基于锁相放大器的谐波提取方法、装置、设备和存储介质与流程

1.本技术涉及电力设备领域，特别是涉及一种基于锁相放大器的谐波提取方法、装置、计算机设备和存储介质。


背景技术：

2.目前，国内电力系统大部分变压器都采用绝缘油来绝缘与散热。随着长时间的运行，变压器中的绝缘油与固体绝缘材料中在温度、电场、氧化等多因素作用下逐渐老化，并产生少量h2及低分子烃类气体，如ch4、c2h6、c2h4等。测量变压器油中浓度的准确性与稳定性将直接关系到变压器故障的识别。目前，tdlas是测量气体的有效办法。
3.其中，锁相放大器是tdlas的一个核心，用于从微弱的吸收信号中提取出可用于浓度计算的有用谐波信号。锁相放大器的原理是信号的相关理论。锁相放大器的参考信号与输入信号的频率与相位相同，而输入信号中的噪声成分的相位与频率是随机的，所以与参考信号无关，故可以被滤除。为提高输入信号的信噪比，通常信号的采样频率、以及激光调制频率设置较高。而过高的采样频率会导致数据解调时计算量大，降低检测的实时性。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于锁相放大器的谐波提取方法、装置、设备和存储介质。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于锁相放大器的谐波提取方法，该方法包括以下步骤：
6.获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
7.将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
8.在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
9.在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
10.进一步的，所述将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取，包括：
11.获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
12.通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
13.根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
14.进一步的，所述在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将
所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理，包括：
15.通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
16.对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
17.对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
18.进一步的，所述在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波，包括：
19.将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
20.提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓度。
21.另一方面，本发明实施例还提供了一种基于锁相放大器的谐波提取系统，包括：
22.信号输入模块，用于获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
23.第一滤波模块，用于将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
24.第二滤波模块，用于在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
25.谐波获取模块，用于在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
26.进一步的，所述第一滤波模块包括积分抽取单元，所述积分抽取单元用于：
27.获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
28.通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
29.根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
30.进一步的，所述第二滤波模块还包括噪声滤除单元，所述噪声滤除单元用于：
31.通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
32.对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
33.对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
34.进一步的，所述谐波获取模块包括信号整合单元，所述信号整合单元用于：
35.将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
36.提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓
度。
37.本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
38.获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
39.将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
40.在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
41.在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
42.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
43.获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
44.将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
45.在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
46.在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
47.上述基于锁相放大器的谐波提取方法、装置、计算机设备和存储介质，该方法包括：获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。本技术通过结合抗干扰能力、幅值大小等因素获取信号波的谐波进而获取进行气体浓度的计算，本技术在获取谐波中通过一级cic就足够，无需半带滤波器继续降采样，防止将采样率降的过低，导致信号中的有用信息太少。同时将cic滤波器与iir滤波器联合使用，充分利用了cic降采样的功效，又利用了iir滤波器滤波效果好、计算量少的优点，最后针对变压器油中溶解的不同气体设置不同的低通滤波器，能更好的利用气体的特性，达到最佳的解调效果，从而更准确的计算气体浓度。
附图说明
48.图1为一个实施例中基于锁相放大器的谐波提取方法的流程示意图；
49.图2为一个实施例中cic滤波器进行积分和抽取的流程示意图；
50.图3为一个实施例中iir滤波器进行滤波处理的流程示意图；
51.图4为一个实施例中对信号波进行信号整合的流程示意图；
52.图5为一个实施例中基于锁相放大器的谐波提取系统的结构框图；
53.图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
54.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
55.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于锁相放大器的谐波提取方法，包括以下步骤：
56.步骤101，获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
57.步骤102，将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
58.步骤103，在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
59.步骤104，在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
60.具体地，本实施例通过结合抗干扰能力、幅值大小等因素获取信号波的谐波进而获取进行气体浓度的计算，其中在获取谐波中通过一级cic就足够，无需半带滤波器继续降采样，防止将采样率降的过低，导致信号中的有用信息太少。信号波为锯齿波与正弦波叠加的含有光谱吸收信息的信号，若激光调制频率为w，则解调时正弦、余弦参考信号的频率也设置为相同频率。同时将cic滤波器与iir滤波器联合使用，充分利用了cic降采样的功效，又利用了iir滤波器滤波效果好、计算量少的优点，最后针对变压器油中溶解的不同气体设置不同的低通滤波器，能更好的利用气体的特性，达到最佳的解调效果，从而更准确的计算气体浓度。
61.其中，利用tdlas技术对气体的浓度进行测量，通过气体浓度推测变压器可能隐藏的故障。tdlas技术是通过对二极管激光器施加调谐信号实现波长扫描，获得气态物质吸收谱线从而推算其成分和状态信息的技术，广泛应用于工业及环境领域的气体检测。在实际检测过程中，通常采用二次谐波中气体吸收峰的峰峰值作为浓度计算的依据，通过提前往怀特池中通入已知浓度气体，计算得出二次谐波气体吸收峰的峰峰值与浓度之间的一次关系。
62.在一个实施例中，如图2所示，cic滤波器进行积分和抽取包括：
63.步骤201，获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
64.步骤202，通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
