直流光学电流互感器的信号处理技术研究本科毕业设计(编辑修改稿)

直流光学电流互感器的信号处理技术研究本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的某些特征参量，比如相伴，振幅，频率等，将会随着调制信号的变化而变化。 频谱迁移测量法中的光学调制正是采用光学参量调制中的直接频率调制的方法，采用调制电路来 直接产生调制交流光信号。 法拉第直流光学测量系统的设计 针对光电检测器的信噪重叠现象，根据本文所提出频谱迁移测量法，在前人设计的基础上，本文设计了一种基于频谱迁移测量的法拉第直流光学测量系统。 依据频谱迁移测量的基本原理，法拉第直流光学测量系统可以分为三大部分：光学调制部分、光路系统和信号解调部分。 法拉第直流光学电流测量系统的原理框图如下： 图 28 法拉第直流光学电流测量系统原理图 其中，光学调制部分的主要功能是对光学信号进行调制。 因为光信号不能直接进行调制，因此这一功能是通过对光源进行调制而实现 的。 在本设计中，通过采用交流调制信号源来实现对光源的调制，从而输出交流调制光信号。 由光学调制部分所产生的调制光信号，经光纤传输，接入到光路系统中。 光路系统是一个狭义上的法拉第光学电流互感器。 其主要利用法拉第磁光效应，将待测电流信息转换为光信号信息，并通过光电转换将其最终转变为电压信号进行输出。 本设计中的光路系统所采用的光路结构为自适应光学电流互感器的螺旋管聚磁光路结构。 其是由通过行测电流的导线环绕磁光材料构成的。 螺旋管聚磁光华北电力大学本科毕业设计（论文） 10 路的基本原理为：将被测电流通往到螺旋管中，会产生聚磁作用，使得电流的磁场集中于平 等于螺旋管轴线方向。 其会对偏振光的光路产生影响，从而使偏振光光路为一直线。 图 29 螺线管聚磁光路结构 螺旋管聚磁光路由于只有一个光学元件，并且没有保偏棱镜，因此，减少了折射所造成的误差，消除了光传感中的静态工作点为零现象，降低了温度对光学件的干扰，提高了测量灵敏度及搞电磁干扰能力。 由光路系统的光电检测器输出的电压信号经导线连接，输入到信号解调部分由频谱迁移测量法的原理可知，解调部分主要是对信号实现滤波和解调处理。 这些处理可以采用硬件或软件的方法进行实现，本设计主要采用编程的方法对其进行实现。 通过解 调处理，可以得到法拉第直流光学电流测量系统的测量方程，即输出量与电流值的关系。 本章小结 （ 1）分析了直流光学电流互感器中光电检测器的噪声主要成为为暗电流噪声， 进一步明确了影响互感器测量的主要为低频暗电流噪声，及其对测量的影响。 （ 2）介绍了光学电流互感器的基本原理，针对直流光学电流互感器中所存在的低频信噪重叠现象，提出了频谱迁移测量法，并对该方法具体原理进行了详细说明，给出具体公式及原理图。 （ 3） 设计了法拉第直流光学电流测量系统，并给出了其原理框图，将该系统进行了划分，并对其各部分组成及功能进行 了说明，为其各部分的具体功能实现提供了原理依据。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 11 第 3 章 信号检测方法研究 方法研究 经过多年的研究和实践，信号检测技术主要包括锁定放大、取样积分、相关检测、自适应噪声抵消、人工神经网络、小波变换、混沌理论、 Duffing 振子、调制随机共振、自适应随机共振、二维相干技术、希尔伯特黄等。 调制随机共振 基于随机共振的微弱信号检测技术是新近发展起来的一种新的信号处理技术，与各种抑噪方法相比，它不是消除噪声，而是充分利用噪声来增强弱信号，以提高信噪比达到识别弱信号，其过程框图如图 31所示 解 调被 测 信号 S ( t )噪 声N ( t )调 制非 线 性 双 稳 系统输 出信 号载 波 信 号 V ( t )载 波 振 荡 器图 31 调制随机共振过程框图 这种方法能有效降低信号检测下限，且易于硬件实现，可大幅度降低检测成本，因而具有巨大的应用潜力。 相关检测法 在电子学系统中，采用低噪声放大技术，选取适应的滤波器限制系统带宽，以掏内部噪声和外部干扰，保证系统的信噪比大大改善，当信号较微弱时，也能得到信噪比大于 1的结果。 