（电气工程专业论文）气体绝缘组合电器局部放电环天线与复小波变换抗干扰研究.pdf

中文摘要摘要气体绝缘组合电器( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r , 简称g i s ) 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) 在g i s 运行中普遍存在，通常情况下并不影响g i s 运行一二是长期的p d 会引起绝缘劣化，最终可能导致故障。由于p d 反映了g i s 晌绝缘态，因此国内外对g i s 内p d 检测进行了大量研究，其难点是传感器、信号处理、模式识别等。据此，本文设计了。超高频外置屏蔽谐振环天线( s h i e l dr e s o n a n c el o o pa n t e n n a ，简称s r l a ) ，并用此天线在实验室采集了大量不同模拟缺陷产生的p d 信号；同时，根据现有实小波构造了复小波，并把复小波应用于g i s 内p d信号的仿真与实际应用，分析、对比了复小波与实小波去噪的异同；最后采用软硬联合去噪的方法对g i s 内p d 信号进行了去噪研究。取得了以下主要成果：研制的s r l a 天线传感器的理论特性参数和实际测量结果基本吻合，与内置传感器进行对比测量表明s r l a 天线传感器具有较高的灵敏度和增益( 1 9 5 ) ，具有明显的方向性，其“u ”型驻波比特性使其具有良好的抑制带外干扰的能力，特别适用于选频检测。从小波构造的原理和一般条件出发，介绍了复小波构造的思想和方法，给出了构造复小波的具体步骤，并以办小波为基础成功构造出具有相同特性的如系列复小波，用4 种仿真p d 信号验证了所构复小波变换算法的精确性。同时，论证了本文复小波构造法适用于构造任何具有尺度函数的正交复小波。首次提出了有效小波系数( e f f e c t i v ew a v e l e tc o e f f i c i e n t ，简称e w c ) 阈值法，把其运用于抑制白噪声和窄带干扰，并与史坦的无偏似然阈值估计法和极大极小原理闽值选择法进行比较，发现e w c 闽值法具有明显的自适应性和优越性，能够大大提高小波去噪的能力。复小波变换抑制白噪声和窄带干扰的仿真和应用结果表明：闽值选取得当与否是复小波变换去噪效果的关键因素之一；噪声水平极大地影响复小波抑制白噪声的效果；在满足分解层数情况卜，窄带干扰的频率对复小波变换效果影响最大，其幅度的影响视频率而定；复合信息提取p d 信号的能力明显的优于简单信息，在本文中w t r l p h ( 复小波变换的实部、虚部和相的复合) 为最佳复合信息。关键词：气体绝缘组合电器，局部放电，复小波，有效小波系数，屏蔽谐振环天线重庆大学硕士学位论文a b s t r a c tp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) i ng i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) u s u a l l yd o e s n ti n f l u e n c et h es a f eo p e r a t i o no f g i s ，b u tl o n g - t i m ep dw i l ld e t e r i o r a t et h ei n s u l a t i o no f t h es f 6g a sa n dr e s u l ti ni n s u l a t i o nf a u l t i nv i r t u eo fp dr e f l e c t i n gt h es t a t u so fg i s ，d e t e c t i o no fp dh a sb e e ne x t e n s i v e l yr e s e a r c h e da n dt h ek e yt e c h n i q u e sa r es e n s o r s ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n dp a r e mr e c o g n i t i o n t h e r e f o r e t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dau l t r a h j 【g hf r e q u e n c ys h i e l dr e s o n a n c el o o pa n t e n n a ( s r l a ) ，b yw h i c hl o t so fd i f f e r e n tp ds i g n a l sh a v eb e e ns a m p l e d m e a n w h i l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt oc o n s t r u c tt h ec o m p l e xw a v e l e ta p p l i e dt os u p p r e s si n t e r f e r e n c e s a n da n a l y s e st h ec o m m o na