65.步骤203，根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
66.具体地，cic滤波器分为积分与抽取两个步骤。积分需首先确定积分长度r，积分的作用可降低信号中随机噪声的影响，并且一定程度上增大信号的幅值，降低峰峰值反推浓度的系数，增强浓度检测的稳定性。抽取的目的是降低采样频率，一方面减少数据点数，提升计算时间，另一方面可以设置窄通频带的滤波器。分别通过cic滤波器的积分和抽取之后得到需要的采用信号，便于后续进一步的过滤和整合。
67.在一个实施例中，如图3所示，iir滤波器进行滤波处理的流程包括：
68.步骤301，通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
69.步骤302，对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
70.步骤303，对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
71.具体地，信号经过cic滤波器后，采样频率降低，此时再经过低通滤波器，参考信号与噪声都将被滤除。低通滤波器的选择直接关系到谐波的质量高低，采用iir滤波器实现，避免了fir滤波器的计算量大。对于变压器油中光谱吸收强的c2h4、ch4、c2h2、co2，低通滤波器的通带可适当放宽，阻带衰减可适当减小，这样更能预防信号的畸变。而吸收较弱的c2h6、co气体的滤波器通带应尽量较窄，衰减尽量增大，防止有用信号被噪声所淹没，而无法提取。
72.在一个实施例中，如图4所示，对信号波进行信号整合的流程包括：
73.步骤401，将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
74.步骤402提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓度。
75.具体地，正交器的作用在于整合相位，使得解调出来的谐波不受输入信号相位影响。通过相位整合后获取到目的气体的信号波的谐波，根据谐波进而获取出气体的浓度信息，因此，针对变压器油中溶解的不同气体设置不同的低通滤波器，能更好的利用气体的特性，达到最佳的解调效果，从而更准确的计算气体浓度。
76.应该理解的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
77.在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于锁相放大器的谐波提取系统，包括：
78.信号输入模块501，用于获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
79.第一滤波模块502，用于将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所
述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
80.第二滤波模块503，用于在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
81.谐波获取模块504，用于在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
82.在一个实施例中，如图5所示，所述第一滤波模块502包括积分抽取单元5021，所述积分抽取单元5021用于：
83.获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
84.通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
85.根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
86.在一个实施例中，如图5所示，所述第二滤波模块503还包括噪声滤除单元5031，所述噪声滤除单元5031用于：
87.通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
88.对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
89.对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
90.在一个实施例中，如图5所示，所述谐波获取模块504包括信号整合单元5041，所述信号整合单元5041用于：
91.将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
92.提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓度。
93.关于基于锁相放大器的谐波提取系统的具体限定可以参见上文中对于基于锁相放大器的谐波提取方法的限定，在此不再赘述。上述基于锁相放大器的谐波提取系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
94.图6示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。如图6所示，该计算机设备包括该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现基于锁相放大器的谐波提取方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行基于锁相放大器的谐波提取方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控
板或鼠标等。
95.本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
96.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
97.获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
98.将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
99.在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取信号通过iir滤波器进行谐波处理；
100.在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
101.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
102.获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
103.通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
104.根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
105.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
106.通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
107.对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
108.对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
109.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
110.将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
111.提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓度。
112.在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
113.获取变压器油析出气体中含有光谱吸收信息的信号波，依据所述信号波的调制频率，将所述信号波和正弦参考信号、余弦参考信号一起作为输入信号；
114.将所述输入信号经过乘法器后得到第一提取信号，再将所述第一提取信号通过cic滤波器进行积分和抽取；
115.在所述第一提取信号通过所述cic滤波器后得到第二提取信号，将所述第二提取
信号通过iir滤波器进行谐波处理；
116.在所述第二提取信号通过所述iir滤波器后得到目的提取信号，将所述目的提取信号通过正交器进行整合，获取所述信号波的谐波。
117.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
118.获取将所述第一提取信号的积分长度，根据所述积分长度对所述第一提取信号进行积分处理，降低所述第一提取信号的随机噪声；
119.通过对所述第一提取信号进行积分处理，增大所述第一提取信号的幅值；
120.根据所述第一提取信号的抽取因子对所述第一提取信号进行抽取，通过抽取处理降低所述第一提取信号的采样频率。
121.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
122.通过所述iir滤波器将所述第二提取信号中包括的正弦参考信号、余弦参考信号进行滤除；
123.对所述iir滤波器的通带放宽，并减小阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收强的气体信号稳定；
124.对所述iir滤波器的通带放窄，并增大阻带衰减，使得所述第二提取信号中光谱吸收弱的气体信号易于提取。
125.在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
126.将所述目的提取信号通过所述正交器进行相位的整合，使得通过正交器后的信号波和所述输入信号的相位相互独立；
127.提取到含有光谱吸收信息的信号波的谐波，根据所述谐波获取变压器油中气体浓度。
128.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
129.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
130.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。