一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法及设备

1.本发明属于空间电荷信号处理领域，具体涉及一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法及设备。


背景技术：

2.电声脉冲法是一种目前被广泛使用的检测绝缘材料空间电荷的方法，然而受到电脉冲引起的冲击噪音以及环境其他电磁干扰的影响，本身微弱的空间电荷采集信号极易淹没在噪声之中，给信号的提取和恢复带来巨大困难。目前常用的手段是增大电极厚度，将其作为信号延迟装置，从而避开脉冲所引起的巨大振荡噪音。同时，将环境噪音取平均值，与最终采集的含噪波形相减，消除噪声的影响。小波理论(wavelet theory)被认为是近年来在数学分析和方法上的重大突破，其对分析非平稳信号是非常有效的，目前被广泛应用于信号处理的各个领域：如语音信号处理、数字图像处理、非线性信号处理等等。其中，小波具有良好的分频特性，可被应用于多分辨率分析，就是将信号c0在l2(r)的2个正交子空间逐级分解，每级输入被分解为高频细节和低频近似2部分，输出采样率减半，对应关系式为：
[0003][0004][0005]
式中，为信号在第j级的近似输出；为信号在第j级的细节输出。
[0006]
在消除回波、自动均衡等通信领域方面，以及噪声抑制、谱估计等信号处理领域方面，自适应滤波器都发挥着重要的作用。其中，自适应滤波器所要解决的核心问题是：在信号处理过程中从充满着干扰和噪声的混合信号中估计恢复出原始的纯信号。随着时间的推移，自适应滤波器自动的调节其自身的参数以此适应外界环境的变化。
[0007]
过去的几十年里，数字信号处理器得到了极大的发展，速度的加快、复杂性的提高以及功耗的降低等都对通信领域的自适应滤波方法提出了更高的要求。在自适应滤波器领域，随着人们研究的深入，其技术理论与实际操作也越来越成熟。
[0008]
短时傅里叶变换(short time fourier transform,stft)是最常用的一种时频分析方法，通过时间窗内的一段信号来表示某一时刻的信号特征。它有效弥补了频谱分析中不能观察时间的缺点，可以针对性地分析相应时间区域内信号的频率特性，常用于时变信号的频谱分析。
[0009]
现有技术还存在以下缺陷和不足：作为信号延迟装置，电极厚度增加无疑增大了整个测量装置的体积，尤其是在测量电缆空间电荷时，整个装置的安装、拆卸都较为繁琐。另一方面，当噪音幅值较大，或波动明显时，采取时域相减的方法往往很难将信号提取出来，这给最终信号的恢复和分析都造成了阻碍。同时，在进行空间电荷的校正时，常用方法是基于傅里叶变换的频域反卷积技术。该方法虽然可以得到空间电荷的分布情况，但由于傅里叶变换无法对时域进行定位，会在整个时域引入高频分量，造成信号的波动，如图4所
示。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法及设备，可以将电荷波形从环境噪声中有效提取出来，最终得到纯净而准确的空间电荷信号，为电缆绝缘层的状态监测提供有效依据。
[0011]
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
[0012]
一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法，包括以下步骤：
[0013]
通过小波分解将信号分解至不同尺度，在每一尺度上进行自适应滤波再进行信号合成；
[0014]
通过短时傅里叶变换对信号进行校正，得到噪音抑制后的信号。
[0015]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，信号采集时分别采集加脉冲时的环境噪声n(n)和加直流高压后的含噪信号s(n)，所述通过小波分解将信号分解至不同尺度指将信号分解到不同的频段上，所述在每一尺度上进行自适应滤波指对各频段的信号施以自适应滤波，所述信号合成指将滤波后的各频段信号进行信号合成。
[0016]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，所述的小波分解采用的是daubechies小波，分解层数根据具体信号和噪音的特点择优进行选择。
[0017]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，所述的自适应滤波采用的是递推最小二乘自适应滤波器。
[0018]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，所述通过短时傅里叶变换对信号进行校正具体包括以下步骤：
[0019]
测量参考电压下的空间电荷测试输出信号y
ref
(t)，根据未衰减的电荷波形设置相应的输入脉冲信号x
ref
(t)，并分别进行stft变换，按下式得到时频分布矩阵：
[0020]
x
ref
(t，f)＝stft(x
ref
)
[0021]
y
ref
(t，f)＝stft(y
ref
)
[0022]
按下式计算信号的传递矩阵：
[0023][0024]
按下式根据实测信号求取输入信号：
[0025][0026]
对输入信号进行istft变换，得到时域波形x1(t)。
[0027]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，通过pea测试系统测量空间电荷测试输出信号y
ref
(t)，未衰减的电荷波形为下电极界面电荷波形。
[0028]
作为本发明空间电荷噪音抑制方法的一种优选方案，所述测量参考电压下的空间电荷测试输出信号y
ref
(t)为低场强下的信号或者连续采集的初始信号；所述低场强的场强e
dc
＜5kv/mm，所述初始信号的采集时间t＝0s。
[0029]
本发明还提出一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制系统，包括：
[0030]
小波分解与滤波模块，用于通过小波分解将信号分解至不同尺度，在每一尺度上进行自适应滤波再进行信号合成；
[0031]
校正模块，用于通过短时傅里叶变换对信号进行校正，得到噪音抑制后的信号。
[0032]
本发明还提出一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法的步骤。
[0033]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法的步骤。
[0034]