n dd i f f e r e n c eo ft h ec o m p l e xa n dr e a lw a v e l e tt os u p p r e s si n t e r f e r e n c e s f i n a l l y , a s s o c i a t e dm e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sa d o p t e dt oa b s t r a c tp ds i g n a l s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es h o w na sf o l l o w i n g ：t h et h e o r e t i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs r l aa r eg r e a tc l o s et ot h ep r a c t i c a lo n e s c o m p a r i n gt h es r l a 、i mt h eb u i l t i nl o o ps e n s o r ，c o n c l u s i o n sa r ed r a w ：s r l ah a sh i g hs e n s i t i v i t y , g o o dg a i nn 9 5 ) a n do b v i o u sd i r e c t i v i t y , a n di t ss w rl i k e u s h a p em a k e si tw e l ls u p p r e s so u t b a n di n t e r f e r e n c e sa n db ea d a p tt of r e q u e n c ys e l e c t i o nd e t e c t i o n p a p e ri n t r o d u c e st h ei d e aa n dp r o c e s so fc o n s t r u c t i n gc o m p l e xw a v e l e ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f c o n s t r u c t i n gt h ew a v e l e t , a n dp r e s e n t st h ed bc o m p l e xw a v e l e t s f o u rs i m u l a t i v ep ds i g n a l sa r eu s e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ec o m p l e xw a v e l e tt r a a s f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，i ti sp r o v e dt h a tt h i sc o n s t r u c t i o ni st h es a m ew i t ht h ew a v e l e th a v i n gs c a l ef u n c t i o n e f f e c t i v ew a v e l e tc o e f f i c i e n t ( e w c ) t h r e s h o l ds e l e c t i o nf i r s t l yp u tf o r w a r di sa p p l i e dt os u p p r e s sw h i t en o i s ea n dn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e c o m p a r i n gt h ee w ct h r e s h o l ds e l e c t i o n 、i t i lt h r e s h o l ds e l e c t i o no fm a x i m i nt h e o r ya n ds t e i nu n b i a s e dr i s ke s t i m a t et h e o r y , i ti sf o u n dt h a te w ct h r e s h o l ds e l e c t i o ni sa d a p t i v e ，a n dt h ee f f e c to fe w ct h r e s h o l ds e l e c t i o nt or e s t r a i nn o i s ei sb e r e rt h a nt h a to f t h ea n o t h e rt w o s i m u l a t i o na n da p p l i c a t i o no fs u p p r e s s i n gt h ei n t e r f e r e n c e si n d i c a t e st h a tt h r e s h o l ds e l e c t i o na n dn o i s el e v e