一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法与流程

本发明涉及电力设备状态检测与信号处理，具体是指一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法。

背景技术：

1、局部放电是地下电缆绝缘劣化的核心早期特征信号，精准捕捉该信号是提前预判绝缘隐患、避免大面积停电事故的关键技术手段。目前行业内主流的局放检测方案多采用传统超高频（uhf）检测方法，或固定频段滤波的信号处理架构，这类方案已经形成通用的行业应用共识，被广泛部署在各地的电网电缆运维场景中。

2、但在实际现场检测场景下，现有技术仍存在两大难以突破的共性缺陷：

3、（1）抗动态干扰能力差：现场环境中存在手机基站（900mhz/1800mhz）、周边工业设备等大量随机变化的强电磁干扰，干扰强度通常达到待检测局放信号的10-100倍，传统固定滤波方案无法实时跟踪变化的干扰频率，极易出现噪声滤除不彻底的问题。

4、（2）微弱信号提取能力不足：埋地电缆的局放信号经过长距离土壤衰减后，传导至地面检测端时仅约50μv，属于典型的微弱信号，传统单级滤波调理架构难以在强干扰环境下完成有效信噪比提升，最终导致检测成功率普遍不足50%，大量真实局放信号被噪声完全淹没无法识别。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，通过硬件前置处理与多策略数字算法的深度配合，实现强干扰环境下仅50μv级微弱局放信号的精准提取，大幅提升地下电缆局放检测的可靠性。

2、具体的，本发明提供的技术方案为：一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，包括以下步骤：

3、双定向天线同步采集：通过上天线和下天线同步完成信号采集，所述上天线朝上90°专门采集空间电磁干扰，所述下天线朝下90°采集地下局放信号叠加地面反射干扰的混合信号；

4、硬件放大与滤波级联调理：采用放大、滤波、再放大、再滤波的逐步调理架构，针对不同传感器的信号特性匹配对应参数，逐阶提升信号的信噪比，使处理后的信号满足采集系统的输入要求；

5、通道均衡校准：在硬件放大滤波完成后、数字滤波处理前，通过天线通道均衡器完成双天线的通道一致性校准，针对双定向天线因位置差异导致的幅频响应不一致问题进行补偿；

6、采样后多策略数字滤波：对经过预处理的信号组合三种算法进一步去除残余噪声，最终完成微弱局放脉冲的提取。

7、优选的，通道均衡校准步骤具体包括：

8、系统上电初始化时，通过内置信号源向两个天线同时注入已知的白噪声或扫频信号；

9、对比上、下天线输出的频谱差异，生成补偿滤波器系数；

10、对下天线采集的信号进行频响预校正，使其幅频特性与作为参考通道的上天线保持一致。

11、优选的，双定向天线同步采集步骤中，上天线仅对采集到的空间电磁干扰信号做fft得到当前干扰频率分布，下天线对采集的混合信号做fft得到“干扰+宽带局放”频谱，基于两组同步采集得到的fft频谱实时生成动态陷波滤波参数，针对性滤除混合信号中的干扰。

12、优选的，多策略数字滤波步骤中的fft阈值滤波过程具体包括：

13、对混有噪声的局放信号进行快速傅里叶变换，得到信号的振幅谱；

14、选定预设阈值，将大于该阈值的振幅替换为阈值，小于该阈值的振幅保持不变；

15、通过逆傅里叶变换还原得到时域去干扰信号。

16、优选的，多策略数字滤波步骤中的小波变换去噪过程具体包括：

17、利用小波变换将信号分解到不同尺度，基于局放信号和噪声在时频域的特征差异设置阈值，滤除噪声系数同时保留局放信号特征；通过小波分析对局部放电信号的高频部分在时间上放大、对其低频部分在频率上放大，完成对电缆局部放电信号各个频带混入噪声的处理。

18、优选的，多策略数字滤波步骤中的时域能量+峭度联合判据处理过程具体包括：

19、对原始信号进行滑动窗口划分，计算每个窗口的时域能量和峭度值；

20、先通过时域能量阈值筛选出候选窗口，排除能量过低的噪声区域；

21、在候选窗口中，利用峭度阈值进一步验证，保留峭度值符合要求的窗口，最终提取出局放脉冲。

22、优选的，时域能量的计算方式为离散信号各采样点幅值的平方和，设置能量阈值时，当滑动窗口内信号能量高于预设的能量阈值，判定当前窗口为可能包含局放脉冲的候选区域。

23、优选的，峭度的计算方式为反映信号分布尖峰程度的统计量，设定峭度阈值为8，当窗口内信号峭度大于该阈值时，确认当前窗口包含局放脉冲，其中局放脉冲的峭度远大于3的正态分布噪声峭度值。

24、优选的，滑动窗口的窗口宽度m取20，时域能量临界值e(20)th=40，将满足e(m)≥e(20)th的时域能量窗边界作为局放脉冲信号的边沿。

25、本发明与现有技术相比优点在于：（1）动态抗干扰能力大幅提升：依托双定向天线同步采集架构，可实时获取当前环境的干扰频率分布，动态生成陷波参数完成针对性干扰滤除，彻底摆脱了传统固定滤波方案无法跟踪随机变化干扰的缺陷，在干扰强度比局放信号高10-100倍的强电磁环境下仍可稳定工作。

26、（2）微弱信号提取性能显著优化：通过硬件多级放大滤波前置处理，提前规避绝大部分带外噪声，再配合fft滤波、小波去噪、能量-峭度联合判据三类算法的协同处理，形成硬件与数字的全链路信噪比提升路径，可稳定识别仅50μv级的埋地衰减局放信号，将局放检测成功率从传统方案的不足50%提升至远高于行业平均水平，完美适配地下电缆这类信号深度衰减的复杂检测场景。

1.一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述通道均衡校准步骤具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述双定向天线同步采集步骤中，上天线仅对采集到的空间电磁干扰信号做fft得到当前干扰频率分布，下天线对采集的混合信号做fft得到“干扰+宽带局放”频谱，基于两组同步采集得到的fft频谱实时生成动态陷波滤波参数，针对性滤除混合信号中的干扰。

4.根据权利要求1所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述多策略数字滤波步骤中的fft阈值滤波过程具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述多策略数字滤波步骤中的小波变换去噪过程具体包括：

6.根据权利要求1所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述多策略数字滤波步骤中的时域能量+峭度联合判据处理过程具体包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述时域能量的计算方式为离散信号各采样点幅值的平方和，设置能量阈值时，当滑动窗口内信号能量高于预设的能量阈值，判定当前窗口为可能包含局放脉冲的候选区域。

8.根据权利要求6所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述峭度的计算方式为反映信号分布尖峰程度的统计量，设定峭度阈值为8，当窗口内信号峭度大于该阈值时，确认当前窗口包含局放脉冲，其中局放脉冲的峭度远大于3的正态分布噪声峭度值。

9.根据权利要求6所述的一种基于硬件滤波与数字滤波协同的信号去噪方法，其特征在于，所述滑动窗口的窗口宽度m取20，时域能量临界值e(20)th=40，将满足e(m)≥e(20)th的时域能量窗边界作为局放脉冲信号的边沿。