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上薄交通大学硕士学位论文 高压测试系统中软抗干扰技术研究 高压测试系统中软抗干扰技术研究 摘要 高电压试验中由于其试验环境中电磁场的复杂特性，存在着各种干 扰现象。对于干扰的消除，我们从硬件方面入手进行了一些研究，高电 压试验中存在的干扰类型大致分为空间电磁场的干扰，地电位上升产生 的干扰以及测量系统供电电源的干扰三个部分。分别研究和验证了三种 干扰对测量系统的影响，同时从硬件方面提出了一些相应的解决方法 本论文课题是国家自然科学基金资助项目( 5 0 0 7 7 0 1 3 ) 的子项目。 除了从硬件方面解决抗干扰问题外，还可以通过数字信号处理的方 法来解决这个问题。针对高压测试中可能存在的干扰，分别从测量系统 本身的白噪声和其它来自与测量系统外部的干扰两部分进行研究。 阳寸于测量系统产生的白噪声，分别研究了三种噪声消除的方法，f i r 滤波方法，移动平均法和s g 滤波法，并对它们三者的噪声消除效果进 行了分析。最后得出结论，相对于其它两种方法，s - g 滤波法特别适用 于高压测试系统，它具有能在最大程度上消除测量中的白噪声的同时， 达到有效的保持波形特性的特点。其最大的优点是在对雷电截波进行噪 声消除处理时，可以很好的保持截波截断处的幅值，而不至于使波形畸 变。 针对高压试验中的来自于测量系统外部的干扰，利用自适应处理方 法来进行干扰消除的研究。高压测试系统所用的示波器或数据采集卡都 具有多通道特性，而通常在进行数据采集时，仅仅用了其中的一个通道， 利用自适应方法对数据进行处理时，需要用到参考输入，所以采用自适 应方法来对测量数据进行处理可以充分发挥高压测试系统的潜在优点。 自适应方法消除干扰是一种利用参考输入来进行干扰消除的方法。 在测量试验数据的同时，利用空余测量通道来测量试验数据受到的干扰。 圭童奎望茎兰堡圭兰垡堡茎 壹垦塑堕墨堑! 堑垫王垫堡查塑塞 由于参考输入的测量是和试验数据同时进行的，因此具有相同的实验环 境。参考输入通道测量到干扰和试验数据中受到的干扰是同种性质的干 扰，通过自适应算法的处理，使参考输入与试验数据中的干扰量充分接 近，或者说使处理后得到的数据与真实的实验数据之间具有最小均方误 差。自适应处理的过程是一个参数自适应变化的过程，它可阻自动调整 计算参数以达到最大程度地消除干扰的目的。y 本文对自适应方法中的 l f f s ( 最小均方) 算法进行了研究，在此基础上提出了另外三种自适应算 法。利用计算机进行了仿真，验证了自适应方法的有效性。 关键词：干扰，噪声，抗干扰，噪声消除，自适应滤波 上海交通大学硕士学位论文 高压测试系统中软抗干扰技术研究 s t u d i e so nd i s t u r b sc a n c e l l i n gv i as o f t w a r ei n h i g h v o l t a g et e s t i n gs y s t e m a b s t r a e t b e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dinh i g h - v o l t a g e t e s t i n g t h e r e a r e u n d i s p u t e d l y s o m ed i s t u r b si no u rp r o c e d ur eo f t e s t i n g i no r d e r t oc a n c e lt h ed i s t u r b s ，t h e r ea r et w ok i n d so fm e t h o d s o n ei s u s i n gh a r d w a r ea n ds o m ef a c i l i t i e s t oc a n c e ld i s t u r b sb e f o r e d a t a a c q u i s i t i o n ，a n o t h e r o n ei s u s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h ma n dp r o g r a m m i n gs o m e s o f t w a r et oc a n c e lt h ed i s t u r b sa f t e r d a t aa c q u i s i t i o n int h i s t h e s i s ，aw i d er a n g e o f p o s s i b l e d i s t u r b sr e s o u r c ei n h i g h - v o l t a g e a r er e s e a r c h - e da n de x p e r i m e n t e d t h e s e p o s s i b l e d i s t u r b sa r ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ，t