lg r e a t l yi n f l u e n c et h ee f f e c to fc o m p l e xw a v e l e ts u p p r e s s i n gw h i t en o i s e ，a n dt h ef r e q u e n c yo fn a r r o w b a n de x t r e m e l ya f f e c t st h eo u t c o m eo fc o m p l e xw a v e l e tp r o c e s s i n g ，w h o s ea m p l i t u d e se f f e c ti sa l t e r a t i v ew i t hi t s 疗e q u e n c y t h ea b i l i t yo fm u l t i p l ei n f o r m a t i o nd i s t i l l i n gp ds i g n a li sm u c hs t r o n g e rt h a ns i m p l el i英文摘要i n f o r m a t i o n ，a n dm u l t i p l ei n f o r m a t i o nw t r l p hi st h eb e s ti nt h i sp a p e r k e y w o r d ：g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r , p a r t i a ld i s c h a r g e ，c o m p l e xw a v e l e t ，e f f e c t i v ew a v e l e tc o e f f i c i e n t ，s h i e l dr e s o n a n c el o o pa n t e n n ai i i一一! 堡垒一一- _ _ _ - - _ h _ _ - _ _ 一一1 绪论1 1 g i s 局部放电在线监测的意义及其检测方法的现状1 1 1 g i s 局部放电在线监测的意义气体绝缘组合电器( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ，简称g i s ) 具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积小和维护工作量小等显著优点，深受电力公司的青睐，在城网建设和改造中得到大量的使用。虽然g t s 的运行可靠性和稳定性比非组合电器优越，但是从近十几年运行情况看，国内外的g i s 都出现了许多问题i h ，甚至一些绝缘故障还引起了停电事故。根据c i g r e2 3 1 0 工作组【2 j 国际调查报告的统计数据，1 9 8 5 年以前投入的g i s 的5 6 2 次故障中绝缘故障占6 0 ，1 9 8 5 年以后投入的g i s 的2 4 7 次故障中绝缘故障占5 1 ，可见绝缘故障占主要。从目前形成的共识看，由于g i s 内部存在的长期局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e ，简称p d ) 引起s f 6 气体绝缘性能劣化，最终导致绝缘故障。从产生p d 的缺陷类型看主要有( 图1 1 ) ：导体表面的缺陷1 3 , 4 1 。如有加工和装配中产生的毛刺、尖角，设计不合理产生导体表面电场过于集中等。 自由导电微粒 5 , 6 , 7 1 。装配和维修过程中带来的金属微粒等。浇注绝缘体中的缺陷口，4 j 。如支撑绝缘子表面裂缝、内部气隙。悬浮电位元件的存在【7j 。如焊接、浇注不良造成的连接处有空隙，或支撑绝缘子与导体问由于热胀冷缩形成的空隙等。图i 1g i s 内部的主要缺陷f i g 1 1t h em a i nd e l e e r si ng i s电力设备预防性试验规程要求电力运行部门必须对电气设备进行必要的定期检查和检修唧。实践证明，定期预防性试验和维修对减少和防止事故的发生起到了积极的作用，但存在维修费用高、造成设备的不必要损坏、不能及时发现故障，不适宜于g i s 设备等不足，因此状态维修应运而出。状态维修凭借电气设备在线智能化监测及故障诊断技术能够及时获取设备运行状况信息，并对这些信息进行处理、综合分析和诊断，对设备绝缘的可靠性作出判断和寿命预测以及安排必要的维修，避免了预防性维修可能对设备造成的过度维修，减少电气设备试验和维里塞盔堂堡望垡笙苎修的盲目性，节省人力和物力。因此，国内外学者期望通过在线监测g i s 内p d 及时了解g i s 设备的绝缘状态，实现g i s 设备的状态维修，保障g i s 运行的可靠性。1 1 2 g i s 局部放电检测方法现状由于g i s 内p d 产生的现象多种多样，包括声现象、光现象、电现象和发生化学反应1 9 , 1 3 】等，因此g i s 的p d 检测方法繁多，目前主要有：声学法 8 - 1 2 】。利用p d 的局部电场中电子剧烈碰撞产生的超声波进行测量。这种方法在低频段( 5 0 0 k h z ) 具有较高的灵敏度，在实验室使用效果出色，但由于现场背景干扰的低频特性和声讯号的快速衰减特性增加了其现场使用的难度。