但当信号非常微弱，比噪声小几个数量级甚至完全被噪声深深淹没时，上述方法就不会有效。 经过分析 青蛙，信号和噪声在时间特性上是有差别的，在统计学中，信 号和噪声两种函数在统计特性上是可以区分的，从而为把淹没于噪声中的信号提取出来提供了基础。 利用信号在时间上相关这一特性，可以把深埋在噪声中的周期信号提取出来，这就是相关检测。 从原则上看，用通频带很窄的滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器的中心频率必须调在信号频率上。 对于周期不固定或者不能做到频率绝对恒定的信号，滤波器的通频带不能过窄，因此信噪比不的改善不可能太大。 而相关检测相当于一个跟踪滤波器，没有这方面的限制。 信号的相关性用相关函数来表示，它代表线性相关的试题，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要 统计参量。 从本质上说，相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性进行检测的，相关华北电力大学本科毕业设计（论文） 12 函数是两个时域信号（有时是空间域）相似性的一种试题。 相关检测是一种利用确定性信号的相关性和噪声的随机性这一差异来达到去除噪声的目的，它分为自相关检测和互相关检测，本文主要采用互相关检测。 如果 1()ft和 2()ft 为两个功率有限信号，则可定义他们的互相关函数 121( ) l im ( ) ( )2 TTTR f t f t d tT （ 31） 令 11( ) ( ) ( )sf t V t n t、 21( ) ( ) ( )rf t V t n t      其中 1()nt和 2()nt分别代表与待测信号 ()sVt及参考信号 ()rVt混在一起的噪声，则式（ 31）可写成    122 1 1 21( ) l i m ( ) ( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( ) ( )TsrTTs r s rR V t n t V t n t d tTR t R t R t R t         （ 32） 式中 ()srR 、 2()sR 、 1()sR 、 12()R 分别是参考信号与待测信号、待测信号与噪声、参考信号与噪声及噪声之间的相关函数。 由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为信号和噪声、噪声和噪声之间互相独立，它们的相关函数为零，于是式（ 32）可写为 1( ) l im [ ( ) ( ) ] ( )2 T s r s rTTR V t V t d t R tT   （ 33） 式（ 33）表明，对两个混有噪声的 功率有限信号进行相乘和积分处理（相关检测）后，可将信号从噪声中检测出来，噪声被抑制。 互相关检测可保留原函数的部分相位信息，可以获得一定的互相关增益，能达到较好的检测效果，在实际应用中常被采用。 小波变换理论采用在二维平面上分析信号，发现在合适的惊讶下原来是非平衡的跳变信号会呈现出同噪声截然不同的特性，是一种变分辨率的时域分析方法。 它不仅继承和发展了窗口傅立叶变换的化思想，而且克服了窗口大小 不随频率变化，缺乏离散正交基的缺点。 小波变换在分析低频信号时其时间窗很大，而分析高频信号时其时间窗较小，这恰符合实际问题中高频信号持续时间短，低频信号持续时间长的自然规律。 小波分析能有效地提高输出信噪比，同时也适用其他非平衡信号的降噪，小波应用于降噪重建与数据压缩、奇异点出降噪等方面在国内外研究中已取得一定的 成果。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 13 希尔伯特黄变换 希尔伯特黄变换（ HHT）是一种新的非平衡信号处理方法，其本质是对非平衡信号进行简化处理，将信号中不同尺度的波动或趋势逐级分解开来，然后再进行时频处理。 对于振动信号的检测与识别，人们已经对基于傅里叶变换的方法进行了许多研究，在稳态信号检测方面取得了满意的结果，但在瞬态突变微弱信号的检测与识别中却不理想。 