h e ya r ed i s t u r b sc a u s e db y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，d i s t u r b s c a u s e d b yg r o u n dv o l t a g e a n d d i s t u r b sc a u s e db yt h ep o w e rs u p p l i e ro ft e s t i n gf a c i l i t i e s t h e s ek i n d s o fd i s t u r b sa r er e s e a r c h e ds t e pb ys t e p a n dt h ea f f e c t i o no ft h e mt o t h eh i g h - v o l t a g et e s t i n gi sd e s c r i b e da n de x p e r i m e n t e d a f t e re a c h s t e p t h ec o - r e s p o n d i n gm e t h o d s o fd i s t u r b sc a n c e l i n ga r ei n t r o d u c e d f r o mh a r d w a r e b e s i d e se m p l o y i n gh a r d w a r e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e ss o m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s t oc a n c e ld i s t u r b s a f t e rl o n gt i m e d e t a i l e dr e s e a r c ho nd i s t u r b si nh i g h - v o l t a g et e s t i n g ，d i s t u r b s a r e d i v i d e di n t ot w oa r e a s0 n ei sn o i s ed i s t u r b sf r o mt h eh i g h ，o i t a g e t e s t i n gs y s t e mi t s e l f ，a n o t h e ro n e i sf r o mo u t s i d e ，t h a ti st os a y f r o m o t h e rp o s s i b l ed i s t u r b si nt h ee n v i r o n m e n t t ot h ew h i t en o i s e i n t e s t i n g t h r e e m e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ， _ 一 圭童壅望丕竺堡圭兰些堡苎 塞里型堕墨篓主堑垫王垫垫查堕塞 t h e ya r ef irb a n df i l t e r , a v e r a g ef i l t e ra n ds g f i l t e r t h r o u g ht h e a n a l y s i s ，c o m e t ot h er e s u l tt h a t c o m p a r e dt oo t h e rt w o m e t h o d s ，s g f i l t e rc a nb ee f f e c t i v e l yu s e di n h i g h v o l t a g et e s t i n g e s p e c i a l l yf o r i m p u l s ew a v et e s t i n g 1 tc a n ，t oag r e a td i s t a n c e n o to n l yc a n o e lt h e w h i t en o i s ei nt h er e s u l to fi m p u l s ev o l t a g ed a t a b u ta l s o k e e pt h e s h a p e o ft h e i m p u l s ep a r a m e t e ru n c h a n g e d w h a ts h o u l db e m e n t i o n e dj st h a ts gf i l t e r p e r f o r m e de x c e l l e n tw h e nu s e dj n t h e n o i s e c a n c e l i n gi nc h o p p e di m p u l s ew a v e w h e nd e a l i n gw i t ht h ed