文【9 】和【1 l ，1 2 】把声学法应用于g i s 及其他p d 检测都表明声学法在低频段检测具有很高的灵敏度，甚至优于同频率下电测法。化学法【i o , 1 1 1 。通过监测s o f 2 和s 0 2 f 2 等的浓度变化来判别g i s 的绝缘情况，反应时间较长，灵敏度较差，只能反映g i s 内部总体p d 的程度。此方法可配合其他监测手段同时使用，一般不单独使用。目前，国内外还没有开展这方面的研究，只是对这种方法进行了可行性的预测分析。 光学法i l 吼“j 。理论上，光学法利用光电耦合具有极高的灵敏度，但是由于s f 6 气体的吸收和p d 信号微弱，实际测试的灵敏度很低，同时光信号衰减很快，需要大量的传感器，应用难度很大。目前，国内外现在还没有这种方法进行具体的深入研究，只是对这种方法进行了可行性的预测分析。电测法【9 _ 1 1 ，13 1 。主要为i e c 2 7 0 脉冲电流法 1 4 , 1 5 1 和超高频( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ，简称u h f ) 法。前者是检测p d 的传统方法，其检测的频率一般在4 0 k h z 1 m h z l j ，该方法在实验室取得了令人满意的效果，但是在现场使用时存在较多的困难。针对g i s 的p d 信号的宽频带性【1 4 】( 1 h z 3 g h z ) 和现场干扰的低频性，选择u h f 法检测g i s 内p d 激发的u h f 电磁波能够有效避开严重的低频干扰，提高检测的可靠性。当前声测法和甚高频法、u h f 法并存，但从监测效果和发展趋势看，甚高频法、u h f 法具有巨大发展优势f m ”】：抗干扰能力强；能够对p d 源进行定位；可以区分不同的缺陷类型：可以进行长期现场监测；灵敏度较高等。但同时，u h f 法依然存在着许多共同的问题有待研究和解决，主要包括：缺陷模型的建立、缺陷位置的确定、p d 强度的校准、u h f 法检测传感器的选择、信号处理与模式识别等。文【1 0 】和 1 6 2 3 都对对u h f 法进行了研究，研究的内容主要还是集中在实验室阶段，离现场实际运用还有一定的距离，但是已有个别在现场使用的检测系统。1 2 g i s 超高频检测传感器现状u h f 传感器是实现p d 的u h f 法检测的关键技术之一，其性能的优劣直接影i绪论响检测的效果和可靠性，因此u h f 传感器的研究得到了国内外学者的广泛重视a从传感器的安装位置看可分为内置传感器和外置传感器。1 2 1 内置传感器内置传感器主要有支撑绝缘子内埋电极、圆板式传感器、锥形传感器和螺旋式传感器，主要安装在g i s 的接地外壳上，如图1 2 所示。兰兰愀。- 。_ _ - _ _ - _ 。_ 。_ 1 。，。_ 。一高压母图1 2 内置传感器的安装示意图图1 3 双锥型天线测试系统f i g 1 2s k e t c ho f t h eb u i l t - i ns e n s o l $f i g 1 3t h ed o u b l ep y r a m i d a la n t e n n at e s ts y s t e m内置传感器其灵敏度和抗干扰能力明显优于外置传感器，因此在实验室阶段的到了广泛地研究。内置传感器在文【1 0 】和 1 6 1 8 】中都有研究。1 2 2 。外置传感器外置传感器断l 般放置在g i s 的连接处，对设备安装、运行没有影响，易于实现现场运用，目前外置传感器的研究因涉及难点很多。文 2 2 ，2 3 1 对外置传感器( 图1 3 ) 进行了分析和研究。从他们的研究内容看：内置传感器的性能明显优于外置天线，但是不利于安装，外置天线对设备安装、运行没有任何的影响，但是性能有所下降；缺乏对u h f传感器的工作原理进行深入、详细的分析，主要是以实验研究为主。1 3 g i s 局部放电干扰抑制方法的现状由传感器进入监测系统的干扰信号主要包括：周期性干扰1 2 4 2 6 】，脉冲性干扰 2 7 , 2 8 , 3 7 1 和白噪干扰【2 6 如。周期性干扰分为高次谐波、载波通讯( 广播信号：中波段0 5 1 6 m h z ，短波段2 3 - 2 5 m h z ，调频段8 8 1 0 8 m h z ) 、无线电讯( 9 0 0 m h z ) ；脉冲性干扰可分为周期脉冲性干扰和随机脉冲性干扰。传感器是检测的基础，但是行之有效的软件处理方法对p d 信号的提取影响甚大，目前用于p d 信号处理方法主要有以下几种：数字滤波抗干扰技术口1 , 3 2 、小波变换提取p d 信号口9 m 1 、神经网络横向抑制滤波技术郾l 等。1 3 1 数字滤波抗干扰数字滤波抗干扰方法主要是基于快速傅立叶变换( f f t ) 的阈值滤波法和自适应滤波技术。基于f f t 的阈值滤波法里鏖查兰堡主兰垡堡壅f f t 闽值滤波法利用p d 信号的幅值较小且在频域内的能量分布比较平均，干扰信号( 如窄带干扰) 的幅值较大且在频域内能量比较集中的特点，在频域内采用阈值直线法或阈值曲线法，把p d 和干扰信号区分开。文 2 5 】和【3 3 - 3 6 】应用f f t闽值滤波技术抑制周期性干扰取得了满意的成果，但是f f t 反映的是信号的整体信息，只能得到频域特性而没有时域信息，不能反映在局部时间内信号的频率信息【3 2 ，缺乏处理非平稳信号( p d 信号) 的能力。