危害，同时还蕴含了 大量能反映电力系统潜在性故障等方面的特征信息。通过对局部放电源的探测和分析处 理，可以实现电力系统的早期故障预警、故障点定位以及故障类型识别。
[0003] 近年来，静电放电基础理论、电晕损失计算以及电力设备中局部放电检测方法等 方面的研宄取得了一系列成果，但是由于研宄目的和关注的重点不同，对静电放电产生的 瞬态随机电磁辐射信号远距离探测方法研宄很少，一些关键技术还未突破。目前，常用的电 晕放电非电检测法，如声光法、光测法、红外热测法等，但此类方法主要适用于检测单台设 备内部的局部放电情况，若要在大型、复杂电力系统中给不同类型的电气设备配备独立的 监测系统，势必会大幅增加电力系统的运行和维护成本，因此利用外置接收天线对局部放 电源进行非接触式的远距离探测的方法得到了广泛关注，即该方法可以用较少的测试装置 实现对一定范围内、不同类型电气设备中局部放电源的在线监测和早期预警，且其与被监 测设备之间无接触连接，安全性高并具有较好的工程应用价值。静电放电信号不同于我们 经常处理的瞬态方波及三角脉冲信号，它的放电时间很短，脉宽在微秒量级甚至纳秒量级， 同时具有比较明显的非平稳性、随机性和非周期性特征，因此很难捕捉，又由于强烈的电 磁背景干扰及目标信号的微弱、随机特性，该问题就转化为了微弱瞬态电磁辐射信号的检 测问题。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种微弱瞬态电磁辐射信号的频域累积检测方 法，其可为高压变电站和输电线路中的局部放电点的远距离探测与定位提供一种新的技术 手段。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种微弱瞬态电磁辐射信号的双耦 合Duffing振子自适应检测方法，其特征在于：
[0006] 第一步，利用测试系统对放电目标产生的瞬态电磁辐射信息进行采集存储：
[0007] 所述测试系统包括方向性接收天线、滤波器组、高速采集模块以及信号处理单元， 瞬态电磁辐射信息通过方向性接收天线转换为脉冲电压信号，该脉冲电压信号经滤波器组 滤掉已知的电视广播等干扰信号，然后由高速采集模块完成信号的采集存储，送给信号处 理单元进行目标信号分析检测；
[0008] 第二步，对采集到的时域信号进行变尺度展宽处理
[0009] 对采集得到的时间序列进行变尺度处理，使待检信号在时间轴上放大N倍。所谓 变尺度，即在不改变样本离散数值的情况下，对信号的时间（频率）在时间尺度上进行压缩 或展宽，由于参与计算的数值没有改变，因此信号特性不会被改变；
[0010] 第三步，根据Duffing系统误差检测结果，判断信号有无
[0011] 基于最大Lyapunov指数小数据量算法对双親合Duffing系统相态进行自适应调 节，达到最佳相态后用实测数据做为单个Duffing系统的激励得到同步误差结果，根据误 差结果判断信号有无。
[0012] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0013] 1)对双耦合Duffing系统进行了扩展，引入信号变尺度处理和自适应调节驱动力 幅值的算法，改进后的检测系统能够克服对高频信号不灵敏的缺点，通过自动调节驱动力 幅值，得到最佳系统检测态，将淹没在背景噪声中的瞬态电磁辐射信号检测出来。其检测灵 敏度相对于传统的小波去噪法、自适应数字滤波法、傅里叶频域变换法等检测方法具有明 显的优势，最低检测信噪比能达到_20dB;对于预处理过程中难以去除的微弱窄带干扰具 有一定的免疫性能，能克服信号检测过程中随机窄带干扰的影响；
[0014] 2)将其拓展应用到对局部放电源的远距离探测和定位中，解决现有技术对大型、 复杂电力系统中放电源监测成本高、效率低的问题，为高压变电站和输电线路中的局部放 电点的远距离探测与定位提供一种新的技术手段。
【附图说明】
[0015] 附图1是本发明中检测算法流程图；
[0016] 图2是双耦合Duffing系统自适应检测步骤；
[0017] 图3是探测系统采集的某待检信号（即某高压放电源产生的火花放电）；
[0018] 图4是由图3得到的染噪信号；
[0019] 图5是待检信号经检测系统的同步误差结果（即待检信号信噪比为-10dB时的检 测结果）；
[0020] 图6是待检信号信噪比为-20dB时的检测结果。
【具体实施方式】
[0021] 以下将结合附图1-6和具体实施例本发明的具体技术方案进行详细说明。
[0022] 参见附图1，双耦合Duffing振子自适应检测方法的步骤如下：
[0023] 第一步，利用测试系统对放电目标产生的瞬态电磁辐射信息（包含静电场和静电 放电辐射场）进行采集存储。
[0024] 测试系统包括方向性接收天线、滤波器组、高速采集模块以及信号处理单元。放电 目标产生的电磁辐射信息通过宽带方向性接收天线转换为脉冲电压信号。该脉冲信号容易 受背景环境中广播、电视、通信等电磁辐射信号或其它随机噪声的干扰，因此由不同频段、 相同带宽的带通滤波器组对接收信号进行滤波处理，其工作频段的选择主要结合测试点背 景噪声的频谱分布，选择在噪声水平相对较低的干净频带。合理设置采样速率、采样位数、 采样长度以及触发电平大小等，对滤波、放大后的接收信号进行模/数转换和数据采集，并 将转换后的数字信号送至大容量高速存储硬盘（即本高速采集模块）进行实时、在线存储， 然后送给信号处理单元进行目标信号分析检测。