i s t u r b sf r o mt h eo u t s i d e so f t e s t i n g s y s t e m ，a d a p t i v em e t h o dw a su s e dh e r e f i r s t l y , c o n s i d e r i n go ft h e a f f e c t i o n so ft h ed i s t u r b sa r e c o m p r e h e n s i v e a n d c o m p l e x ，i t j sd i f f i c u l t t ot e l lw h i c hd i s t u r bj nt h et e s t i n gd a t aj sf r o mw h i c hd i s t u r b sr e s o u r c e s oi ti s n e c e s s a r y t o d e s i g n am e t h o dw h i c hc a nd e a lw i t ht h e c o m p r e h e n s i v e d i s t u r b s s e c o n d l y w i t ht h e a d v a n t a g e o f m u l t i c h a n n e lo ft h em o d e r nd a t a a c q u i s i t i o n f a c i l i t i e sa n d d i g i t a i o s c i l l o g r a p h 。i t i sc o n v e n i e n tf o ru st o g e tt h ed a t ao fh i g h - v o l t a g e e x p e r i m e n t a tt h es a m e t i m e ，t og e t t h ed i s t u r b sa f f e c t i n gt h ed a t a a d a p t i v e m e t h o di sau s e f u lm e t h o db a s e do nt h e a d a p t i v e a l g o r i t h m w h e nu s e di n t h ea r e ao fd i s t u r b c a n c e l i n g ，i tn e e dt w o g r o u pd a t a ，o n eg r o u pi st h ep o l l u t e dd a t a ，i no u rh i g h - v o l t a g et e s t i n g ， t h a ti st h ed a t aw eg e t 拍mo n eo fd a t ai n p u tc h a n n e lo fo u rd a t a a c q u i s i t i o nf a c i l i t y a n o t h e rg r o u pd a t ai sf r o mt h er e f e r e n c ed a t a h e r ei no u rt e s t i n g w h i c hi s g o tf r o ma n o t h e rd a t ai n p u tc h a n n e l o f c o u r s e ，b e c a u s e o ft h e s y n c h r o n i s m o ft h et w o g r o u p s o fd a t a a c q u i s i t i o n ，t h ed i s t u r b sc o n t a m i n a t e di n t h ee f f e c t i v ed a t aw ew a n t a r er e s e m b l e t h et a s kw ef a c eh e r ei sh o wt ou s et h er e f e r e n c ed a t a t oc a n o e it h ed i s t u r b sw h i c hp o l l u t et h ed a t aw ew a n t w h a tw eh a v e d o n ej nt h i st h e s i si st of i n dp a r a m e t e ro fa d a p t i v em e t h o d a n du s e t h ec o n f e f e n c ed a t a ，m a k ew h i c hj s t oag r e a te x t e n t ，e q u a lt ot h e d i s t u r b sc o n t a m i n a t e di nt h ee x p e r i m e n td a t a t h ec r i t e r i ah e r ew e 4 兰童窒望查兰堕圭兰些堡奎 壹垦型堇墨竺! 