自适应滤波技术自适应数字滤波器是通过估计输入信号的统计特性并调整自身的相应参数，使得某一代价函数达到最小值，其本质是借助噪声和信号具有不同的相关程度通过对噪声去相关来提高信噪比，其原理如图1 4 ：z ( ，) 为输入序列；嘶) 为周期性干扰信号：娟一) 为输入信号，延迟a ；e 0 ) 为x ( ，一) 与y ( t ) 的差值，经过反复计算后得到的就是p d 信号。图1 4 自适应滤波系统的原理图f i g 1 4s i m p p l i f l e ds c h e m a t i co f t h es e l f - a d a p t i n gf i l t e rs y s t e m自适应滤波技术通过调节滤波系数达到最佳滤波，对信号和先验知识要求甚少，因此得到了广泛的应用。文 3 3 3 4 和 3 7 4 1 采用自适应滤波技术对周期性窄带干扰和随机干扰进行了研究并取得了理想的结果。从应用的效果看，自适应滤波技术能有效地实现滤波功能，但信号有一定的失真，且这种方法对随机扰动过于灵敏，难以稳定工作，现场应用比较困难【2 6 】。1 3 2 小波变换提取p d 信号小波变换是一种近几年发展起来的时频分析方法，在时域和频域都有自适应局部分辨能力，特别适用于非平稳信号的分析。小波的种类较多，不同的小波往往具有不同的时频特性，只有当被分析信号的时频特性与所用小波的时频特性接近时才能取得最佳的分析效果 2 3 , 2 7 , 2 8 】。小波i i f ，是一积分为零的r ( r ) 3 2 1 函数：r p “k ：o 。它有规范化范数8 妒：1 ，能量集中在以f = o 为中心的邻域内，对函数矿伸缩平移后可得到一族时频原子啦去y ( 割函数，( ，) 在尺度s 、位置“的小波变换定义为如下内积：4一! 堑堡一_ _ _ _ - _ _ - _ _ 一一町) ；肜石1p ( 字弘小波系数町0 ，j ) 度量了函数厂( ，) 在某个邻域的变化，该邻域以为“中心，长度与s 成正比。若小波缈是实函数则式( 1 1 ) 就是实小波变换，为复函数则为复小波变换。实小波能反映信号的强烈变化，适宜检测奇异信号( 如p d 信号) ，国内外对实小波已研究的比较成熟，应用非常广泛。文 2 6 7 、【2 9 3 0 】、 3 6 和 4 2 - 4 6 利用小波变换从窄带干扰和白噪声提取p d 信号及其进行模式识别，效果卓越。信号或小波的波形除与它的幅频特性有关还与其相频特性有关，小波的相频特性与信号的楣频特性的匹配程度如何对小波分析的结果影响很大1 4 “，而小波中只有复小波具有相频分析的功能，因此，为提高信号分析的效果必须借鉴复小波。文 4 7 5 1 分别运用复小波监测p d 和电能质量、识别超高压输电线路故障、诊断齿轮故障、进行故障选相和对电机故障信号处理；文献 5 2 5 4 采用复小波检测电网干扰和分析供电质量。目前，国内外对复小波的研究还处于萌芽状态，在各个领域中的应用还不多见，在电力系统中的应用主要集中在电能质量监测和故障诊断方面，在p d 领域中目前只有一篇陈祥训的文章1 4 7 j 。1 3 3 神经网去噪技术近几年随着神经网络功能的完善和加强，神经网络开始被应用于信号处理领域。a x n e t 数字滤波技术【2 6 】是一种神经网络用于信号处理的技术，改方法能根据通讯干扰信号频率位置的变化及调制频率的变化自动确定出待挖除的频率成分，具有较强的自适应能力，能有效的抑制通讯干扰。文【2 6 】、 5 6 5 9 】都把神经网络应用于信号处理，但是主要用于抑制周期性窄带干扰和宽脉冲，对随机干扰的应用还有一定的不足。1 4 本课题研究的内容和目的本课题主要研究的内容如下：在国内外用于检测u h f 信号传感器的基础上，设计一种外置天线传感器，并对该传感器进行深入分析、研究，并与内置传感器进行比较。将分析各种缺陷的p d 信号的特性，得出各种缺陷p d 信号特性；并对各种噪声进行频谱分析和实验研究，分析p d 信号与干扰的特性差异。 在实小波理论的基础上构造一种复小波，并运用该复小波进行仿真和应用研究。 比较所构造的复小波与实小波去噪的效果，并研究软硬相结合的处理方法。重庆大学硕士学位论文2 g i s 局部放电屏蔽谐振环天线的研究2 1 g i s 内电磁波传输机理及其泄漏特征分析g i s 内p d 激发的电磁波不仅以横向电磁波( t r a n s v e r s ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，简称t e m ) 方式传波，而且会建立高次模波6 2 】：横向电波( t r a n s v e r s ee l e c t r i cw a v e ，简称t e ) 和横向磁波( t r a n s v e r s em a g n e t i cw a v e ，简称t m ) 。g i s 同轴结构可以视为同轴微波谐振腔，t e m 波可以在同轴结构中能以任意的频率传播，但随着频率的增高衰减也会增大；t e 、t m 在微波谐振腔传播时存在着截止现象1 6 0 j ：电磁波沿传输轴向以指数规律很快衰减，相位不再沿轴向变化，此时它不再是沿轴向传输的波，称作波的截止状态。在同轴微波谐振腔中，截止状态由截止频率来决定的，各种高次模波中最低截止频率的计算方法【6 0 j 如式2 1 所示。r ：! 