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：本发明以电缆空间电荷检测波形为研究对象，基于时频分析手段，配合自适应滤波，可以将电荷波形从环境噪声中有效提取出来，同时克服了传统信号校正后高频引入的问题，最终得到纯净而准确的空间电荷信号，为电缆绝缘层的状态监测提供有效依据。本发明对环境噪声的过滤性质较好，可以从大噪音中提取微弱信号，同时对一些异常出现的噪声也有一定的过滤效果，极大提高了电磁耐受性。本发明采用时频分析手段，弥补了频谱分析中不能观察时间的缺点，可以针对性地分析相应时间区域内信号的频率特性，为准确分析电缆绝缘层健康状态提供支持。本发明去噪效能的提升，能够配合应用到空间电荷检测系统上，减小测量装置厚度、体积，依然可以通过该算法得到较好的电荷波形，这为工业生产小型化检测设备提供了设计方案技术支撑。
[0035]
进一步的，本发明应用广泛，可应用于其它含噪信号的波形提取，且可更改小波类型和分解层数以满足不同类型信号、噪声的滤波处理。
附图说明
[0036]
为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作以简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明部分实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0037]
图1为本发明基于小波分解的自适应滤波流程图；
[0038]
图2为典型的自适应滤波器去噪流程图；
[0039]
图3为本发明与不同去噪算法信噪比的量化比较图；
[0040]
图4为现有的基于fft变换后的空间电荷波形图；
[0041]
图5为本发明基于短时傅里叶变换的空间电荷校正波形图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员还可以在没有做出创造性劳动的前提下获得其他实施例。
[0043]
本发明基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法，包括以下步骤：
[0044]
(1)基于小波分解的自适应滤波，如图1所示，包括以下步骤：
[0045]
步骤1，分别采集加脉冲时的环境噪声n(n)和加直流高压后的含噪信号s(n)。
[0046]
步骤2，利用小波的分频特性，将信号分解到不同的频段上。本发明采用的是daubechies小波，分解层数为4，也可根据具体信号和噪音的特点进行选择，寻找最优解。
[0047]
步骤3，对各频段的信号施以自适应滤波。本发明采用的是递推最小二乘(rls)自适应滤波器，其对非平稳信号的适应性较好，且收敛速率高。
[0048]
步骤4，将滤波后的各频段信号进行信号合成，得到最终去噪后的信号。
[0049]
(2)对第(1)部分得到的最终去噪后的信号进行校正，包括以下步骤：
[0050]
步骤1，测量参考电压下pea测试系统输出信号y
ref
(t)，根据未衰减的下电极界面电荷波形设置相应的输入脉冲信号x
ref
(t)，并分别进行stft变换，得到时频分布矩阵，即：
[0051]
x
ref
(t，f)＝stft(x
ref
)
[0052]
y
ref
(t，f)＝stft(y
ref
)
[0053]
步骤2，计算信号的传递矩阵：
[0054][0055]
步骤3，根据实测信号求输入信号，设实测信号为y1(t，f)，则可得输入信号为：
[0056][0057]
步骤4，对输入信号进行istft变换，得到时域波形x1(t)。
[0058]
参见图2，典型的自适应滤波器去噪流程当中，n1(n)和n2(n)强相关，一般可通过自适应滤波消去，针对平稳信号效果较好。参见图3，图中的线条1为现有的噪音取平均值时域相减得到的统计结果，线条2为经过自适应滤波去噪得到的统计结果，线条3为本发明基于小波分频的rls自适应滤波去噪得到的统计结果，对比不同案例数下的信噪比，可以看出，本发明的信噪比明显小于其他两种去噪算法的信噪比。
[0059]
参见图4，现有的基于fft变换后的空间电荷波形图中可以明显的看到信号波动，对比参见图5，本发明基于短时傅里叶变换的空间电荷校正波形图没有这部分的信号波动，因此得到的是纯净而准确的空间电荷信号，能够为电缆绝缘层的状态监测提供有效依据。
[0060]
本发明还提出一种基于时频分析的空间电荷噪音抑制系统，包括：
[0061]
小波分解与滤波模块，用于通过小波分解将信号分解至不同尺度，在每一尺度上进行自适应滤波再进行信号合成；
[0062]
校正模块，用于通过短时傅里叶变换对信号进行校正，得到噪音抑制后的信号。
[0063]
首先，记录原始波形，分别为加脉冲时的环境噪声n(n)和加直流高压后的含噪信号s(n)，在系统内计算后得到去噪后的理想信号。操作者可在小波分解与滤波模块中选择合适的分解层数和小波类型，得到最优滤波效果。去噪后的信号进入校正模块进行进一步校正，得到最终空间电荷信号。关于参考信号的选取，操作者可自行选择，可将低场强下(edc＜5kv/mm，此时认为无电荷注入)的信号当作参考信号；或将连续采集的初始信号(即采集时间t＝0s，此时认为来不及进行电荷注入)当作参考信号。将实测信号以此为基准进行波形校正，得到最终的空间电荷信号。后续可根据实际需求，根据空间电荷的测量结果，计算其他所需物理量，如场强畸变，电荷迁移率等，进一步辅助评估绝缘材料健康状态。
[0064]
本发明还提出一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可
在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现本发明所述基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法的步骤。
[0065]
本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法的步骤。
[0066]
所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明基于时频分析的空间电荷噪音抑制方法。
[0067]
所述的终端可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备，也可以是处理器、存储器。处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现本发明基于时频分析的空间电荷噪音抑制系统的各种功能。
[0068]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。