堑垫王垫堇查里至一 b a s eo ni sl m s ( l e a s tm e a ns q u a r e ) a l g o r i t h m i nt h ea l g o r i t h mo f a d a p t i v em e t h o d ，w ea l s ou s e t h ei d e ao fo p t i m i z a t i o n ，a n dg r a d i e n t a l g o r i t h m t oa p p l yt h ea d a p t i v em e t h o di nt h ef i e l d o fh i g h v o l t a g et e s t i n g ， f o u r t y p e s o fa d a p t i v ea l g o r i t h m s a r ei n t r o d u c e da n dr e s e a r c h e d t h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n ，f i n a l l y i tc o m e st ot h e r e s u l tt h a ta d a p t i v em e t h o di sau s e f u lo n e c a nb eu s e de f f e c t i v e l yi n t h ef i e l do fh i g h - v o l t a g et e s t i n g k e yw o r d s ：d i s t u r b ，n o i s e ，d i s t u r bc a n c e l i n g ，n o i s e c a n c e l i n g a d a p t i v e f i l t e r 一丁 上海交通太掌硕士学位论文高压测试系统中软抗干扰技术研究 第一节简介 第一章高压测试系统中的干扰 高电压试验由于其试验环境电磁场的复杂特性，测试系统受到多种干扰。干扰 的消除方法，一种是从硬件入手，直接利用滤波器和其它抗干扰装置消除，另外一 种方法是软件方法，利用数字信号处理方法对干扰进行抑制和消除。 本章通过对高电压试验中的各种可能存在的干扰传播来源的研究，把干扰的类 型大致分为三类“1 ： 1空间电磁场产生的干扰 2 地电位上升产生的干扰 3 来自电源线的干扰 通过研究和验证各种干扰对测量系统的影响，从硬件方面提出了一些常用的解 决方法。由于这些干扰对于测量结果的影响是综合的，为了研究各种干扰对测试结 果影响的原因和程度，我们分别从以下三个方面逐步开展试验研究。 第二节空间电磁场产生的干扰 1 2 1 辐射场( r a d i of r e q u e n a yf i 日i d ) 的干扰 冲击电压实验时，不可避免的要发生放电现象，例如冲击电压发生器各级球间 隙点火、截波装置球间隙动作、被试品放电等，火花放电所产生的电磁场频率极高， 可毗达至数十兆赫兹，甚至是一百兆赫兹以上。不同f 可隙距离的火花放电，电磁波 的频率也不同，间隙距离越小，频率越高。这种电磁场称作辐射场。 为了观察高压冲击试验中的辐射场所产生的干扰，研究如何减少这种干扰的措 施，我们进行了以下试验。 试验设备为 1 冲击高电压发生器s j t u - - 2 4 0 0 s j t u - - 2 4 0 0 型系列冲击电压发生器包括1 5 0 0 ，1 8 0 0 ，2 1 0 0 ，2 4 0 0 千伏四 个电压等级，主要由充电设备和本体组成。 2 冲击电压试验组合控制柜s j l l j c ( d ) 该控制柜主要用于冲击电压发生器、冲击电流发生器和直流高压发生器的 8 上海变通大学硕士学位论文高压测试系统中软抗干扰技术研究 操作和控制，有手动和自动控制两种类型可供选择。 3 上海交通大学高电压中心开发的a t s ( 高电压自动测试系统) 高电压测试系统由数字存储示波器( t e k t r o n i xt d s 系列) ，个人计算机， g p i b 总线和打印机组成。可以实现冲击高压的波形、幅值等有关参数的自 动测试和分析。 试验a 将数字存储示波器( t e k t r o n i xt d s3 0 1 2 ) 放在2 4 0 0 千伏冲击电压发生器约 l o 米远的地方，采用电池( 或者采用不问断电源u p s ) 进行供电，以避免来自示波 器供电电源的干扰。示波器的垂直输入端直接短接，并用铝箔包严。将示波器置于 自动扫描状态。冲击电压发生器充电后，发出点火脉冲使冲击电压发生器第一级球 间隙击穿放电，此时示波器水平扫描线上将出现频率相当高的干扰波形，如图1 1 所示： e = 习 翌 墨 - 图1 1 当冲击电压发生器第一级球问隙击穿放电时，用 溺 示波器测量到的来自与空间辐射场的干扰波形。 f y ( h t 】 0 0 1 1 1 1 0 0 0 口j o 3 口0 口。日a 口n 0 0 口o咖5 0 0 哪。