一( 2 1 )“x ( a + 舢式中：c = 3 0 1 0 s m s 为光速；a 、b 分别为g i s 同轴体母线半径和外壳内半径。当t e 、t m 的频率屉时，模波能够在g i s 同轴体中几乎无衰减的传播，并发生多次折反射；当其频率f 晶时，不论入射角多大，反射系数幅值始终不为零，即反射波永远存在。电磁波在g i s 间隔中不断的折反射，折射进绝缘子的电磁波在绝缘子与s f 6气体界面处发生多次折反射，在g i s 连接处以缝隙天线的形式向外辐射电磁波，如图2 1 所示。如果电磁波沿g i s 轴线方向传输，则入射角不会超过4 5 。，此时t e 波的折射系数幅值较大，反射系数幅值较小，对于t m 波，也有同样的结论。因此，进入绝缘子的透射波较强，通过绝缘缝隙处泄漏出来的电磁波就较多，有利于通过采用外部天线法接收u h f 波来检测g i s 内p d 。2 2 屏蔽谐振环天线根据实际g i s 的结构、运行特点以及g i s 内p d 信号激发的电磁波传播特性，研制了屏蔽谐振式环天线( s h i e l dr e s o n a n c el o o pa r e n n a ，简称s r l a ) ，并对其特性进行了理论和实测分析。2 2 1 天线的理论分析和特性参数测试s 砌a 天线的设计和工作原理g i s 内p d 激发的高频电磁波( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 经过盆式绝缘子传播时，通过连接法兰间的绝缘缝隙辐射到g i s 体外，因此在g i s 体外可接收到高频电磁波信号，实现p d 信号传感化。检测g i s 内p d 的外置天线必须具备以下条件：具有较宽的频带，能尽可能多的检测p d 信号成分，减小信号的失真度：一般要求天线驻波比( s t a n d i n g w a v e r a t i o ，简称s w r ) 系数小于2 ，即能量损耗小于1 0 ；应具备较高的灵敏度和一定的抗干扰能力，能够准确地捕捉p d 信号：天线传感器的安装不能影响g i s 的运行安全，保证g i s 运行的稳定性。环天线是电磁辐射理论和应用中最为基本而又重要的天线结构，具有较好的方向性，易实现定向接受，常在u h f 段被用作接收天线6 2 1 。当环天线周长等于一个波长兄时为谐振环天线。谐振环天线在谐振点处的电抗为零，电阻值较小，易于同5 0 1 2 同轴电缆匹配，能改善天线s w r 、拓宽天线带宽和提高增益。屏蔽环天线能增强天线的抗干扰能力，改善天线末端的连接和匹配，有利于信号的传输。重盎查堂堡主堂壁堡茎一f i g2 3t h es o o c l u r eo f t h es r l af i g2 4t h ee q u i v a l e n tc h e u ro f t h es r l a根据g i s 内p d 激发的电磁波泄漏特点和接收天线的原理，设计的s r l a 天线结构如图2 3 所示：s r l a 天线的有效输出端为小间隙a b ，a b 处分别为一金属环加载阻抗，内导体和屏蔽导体构成一段长为册的同心圆弧，入射波电场在屏蔽导体外表面上产生的高频振荡电流在间隙a b 上产生电压降输出电压v 。，并通过内导体传送给负载，等效电路如图2 4 所示。内导体波阻抗设计为5 0 q ，为实现信号最小的损耗，使负载阻抗与之匹配。圆s r l a 天线性能分析及测试1 ) 驻波比天线接收的电磁波转化为高频振荡电流在天线中传输时，因媒质的不均匀会发生反射，常用s w r 来度量天线因反射造成的驻波损耗。s w r 指的是媒质中相邻波腹点和波谷点电流( 电压) 幅值之比【6 3 1 。圈2 5s r l a 天线实测s w r图2 6 方形谐振式环电流分布f i g2 5t h er e a ls w ro f t h es p l af i g 2 6t h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no f t h er l a由于高频电流在天线中传输时在每一点的折反射都不相同，因此理论分析天线s w r 非常困难，一般采用实测的方法，图2 5 就是采用a g i l e n t 公司的网络分析仪测得的s r l a 天线的s w r 曲线：工作频带约为3 4 0 m h z 4 3 0 m h z ，中心频率为3 8 0 m i - i z 。其“u ”型s w r 曲线说明天线完全满足g i s 内p d 的u h f 检测需要，以及带内信号衰减极微，在带外信号衰减迅速，具有定的抗干扰能力。同时，结合现场实际，可以调节天线a b 处的金属环改变天线的工作带宽，尽量避开某些干扰频段，选取干扰成分少的频段进行检测，有利于提高检测系统的抗干扰能力。2 ) 方向性图天线的方向性图唧l 是指用图形方式把天线的辐射场幅度在某一半径的球面上! ：q ! ! 旦叠丝坐星堕! 鬯塑堑墨终塑婴塞一一一一的分布情况表示出来，它直观地给出了天线在不同方向的辐射强度。曲理论计算实践表明矩形环天线( r e c t a n g l el o o pa t t e n n a ，简称r l a ) 和s r l a 天线在方向性上非常接近【6 2 , 6 3 ，但前者的计算要大大简化，本文将以r l a 天线来近似计算s r l a 天线的方向图【6 3 。