[0025] 其中，所述方向性接收天线可采用自行研制的螺旋天线，中心频率为250MHz，带宽 为100MHz，也可采用现有市售的向性接收天线；所述高速采集模块可采用现有的模块，如 可依托Labview和NI公司提供的型号为PXIe_1062Q的工控机开发，其可实现放电信号的 高速、长时间、连续实时采集与存储。滤波器组和信号处理单位采用常规的模块即可，完成 上述功能即可。
[0026] 第二步，对采集到的时域信号进行变尺度展宽处理。
[0027] 假设采集信号为s(t)+n(t)，其中s(t)为目标信号，n(t)为噪声信号。引入展宽 函数En在不改变信号样本离散数值的情况下，对其进行在时间轴上进行N倍展宽（其中N 的取值根据需要设定，其为正数，一般取正整数），使瞬态电磁信号脉宽展宽到几个毫秒量 级，展宽后的信号为s'（t) =s(t'/N)+n(t'/N)。其中，变尺度这个名词可参考文献：赖志 慧，冷永刚，等，基于Duffing振子的变尺度微弱特征信号检测方法研宄[J]。
[0028] 第三步，根据Duffing系统误差检测结果，判断信号有无
[0029] 检测结果为双耦合duffing系统的同步误差结果，即由式（1)中&-七的差值得 到：
[0030]
【主权项】
1. 一种微弱瞬态电磁福射信号的双親合Duffing振子自适应检测方法，其特征在于： 1) 利用测试系统对放电目标产生的瞬态电磁辐射信息进行采集存储，其中： 所述测试系统包括方向性接收天线、滤波器组、高速采集模块以及信号处理单元，瞬态 电磁辐射信息通过方向性接收天线转换为脉冲电压信号，该脉冲电压信号经滤波器组滤掉 已知的干扰信号，然后由高速采集模块完成信号的采集存储，送给信号处理单元进行目标 信号分析检测； 2) 对采集到的时域信号进行变尺度展宽处理 对步骤1)采集得到的时间序列进行变尺度处理，使待检信号在时间轴上放大N倍，变 尺度为在不改变样本离散数值的情况下，对信号的时间在时间尺度上进行压缩或展宽，由 于参与计算的数值没有改变，因此信号特性不会被改变； 3) 根据DufTing系统误差检测结果，判断信号有无 基于最大Lyapunov指数小数据量算法对双親合DufTing系统相态进行自适应调节，达 到最佳相态后用实测数据做为单个DufTing系统的激励得到同步误差结果，根据误差结果 判断信号有无。
2. 根据权利要求1所述的微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测方 法，其特征在于：所述步骤2)展宽处理方法为：假设采集信号为s(t)+n(t)，其中s(t)为目 标信号，n(t)为噪声信号，引入展宽函数En在不改变信号样本离散数值的情况下，对其进 行在时间轴上进行N倍展宽，使瞬态电磁信号脉宽展宽到几个毫秒量级，展宽后的信号为 s'（t) =s(t'/N)+n(t'/N)〇
3. 根据权利要求1中所述的微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测 方法，其特征在于： 所述步骤3)的方法为：基于最大Lyapunov指数小数据量算法对双親合Duffing系统 相态进行自适应调节，达到最佳相态后用实测数据做为单个DufTing系统的激励得到同步 误差结果，根据误差结果判断信号有无。
4. 根据权利要求3中所述的微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测 方法，其特征在于：所述步骤3)的检测方法具体为： (1) 设定系统参数，f= Af= 0,采集背景噪声时间序列n(t)作为输入信号，计算 当前系统的最大Lyapunov指数，表示为y; (2) 设定Lyapunov的倍周期分叉态的临界阈值，当Iy|〈S时，认为系统状态处于倍 周期分叉态的临界点处。判断当前系统的U值，如果U> 8,令驱动力幅值补偿值Af= 〇.〇1，更新：?值使？ = ?+八;1^，重复3七6口1，直到|1^|〈5。同样，如果11〈5，令驱动力幅 值补偿值Af= -0? 01，更新f值，重复Step1，直到Iy|〈 8 ; (3) 进行同步误差检测，输出误差值，判断瞬态电磁辐射信号的有无。
【专利摘要】本发明公开了一种微弱瞬态电磁辐射信号的双耦合Duffing振子自适应检测方法，其先利用高速采集系统对放电目标产生的瞬态电磁辐射信息进行采集存储；然后对采集到的时域信号进行变尺度展宽处理；再基于最大Lyapunov指数小数据量算法对双耦合Duffing系统相态进行自适应调节，达到最佳相态后用实测数据做为单个Duffing系统的激励得到同步误差结果，根据误差结果判断信号有无。其能够自动调节驱动力幅值达到最佳系统检测态，且对于预处理过程中难以去除的微弱窄带干扰具有免疫性能，可实现对微弱瞬态电磁辐射信号的远距离探测，在电力系统的远距离实时故障检测、飞行器飞行过程中的空间位置等判定方面具有良好应用前景。
【IPC分类】G01R31-12
【公开号】CN104820176
【申请号】CN201510275506
【发明人】张悦, 刘尚合, 胡小锋, 刘卫东, 魏明, 王雷
【申请人】中国人民解放军军械工程学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月27日