口8 0 0 伽o o q c pt h z j 图l 一2 匿1 1 中干扰波形的频谱分析图 9 圭塑奎望查兰堡主兰些望苎童垦型堇墨苎主鉴垫王苎垫查里塞 干扰波形所对应的频谱图如图1 2 所示，在图中，我们可以看到干扰波形中存 在复杂的频率成分，并且，有很强的高频成分。当我们减少球间隙距离后，发现干 扰波形的频率随之增加。 试验b 用1 5 毫米厚的铝板制作一个屏蔽柜，将示波器至于其中，屏蔽箱正面留有一 个观察小孔，其它条件同试验a 。这时，无论冲击电压发生器是单级动作，或整体 动作，或产生截波，示波器总是显示一条干净的光滑的水平线，如图1 3 所示，除 了仪器本身的量化噪声，我们几乎观察不到任何干扰。和a 项试验进行比较，只要 我们对示波器进行有效屏蔽，完全可以杜绝辐射场对示波器的干扰。 e = = 丑 芒 墨 d1 口n 02 0 “03 0 0 d0 0 0 x _ x i i t 圈l 一3 采用电池供电，示波器屏蔽后，可以发现示波器 受空问辐射场的干扰。圈中显示出光滑的水平线 试验c 将示波器垂直输入端接入一段2 5 米长的单层屏蔽电缆中，将电缆首端用铝箔 包严，其他条件如试验b 。启动冲击电压发生器，在示波器水平扫描线上出现频率 相当高的干扰波形。当我们将测量电缆放在外径】o 毫米，壁厚1 毫米，长2 5 米的 铜管内，干扰现象得到显著改善。 这证明了在高压测量中，对测量电缆进行双层屏蔽是非常重要的。 试验d 示波器置于外触发状态，采用长约半米的导线作为天线接在外触发孔中，其它 条件同试验b 。冲击电压发生器动作时，可以看到在冲击电压波形的启动阶段瞬间 出现频率相当高的干扰波形，如图1 4 所示： 这说明辐射场通过天线和触发回路窜入扫描回路和垂直轴产生干扰。因此，在 使用数字示波器测量冲击高电压波形时，应避免采用天线的感应信号去触发示波器 的扫描回路，而应采用示波器的内触发。 i o 圭童奎望丕兰堡主兰堡堡塞重垦! ! 堇墨竺堑苎王垫垫查里塞 1 2 2 似稳场( q u a s is t a r i ce i e c t r i ca n di i a n e t i c - f i e ld ) 干扰 冲击发生器启动后，在冲击电压发生器和试验回路内产生快速变化的暂态过程。 由于电路中电压和电流的变化所产生的电磁场，其频率要比火花间隙放电时的辐射 场的频率低得多，通常在数兆周以内。这种电磁场也会在测量回路中产生较强的干 扰，但是它比辐射场容易对付。只要尽可能减少测量电缆两端的小回路所包围的面 积，如图1 5 所示。并给以严格的屏蔽，以及妥善布置测量电缆，就可以有效地减 少似稳场所产生的干扰。 r = = 司 图1 4当示波器处于外触发状态时，受到了冲击发生器产生的 辐射场的强烈干扰 图1 5由似稳场在测量电缆两端产生的干扰 第三节地电位上升产生的干扰 冲击电压发生器及其试验回路占用较大的空间，高压部分对地和周围建筑物存 在着杂散电容。当冲击电压急剧上升或截断时，杂散电容也跟着充电和放电，其电 流如公式1 1 所示。 f ：c 皇l 1 1 曲 上晦交通大学顼士学位论文 高压测试系统中软抗干扰技术研究 以大地为回路影响冲击电压试验回路的接地点0 ，如图1 6 所示 图l 一6 由地电位上升产生的干扰 在0 点上形成很高的对地电位( 通称地电位上升) ，地电位的大小决定于电压 变化的速度，杂散电容的大小以及接地网的情况，地电位上升可达数千致数万伏。 另外，通过分压器的电流也会在分压器接地引线上的00 线段产生电压降。 在0 点和0 点对地电位作用下，将有电流流经电缆外皮，从而产生干扰。即 使在电缆首端与外皮短接( 即测量电缆无信号输入) ，在电缆末端芯线与外皮之间仍 会出现电压差，这就是地电位上升所引起的干拭电压。干扰的大小与外皮电流j 的 大小和变化速度有关。可以理解，当钡4 量急剧上升或下降的电压波形时，以及当示 波器端电缆外皮接地时，地电位上升将会产生更严重的干扰。 在示波器测量急剧上升或下降的冲击高电压波形时，最难对付的就是地电位上 升引起的干扰，为了减少这种干扰，应采用以下综合措施。 措施l示波器端电缆外皮不接地，减少通过电缆外皮的电流 措施2采用示波器和测量电缆双层屏蔽 示波器置于屏蔽箱内，示波器外壳与铝屏蔽箱绝缘。为了减少示波器外壳对铝 屏蔽箱的杂散电容，我们还要选择合适的屏蔽箱尺寸。为了工作人员的安全，铝屏 蔽箱应该可靠接地。 测量电缆采用双层屏蔽电缆，电缆外面再套上外径为1 0 毫米，壁厚l 毫米的铜 管。在示波器端，外层屏蔽和铜管与铝屏蔽箱相接，内层屏蔽在垂直轴输入插口处 接示波器的外壳。在分压器内侧，内外层屏蔽和铜管联在一起并与分压器接地端相 圭堂至垩奎茎堕圭堂垡兰兰壹里型鲨墨篓生堑茎王垫塾查塑壅 连。为了防止电磁场的干扰，分压器低压臂和测量电缆首端皆放在接地的铁屏蔽箱 内。 根据实际测验表明，当产生6 5 0 千伏截波时，2 5 米长单层屏蔽电缆产生的干扰 电压幅值约为0 5 伏，而同样长度的双层屏蔽电缆( 未套铜管) 产生的干扰电压幅 值仅为0 1 5 伏。 措施3采用电感阻塞元件 为了进一步减少电缆外层屏蔽的电流，我们在分压器恻将测量电缆绕成电感线 圈，利用电感减少由于地电位上升引起的电缆外皮电流。 