大环天线电流分布常采用傅立叶级数【6 3 】表示，当其为谐振环天线时，其电流分布可以近似用余弦分布来代替，如图2 6 所示，对应的分布电流解析表达式为：彩) = ，。c o s 矿( 2 _ 3 )式中：为相位；，。为电流分量。为计算远区电场雷和磁场曰的需要，引入辐射矢量通式嘲1 ：霄= f ，o ，y ，z ) e ”“d r = t o n 。+ j 。n ，+ f 。：i( 2 4 )p o ，y ，：) ；向c s i n o o a s 妒+ k y s i n 口s j “p + 赶c o s o f式中：，g ，y ，z ) 为分布电流；k = 2 x 2 为传播常数；虬，。，也分别为辐射矢量在x ，y ，z 方向的分量；云，五，t 分别为直角坐标中的x ，y ，z 方向的单位矢量。根据图2 6 所示方形谐振式天线的电流分布，把式( 2 3 ) 代入( 2 4 ) ，得到：n ；= r ，o 沁”m 9 “。9 m 8 _ ，出+ r ，g - 4 m 。4 m9 一d x厨m 。，、c o s ( ! 警婴卜叫地孚塑)：一巫。俾! ! 墅伫! 二j 二：竺= ：= 1 二 三fl4j1 一s i n20 一c o s29n ，；f ，b ) e 止铀9 啷p 卜扣柚9 蛳r 出+ r ，g - 肛啪8 洒，十扣眦。啦，出；一亟如伴塑仁竺：芏；兰坐上兰竺)fl4j1 一s i n20s i n2 9( 2 5 )焉：攀= 翥o o n 咖) 以以旺s ，骨= ( v j ) 忙二等瓴虬+“。n ，o ；= 一n ，c o 。抽s 0 ，c o + s p ，+ 。n 。, ，c o s 9 “n p 一z “n 8f虬= 一_ v ，s i n 妒+ ，c o s 伊式中：驴。、吃分别为球坐标中妒、口方向的单位矢量；t 为波长；为空气的波阻抗；r 为球坐标的原点。到观察点p 的距离。把式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) ，分别解得：一亟 e o s o e o s ，三塑! 塑p 仁、一4 一厂一一m i 了。0 c o虬一孚, , ( 堕产) ! ( x sn o e o s ( o ) 嵩兰翌( t r s i n o c o s 9 , )叫型剿竺警羹# 型，三孕。9霎丛查望堡主堂堡堡塞驴一如半) 贮塑罴# 型+ c o s ( o s i n ( 堕产兰一! 丝。口岛= 篆啊乓幢p ) = 篆地帆一唧。o s ( 半) 堂笔祟掣+ o a s o s i t t t p m - i ( x s i 丁n o c o s q , ) j( 2 7 )地心幽c o s ( 坐警3 z ) “s 州曼咖譬叫。一“岬”l 1 r 一广1 二予瓦i 石一。娜；。( 半 竺骂羹宴竽型根据辐身生坠堑易，匕可以计算归一化方向性函数6 3 川：，p ，功：焦c 堡( 2 - 8 )式中：c ：i - - 口4 06 ，1 8 0 “；2 一p = 4 5 。：3 - - p = 9 0 “图2 7s r l a 天线的理论方向图f i g2 7t h ed i r e c t i o n a ld i a g r a mo f t h e $ r l a对式( 2 8 ) 使用m a t l a b 计算可以得到s r l a 天线在口= 0 。，1 8 0 ”x - z 平面、p = 4 5 。x = y 平面和妒= 9 0 。y z 平面的方向图，如图2 7 所示：天线在0 = 0 。，1 8 0 时，具有最佳方向性能；在口= 9 0 。，2 7 0 时，方向性最差。为了验证该结论，采用图2 6所示的坐标系，在口：0 。、4 5 。和9 0 。角度+ 4 陋_ |。卜叶一-4i 一一一一2 5 0 l 一一别f i n s( a ) 0 ；0 。下测得的p d 信号下测量同一p d 信号。h童0- 4馘蛸+ it。j l l 乩i 。d * 。k k i “矗女血崖蠡# k h 酗。且“d h 。曲t h j刖r i ”r r 1 l ”2 r l l f i n s( b ) 0 ：4 5 。下测得的p d 信号、，；唑墅lm一婴一4。o 、。d 。i。l+ 4| o- 4一。i i 一。p d 与干扰的混合信号经过低通滤波后的波形p d 与干扰的混合信号经过带通滤波后的波形( a ) s r l a 天线测得的混合信号及其功率谱+ 4姜o4邕ak 一。fy t n sp d 与干扰的混合信号的波形i，：i 。种扑弩蛳 ，文。m 。+ 4o4f 0 h z混合信号的功率谱l 1 一1丫lp d 与干扰的混合信号经过低通滤波后的波形p d 与干扰的混合信号经过带通滤波后的波形( b ) 内置环形传感器铡得的混合信号及其功率谱图2 1 7 不同传感器测得的混台信号及其功率谱f i g 2 1 7c o m p o s i t es i g n a l sa n di t sp o w e rs p e c t r u md e t e c t e db yt h ed i f f e r e n ts e n s o r s图2 1 7 中，经过低通滤波后s r l a 天线检测到的混合信号发生了根本的变化，而经过带通滤波后则基本没有变化，这是由于s r l a 天线陡峭的“u ”型s w r 使得s r i a 天线在保证带内信号基本不变的情况下对带外信号具有较好的抑制作用，因此s r l a 天线检测的混合信号中低频干扰比较少：而内置环形传感器则相反，是因为内置传感器的低频特性较突出，其检测到的信号中低频干扰比重较大，经过带通滤波后所占比重较大的低频信号被抑制，信号就发生了明显的变化。