希尔伯特黄变换在较高频率、短时非平稳信号的时频分析处理中优于传统信号处理方法。 混沌检测是与现在有的各种检测方法完全不同的信号处理方法，它主要是用于混沌系 统对初值条件的极度敏感性，当将被检测信号注入混沌系统后，就可以此混沌系统的动力学行为发生很大变化，根据这种变化，通过适应信号处理，从而测出被检信号的各种参数。 目前，常用的检测微弱信号的混沌模型为间歇混沌模型 —— Duffing 振子。 具体来说，间歇性混沌是指系统从有序向混沌或混沌向有序转化时，在非平衡、非线性条件下，当某些参数的变化达到某一临界阈值时，系统的时间行为在周期运动和混浊运动两者之间振荡，有关参数继续变化时，整个系统由间歇性混沌发展成混沌。 二维相干技术 相干技术利用数学方法突出信号的相似 性，进而检测微弱信号、反映异常特征的一项新技术。 相干技术方法分为三代：第一代算法是基于互相关的一种算法，这种算法在信噪比较高的情况下对信号有较好的分辨能力，但抗噪能力较差，第二代算法是基于相似的算法，与第一代算法相比是计算相干性较好的算法，且分辨率较高，但资料品质对相干处理的效果仍有一定的影响，第三代算法是基于特征结构的一种算法。 对于淹没在噪声中的正统信号的幅度和相伴，可以利用锁定放大器进行检测，但是如果需要恢复淹没在噪声中的脉冲波形，则锁定放大器是无能为力的。 脉冲波形或 脉动小型的快速上升沿和下降沿包含丰富的高次谐波分量，锁定放大器输出级的低通滤波器会滤除这些高频分量，导致脉冲波形的畸变，对于这类信华北电力大学本科毕业设计（论文） 14 号的测量，必须使用其他有效的方法，取样积分与数字式平均就是这样的方法。 为了恢复淹没于噪声中的快速变化的微弱信号，必须把每个信号周期分成苦干个时间间隔，间隔的大小取决于恢复信号所要求的精度。 然后对于这些间隔的信号进行取样，并 将处于相同位置的取样进行积分或平均。 积分过程常用模拟电路实现，称之为取样积分，平均过程常通过计算机以数字处理的方式实现，称之为数字式平均。 锁定放大器掏噪声有三个基本出发点： （ 1）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放大，以避开 1/f 噪声的不利影响 （ 2）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率和进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低 （ 3）用低通小小器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。 自适应噪声抵消属于自适应信号处理的领域，它是以干扰噪声为处理对象，利用噪声与被测信号不相关的特点，自适 应地调整滤波器的传输特性，尽可能的掏和衰减干扰噪声，以提高信号检测或信号传递的信噪比。 自适应噪声抵消不需要预告知道干扰噪声的统计特性，它能在逐次迭代的过程中将自身的工作状态自适应地调整到最佳状态，对抑制宽带噪声或窄带噪声都有效，因此自适应噪声抵消在通信、雷达、声纳、生物医学工程等领域得到了广泛的应用。 自应用噪声抵消的核心是自适应滤波器，自应用滤波过程是用自适应算法调整数字滤波器的参数，以使滤波器输出逼近传感器逼近传感器输出信号中叠加的噪声，这样就可以使抵消器的输出逼近被测信号。 自适应滤波所采用的最优准则有最小均方差准则，最小二乘准则，最大信噪比准则，统计检测 准则以及其他一些最优准则，其中应用最广泛的准则是最小方差准则。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 15 调制解调法 在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声，而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离来测控电路的一项重要任务。 调制解调有调频、调幅、调相三种形式，当被测信号与噪声频带重叠时，为了便于区别信。