经过现场试验，当产生6 5 0 干伏截波时，不采用电感阻塞元件，干扰电压的幅 值为0 5 伏，当采用9 , 3 毫亨的电感阻塞元件时，干扰电压的幅值减为o0 8 伏。可 见电感阻塞元件的效果是相当明显的。 措施4 采用隔离变压器 示波器的电源变压器原边和付边绕阻之间、原边和变压器铁心之间具有较大的 寄生电容。在示波器外壳不接地的情况下，这个寄生电容为电缆外皮的电流提供了 一条通向低压电源的通路。为了减少电缆外皮的电流，应该采用隔离变压器对示波 器供电。 隔离变压器的原付边绕组之间和原边绕组之间对铁心之间的寄生电容尽可能 的小，在这种情况下，变压器绕组之间和绕组对铁心之间将要承受很高的由于地电 位上升引起的冲击电压，幅值为高达数干伏乃至数万伏。隔离变压器放在铝屏蔽箱 内，并与示波器外壳和屏蔽箱绝缘。 措旄5提高信噪比 由地电位上升所产生的干扰电压可以利用示波器的垂直轴衰减器来减少。对于 电阻分压器测量系统，还可以利用电缆末端的电阻分压器来进一步减少。 电缆末端分压器的总电阻等于电缆的波阻抗。经过这个分压器后，干扰电压可 以衰减将近1 0 倍，在经过示波器的垂直轴衰减后，干扰电压可以得到很大的减少。 为了在示波器上得到足够高的被测量波形的垂直偏移，可以改变高压分压器的分压 比，用咀提高测量电缆中传输信号的幅值。这样，就可以达到提高信号与噪声的信 噪比。 采用提高信噪比的方法，可以使干扰电压在示波器测量到的结果图中的比例得 到很大的减少。 上海变通大学硕士学位论文高压剥试系统中软抗干扰技术研究 措施6 减少示波器内部接地线上的电压降 如果电缆外皮的干扰电流进入示波器内部的接地线，则在接地线的阻抗z 上产 生电压降a u 。对于放大增益很高示波器，这个电压降可能被放大到不能容忍的幅 度u ，产生严重的干扰。 这种干扰可以通过试验就可以发现。在示波器的垂直轴输入插口处，将电缆芯 与外皮短接，然后启动冲击电压发生器，示波器的水平扫描线上就会出现干扰波形。 这时改变示波器垂直轴衰减器的倍数不对这种干扰产生任何影响。如果把测量电缆 从垂直轴输入插口拔掉，干扰现象就没有了。 因此，为了减少示波器内部接地线上的电压降，应该尽量减少示波器内部接地 线的电流，减少接地线的阻抗，合理布置各级放大器的公共接地点。当然，这些已 经超出了我们所能做到工作的范围，应该由示波器厂家来完成这些任务。 第四节来自电源线的干扰 当冲击电压发生器动作时，低压电源线将产生较高的干扰电压，这种干扰电压 沿示波器的电源线进入示波器内部各个部分产生严重的干扰。我们可以通过用隔离 变压器对示波器供电来解决这个问题。 为了进一步减少电源的干扰，可以在隔离变压器的原边采用了单级r 型滤波器。 试验证明，这种滤波器可以很大程度的减少来自于电源线的干扰。当然，我们也可 以采用电池对t d s 3 1 0 2 示波器供电，这样可以完全杜绝来自电源线的干扰。 第五节结论 通过本章的研究，我们发现，在防止和消除高压测试中的干扰时，可以采用对 示波器和测量电缆进行双层屏蔽、示波器采用内触发、示波器端电缆外皮不接地、 测量电缆采用电感阻塞元件等措施，在供电电源方面，采用隔离变压器和电源滤波 器，或者采用电池供电等措旖。 匕l 上是我们对从测量系统的硬件方面出发，而得到的一些结果。随着数字信号 处理科学和技术的发展，我们可以把一些很好的数字信号处理理论和方法运用到高 压测量中，从而使我们在高压试验的抗干扰方面有一个全面的解决方案。 在第二章和第三章的论述中，提出了一些能有效运用到高压测量中的数字信号 处理方法的研究。 4 上海交通大学硕士学位论文高压测试系统中软抗干扰技术研究 第二章高压测试系统中噪声消除的数字滤波算法研究 第一节简介 雷电冲击电压试验中对信号进行数字测量时白噪声是经常碰到的问题，这使我 们在进行波形分析和度量时产生了很大的困难。现在已经有了一些基本的降低白噪 声的方法i 丑1 ，这些方法有一定的作用，但仍存在着一些问题。因此有必要研究一 种能消除白噪声且同时又不造成波形畸变的滤波方法，用于雷电波形处理。 本章对几种消除白噪声的方法进行了分析和研究，通过i e c - 1 0 8 3t e s td a t a g e n e r a t o rt _ q 冲击波形发生程序的数据验证，得出s g 滤波法u 1 是一种能很好地 运用于冲击波形的方法。它具有能在最大程度上消除测量中自噪声的同时，达到有 效保持波形特性的特点。其最大的优点是在对雷电截波进行噪声消除处理时，可以 很好的保持截波截断处的幅值，保持波形突变的特征。 第二节一些除白噪声的方法及其特点 要实现有效消除白噪声，就是要在保持波形不畸变的情况下，最大程度地降低 波形中自噪声的成分。 实际的测量中，除白噪声方法主要有两类。一类是用硬件来完成，另一类是软 件完成。信号量化后，对信号进行滤波处理，以达到预期目标。相对于硬件滤波器， 用软件完成滤波有经济、方便和实用等特点。 一种软件除白噪声的方法是用有限冲击响应f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 方法，根据该方法，找出合适的单位冲击响应 ( ”) ，从而实现数字滤波降噪。