2 3 2 周期性脉冲干扰信号本文中周期性脉冲干扰由电机电刷放电产生，检测时g i s 模拟装置不加电压由传感器直接耦合。对周期性脉冲干扰进行了截止频率为1 6 0 m h z 的低通、高通滤波，分析其在这两种频段下的分布情况。+ 2 0 蚴| o2 0t u s干扰信号+ 2 0| o 卜叶畸争8 0墨4 0厶0f ，g h z干扰信号的功率谱+ 2 0 ，毒o - i - - 一+。2 0 d5 l o2 0 i51 0t u st u s干扰信号经过低通滤波后波形干扰信号经过高通滤波后波形( a ) s r l a 天线测得的干扰信号及其功率谱重庆人学硕十学位论文+ 2 0 口州8 0毒。卜一一簿r 咚吣一 霎4 0- 2 0 j51 00t ，n s干扰信号f ( 3 h z干扰信号的功率谱t u at u s干扰信号经过低通滤波后波形干扰信号经过高通滤波后波形( b ) 内置环形传感器测得的干扰信号及其功率谱图2 1 8 不同传感器测得的干扰信号及其功率谱f i g 2 1 8c o m p o s i t es i g n a l sa n di t sp o w e rs p e c 协md e t e c t e db yd i f f e r e ms e n s o r s从图2 1 8 可见：周期性脉冲于扰经过截止频率为1 6 0 m h z 的低通和高通滤波后的变化说明其能量主要分布在低频段，在高频段分却较少，有利于u h f 法检测。2 4 本章小结根据g i s 内p d 信号和装置特点设计了频带为1 0 0 m h z 左右，中心频率为3 8 0 m h z 的s r l a 天线。该天线在0 和j r 方向上，具有最佳方向性能：在口2 和3 口2方向上，方向性最差。通过计算和对比实测p d 信号验证了s r l a 天线具有较好的灵敏度和较宽的带宽，理论增益为1 9 6 ，实测增益达1 9 5 ；“u ”型s w r 使得s r l a 天线具有一定的抗干扰能力，有利于检测系统硬件的安全性和信号的后续放大处理。 根据现场干扰特点和“u ”型s w r 曲线，可以选取某一频段进行检测，提高检测系统的抗干扰能力，提高检测的可靠性，适合现场运用。白噪和周期性脉冲干扰的分析结果表明：空间干扰信号能量基本上分布在1 6 0 m h z 以下，在高频段能量分布很小，通过带通滤波可以大大提高检测信号的信噪比。靶掣乞- ：m一。，_5“一 |，l，h；o啪弘；3小波变换与正交复小波构造3 小波变换与正交复小波构造小波分析 3 2 , 7 0 l 是窗口大小固定形状可变的时频局部化分析方法，其本质是计算被分析波形与小波波形的局部相似程度。小波分析在低频段有高的频率分辨率和低的时间分辨率，在高频段有高的时间分辨率和低的频率分辨率，使得小波变换对信号具有自适应性。目前，小波分析已广泛应用于信号处理、图象处理、量子场论、地震勘探、语音识别与合成、音乐、雷达、c t 成像、流体湍流、天体识别、故障识别、分形以及数字电视等科技领域。3 1 小波变换和复小波的优点3 1 1 小波变换和复小波变换设函数嘶) e f 忸) ，其傅立叶变换为矿) ，。= 例如t *如果函数驴) 满足允许条件口2 川：( 3 1 )我们称函数矿( f ) 为一基小波。基小波经过伸缩平移得到一系列小波序列：m 击攻爿jo，( 3 2 )基小波具有如下特性3 2 ，7 1 1 ：小波y 积分为零，即：e 矿o 却：o ；它有规范化范数4 妒舵= l ，能量集中以，= o 为中心的邻域内；鼬l 。= 0 。函数，o ) 在尺度5 、位置甜的小波变换和逆变换定义为如下内积7 1 】：町“匀= 二，( ，) 忑1 畋半卜1( 3 3 )雕专雎砉啡 睁卜f连续小波变换采用连续的尺度，具有最佳分辨率，但是由于计算量大，其逆变换不唯一性使得连续小波的应用没有离散小波普遍。离散小波变换是对连续的尺度s 和连续平移参数进行离散而不是对时间变量，进行离散【”1 ：，：。一：u = a - g ；k = 1 ，2 ，3 ，可得离散小波p t ) = a - 矿0 ，卜 ) 。当口= 2 时，可得相应的二进小波。o ) 和二进离散小波变换对：v 卅o ) = 2 - s s ：妒( 2 一s t t )吖蜘专弘h 咖，o ) = ，巾k ，r 一胁( 3 4 )重鏖叁堂堡兰= 堂垡堡苎式( 3 3 ) 中的信号厂( f ) 、小波函数矿( r ) 均为实函数时，为实小波变换：不管信号，o ) 是实函数还是复函数，只要妒o ) 为复函数，那么为复小波变换。实际的使用表明当信号为实数时，采用复小波重构的信号能量发生转移( 虚部) ，增大了信号的失真，为了克服这一不足，本文引入解析信号。所谓的解析信号f 3 2 ，7 2 1 是指满足柯西一黎曼可微分条件的复函数：0 ) ，：( f ) ef 伍) ，其定义为：i ：i o ，：“o( 3 5 )式中，) 为实信号，( f ) 的傅立叶变换。由式( 3 5 ) 可见解析信号肯定是复数，但完全由其实部决定。设有一实信号，o ) ，傅立叶变换为，) ，z 归去f 加- ”曲根据式( 3 5