另外 还有一些有效的滤波方法，如利用小波变换法除白噪声，用多项式拟合除白噪声等。 2 2 1f l r 滤波除白噪声 设计f i r 滤波器，从本质上来说，就是针对选定的n 个点，设计一个传递函数 日( z ) = h o + 五l z 一1 + + h u _ l z 一一1 2 - 2 根据不同的传递函数，可以设计出许多钟不同的滤波方法。 2 2 2 平均滤波法 简单的f i r 除白噪声的法方法就是平均滤波法( a v e r a g em e t h o d ) ，它的原理是 = 兰童奎望奎兰堡主兰堡丝塞童垦型堕墨竺主茎垫王垫量垄堑塞 对一组数据工( 疗) 中的每一个点分别进行一l 点移动平均后得到滤波结果y ( 疗) ， 即： 巾) 2 寺( ；坤) ) 2 3 它对应的传递函数为： h ( z ) 2 古( 1 4 - 2 - t + z - 24 - + z 。“”)2 4 它对应的噪声减少率n r r ( n o i s er e d u c t i o nr a t i o ) 为： n r r ：上2 5 一种滤波方法的噪声减少率越小，则该方法的除噪声效果越好。也就是说，对 于1 0 阶的平均滤波法，它的噪声减少率为0 1 ，即噪声减少至原来噪声的l o 。 传递函数h ( 二) ，它对应的截止频率为： 玎 甜o f f 2 可 2 6 这样，如果需要得到较小的n r r ，那么就需要较高的计算点数n ，而较高的点数 则会造成n k 较小，从而有可能造成对雷电波形的较大影响。假设进雩亍2 0 点的平均 滤波法计算，此时滤波器的截止频率为。，= o 0 5 z ，在1 0 0 m 的采样频率下，该滤 波将会滤掉角频率高于国析= 00 5 ；, r ( 换算成频率为5 删z 的成分) ，这样必然会消 除掉波形中很大一部分的有效分量，同时也会使波形中的尖端部分变得平滑，使波 形产生畸变。 因此，有必要从另一个角度来设计滤波器，以达到在保持波形不畸变的情况下 最大地消除白噪声。 第三节数字滤波器的基本原理及设计方法 2 3 ，l 数字滤波器的基本原理 在实际运用中，通常利用数字滤波器处理模拟信号。处理模拟信号数字滤波器 的基本结构图如图2 一l 所示： 图2 1 ：处理模拟信号的数字滤波器框图 图中输入端接一个低通滤波器日，( s ) ，对输入信号进行频带限制，以避免频带 混叠，称为抗“混叠”滤波器：在输出端也接了一个低通滤波h ：( s ) ，以便将d a 1 6 圭垦至望查兰堡主兰垡堡壅壹堡型堇墨堑主墼堕王垫垄查堑塞 输出的模拟量良好地恢复成时间连续信号。 所谓数字滤波实质是一种运算过程，用来描述离散系统输入与输出关系的差 分方程的计算或卷积计算。所谓数字滤波器的设计就是根据要求选择系统的日( n ) 或h ( ：) ，使x ( n ) 通过系统时，对x ( n ) 的波形和频谱进行加工，获得预期信号。 2 3 2 数字滤波器的种类 根据不同的分类方法，滤波器可以分为以下几种： l 根据数字滤波器的实现方法和形式可分成三类埘： ( 1 ) 递归型数字滤波： 这种关系在计算机中采用递归方法加以实现，即将过去的输入、输出值 存在存储器中，根据这些值和当前输入值计算当前输出值，而计算结果又成 为下一次计算的新的过去的输入值，这样实现递归滤波。 ( 2 ) 非递归型数字滤波器： 在这种滤波器中，输出序列仅与现在和过去的输入序列有关，而与过去的输 出序列无关，因此称为非递归型数字滤波器。 ( 3 ) 用快速傅立叶变换实现数字滤波 用线性卷积可以完成滤波处理，这是一种利用f f t 实现数字滤波的有效方法 y ( 雄) = 矗( 咒) 卓工( n ) 2 根据单位冲击响应h ( n ) 的时间特性分类 ( 1 ) 无限冲击响应数字滤波器i i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 这种滤波器的冲击响应函数 ( 月) 有无限个样值，即 h ( n 1 ”n 有无限个样值点 ( 2 ) 有限冲击响应数字滤波器f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 这种滤波器的冲击响应函数 0 ) ，仅在，l ，n 如之间有有限个样值点 2 3 3i ir 和f ir 数字滤波蚕的形式和比较 一般来讲，i i r 滤渡器利用递归法比较易于实现，而f i r 数字滤波器用非递归 法和f f t 法较为易于实现，通常我们把数字滤波器分为i i r 和f i r 进行讨论。 i i r 数字滤波器有直接、级联、并联等形式。在实际中大量采用级联和并联两 种形式。f i r 数字滤波器有直接、级联、频率抽样等形式，在实际中多采用直接、 频率抽样两种形式在设计工作上，i i r 滤波器借助于模拟滤波器成果，一般都有有 效的封闭函数设计公式进行准确的计算，设计工作量小。f i r 滤波器设计一般无封 闭函数设计公式，多采用窗口函数法。 j 7 圭蔓奎望查兰堡主兰些堡苎塞垦塑! 苎至苎! 堑垫王些堇查竺塞 对于设计好了的滤波器，还要选择合适的方法进行实际数据的处理，才能达 到数据滤波的实现。对于f i r 滤波器多采用迭代的形式，逐步求出数字滤波的结 果。而对于f i r 滤波器既可以采用递归形算法，也可以采用f f t 快速算法来实现。 第四节雷电波形特征分析 2 4 1 雷电全波 对于1 2 5 0i j s 的雷电全波，其波形可用双指数曲线来表示，如公式2 一l 所示 一上 上 g ( f ) = a ( p “一e 。2 ) 2 一l 其中，a = 1 0 1 ，l = 6 2 gu s ，f ：0 4 0 5u s 对于雷电截波，用双指数表示时，取截断后的值为零，即近似忽略其震荡过程。 于是得到雷电全波的图形，以及全波的频谱图，分别如图2 2 和2 - - 3 所示。 2 4 2 雷电截波( 近似地忽略截断后的震荡和过冲) 雷电截波可分为波前截断和波尾截断两种，其中，2 u s 的波尾截断和0 5 u s 波 前截断的频谱图如图2 4 所示，图中为了方便比较，还列出了全波和0 1 u s 截波 的频谱图。 通过以上分析，我们可以得到一个各种波形频谱最大值5 的频率，可以近似 认为该频率就是波形的最高频率。如表2 1 所示： | 5 的幅值下频率 l雷电全波 3 5 k h z l2 u s 截波时间的截波 1 3 m h z lo 5 u s 截波时间的截波8 m h z 表2 1 ：各波形频谱的5 频率 i g 上海交通大学硕士学位论文 高压测试系统中软抗干扰技术研究 ， 图2 2 ：雷电全渡时域图 一一一 、 斗一 j 、 图2 3 ：雷电全波频谱图 、。 ：、 一 一、 二：_ ：_ 4 - 一 弋 一一 fff 一一 一一一 一一一 一l ? _ 一 ! ：；垒j 。? i 专：一t 士 j ：# 、 、一 图2 4 ：0 1 u s ，o 5 u s ，2 u s 截波和雷电全波的频谱分布 图，图中可以看出，随着截断时间的提前，各波形 的频谱中，高额分量越来越多 1 9 上海交通大学硕士学位论文高压测试系统中软抗干扰技术研究 第五节s g 滤波器( s a v it z k y g o l a ys m o o t hin gfil t e r ) 25 1 s - g 滤波器的基本原理 s _ g 滤波器的基本原理是这样的。设混有白噪声的信号_ f 印) = s ( n ) + - i ，( 刀) ，其 中s ( n ) 是所测量信号，v ( n ) 是白噪声。对于长度为l 的的信号x ( n ) ，选定其中 的个点( n 为奇数，n = 2 m + 1 ) ，表示为： x = b h ，x l ，xo ，x 】 ，x “i t 2 - - 7 向量中的某个点，用一个d 阶的多项式表示： 主。= 。o + c l m + + c d 坍。，一m 胂s 吖 2 8 定义： p 。= x 。一膏。 2 一g 表示为向量形式： 使 定义d + l 维列向量： z 一肘 ： - ： x m 相对应有x ( d + 1 ) 阶矩阵 于是膏可表示为： 此时 为使 最小，应使 从而 可写为： mm = p ：= ( x 。一量。) 2 = r a i n 2 - - i 0 ：一 fm = 一m 3 r ( m ) = m 。一m 兰m m ，j = 0 ，d 2 一l l 2 1 2 j = 毫c i s i = s o * * , 3 d 针 2 - - 1 3 j = 】；i = 忙o lo 。i 五= p 。p 生l ：0 s 7e =0 s7 ：s7 x 2 一1 4 2 1 5 2 一1 6 2 一1 7 圭塑奎堕查兰堡主兰些笙塞童墨型堕墨鉴主墼苎王垫垫查盟壅 所以系数向量 。= ( s7 s ) 。1 s7 x 2 一1 8 膏= = s ( s7 s ) 一s 7 x ；b x 2 一i g 因此，只要求出n n 阶矩阵b ，表示为： b = ( 6 一。，b 。，b ) 2 2 0 就可以通过2 1 9 利用求出膏，此时： i ，= b ：j ，一m m m 2 2 l 工。点的滤波结果用y o = 或表示，对应矩阵b 中的b o ，于是： y 。= bjx = b 。( ) x 。 2 2 2 s _ g 滤波法相对于平均滤波法，在相同阶数的条件下噪声减少率提高程度不够 明显，但可以通过提高滤波器阶数来降低r 尺，它的噪声减少比例由式2 2 3 决 定 “ n r r = b 。0 ) 2 2 2 3 2 5 2 $ - g 滤波编程实现 实际编程计算时，假设数据工( 月) 有上个点( 0 刀l 一1 ) ，应对前m + 1 和后 w + 1 个点以及中间m + 1 n l 一2 一m 个点分别处理。 1 对中间的点： x ( n 1 m + 1 竹l 一2 一m 用2 - - 2 2 计算，此时： y 。= b ：x 其中： 工_ 【，n 一村，。一】，x 。，x 。+ 1 ，x 。+ 】。 2 而对前m + 1 个点 y 。= b 二一。x ，0 n sm 此时： z 斗 z 一l ，苫一2 ，xo 】1 3 对于后m + 1 个点 y = b 。1x ，l 一1 一m 月l 一1 此时： z _ 【z 川，工l 一2 ，zl 一】1 上