CN102647169B - 一种用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置，包括自适应滤波系统(1)、数据采集系统(2)、信号线(3)、辅助信号线(4)和中间导体(5)。辅助信号线(4)与信号线(3)采用同型号屏蔽电缆双绞方式布设。中间导体(5)采用与辅助信号线(4)同型号的屏蔽电缆，且与待测超导输电电缆(6)并行贴紧布设。自适应滤波系统(1)将辅助信号线(4)的信号作为自适应滤波参考信号，将信号线(3)传输的信号作为待处理信号，采用最优化准则进行自适应噪声抵消，进而降低远距离超导输电电缆微弱电压信号测量时的电磁干扰，获得待测量信号的估计值。

Description

一种用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置

技术领域

本发明涉及一种降低远距离超导输电电缆微弱电压信号测量时电磁干扰的装置。

背景技术

超导输电电缆利用超导体的零电阻特性，有望在未来远距离大容量输电中发挥重要作用。超导输电电缆正常运行时的电压降接近1微伏/米，若输送直流电，则该电压更小。由于超导输电电缆电压降是损耗计算的基础，而损耗是制冷的依据，也是系统性能的重要指标，因此必须对超导输电电缆电压降进行测量。然而，超导输电电缆均运行于大电流、高电压环境中，由此产生的电磁干扰通过通电导体耦合进入测量系统，引起的干扰信号超过毫伏，是测量误差的重要来源，必须对电磁干扰进行抑制。

屏蔽、双绞、滤波和有效接地等是抑制电磁干扰的有效手段，对于微弱信号检测均具有极为重要的指导意义，但超导输电电缆测量中的微伏级电压信号幅值远小于外部电磁干扰引入的噪声，不能简单采取上述理论笼统处理。

屏蔽可以在很大程度上避免电磁干扰耦合进入测量引线，而待测导体同样会耦合电磁干扰，对通电导体增加屏蔽层显然是不合实际的；尽量减小电路所围成的面积也可以减小磁场干扰，而在电流动态变化时磁场较强，极小的面积也会产生超过数十微伏的电压噪声，相比待测信号已经非常大；通过在仪表输入信号处增加滤波器可以滤除部分干扰，但滤波器本身引入的热噪声就非常难处理。

自适应噪声抵消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，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，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先知道干扰噪声的统计特性，在通信、雷达、声纳、生物医学工程等领域得到了广泛的应用。中国发明专利200810052143.1和200610015693.7分别公开了基于FPGA设计的串行和并行自适应消噪模块。中国发明专利200710192482.5公开了一种自适应随机共振微弱信号检测方法。文献(梁炎明，基于自适应噪声抵消的CZ单晶炉炉膛温度信号处理，2011，28(1)：94-100)为滤除CZ单晶炉炉膛温度信号在单晶生长过程中存在的低频干扰，设计了一种基于噪声抵消技术的滤波装置。文献(吴艳群等，光纤矢量水听器系统本底噪声的自适应抵消，2011，38(3)：1-5)通过在光学系统中增加一个与传感迈克耳孙干涉仪结构参数相等的对声压不敏感的参考干涉仪作为参考通道，获得由光源与电路等共同噪声源引入到各干涉仪的高相关噪声，通过采用自适应噪声抵消的降噪装置，以降低干涉型光纤矢量水听器系统本底噪声，拓展其在低频远距离目标探测领域中的应用。文献(文静，基于噪声白化准则的自适应噪声抵消方法，2010，31(8)：1693-1699)针对泄漏检测定位的工程实际，设计了基于噪声白化准则的自适应噪声抵消装置，以提高泄漏检测信号的信噪比，提高管道泄漏检测定位性能。文献(高晋占，微弱信号检测，清华大学出版社，2004：305-307)设计了自适应陷波滤波器，以消除50Hz交流市电对心电图波形干扰。文献(KalpeshDoshi等，Time-varying magnetic field coupled noise reduction in low-voltage measurements insuperconductors，IEEE transactions on instrumentation and measurement，2011，60(3)：990-995)针对时变磁场对超导体微弱电压信号的干扰，设计了采用辅助测量环路直接抵消的磁场干扰的装置。

以上装置和方法均只能针对特定对象的特定噪声进行处理，不适用于高电压、大电流超导输电电缆电磁干扰的抑制。

发明内容

本发明的目的是针对高电压、大电流超导输电电缆电磁干扰的抑制，提出一种采用辅助回路测量超导输电电缆电磁干扰的自适应滤波器，以抵消可能的电磁干扰，提高所测信号的信噪比。

本发明中所述的“远端”系相对“近端”而言，“近端”是指信号线、辅助信号线、中间导体和超导输电电缆安装后位于自适应滤波系统和数据采集系统所处位置处的端部，“远端”则是指信号线、辅助信号线、中间导体和超导输电电缆安装后远离自适应滤波系统和数据采集系统所处位置处的另一端部。

本发明的自适应降噪装置包括信号线、辅助信号线、中间导体、数据采集系统和自适应滤波系统。数据采集系统和自适应滤波系统安装在超导输电电缆的近端。超导输电电缆的通电导体在其两端通过低温电连接器将信号引出，其中超导输电电缆的通电导体近端的低温电连接器引出的信号与数据采集系统的第一采样接口信号输入端连接；超导输电电缆的通电导体远端的低温电连接器引出的信号与信号线的远端连接，信号线的近端与数据采集系统的第一采样接口信号地连接，由此形成待测信号回路；中间导体的近端与数据采集系统的第二采样接口信号输入端连接，中间导体的远端与辅助信号线的远端连接，辅助信号线的近端与数据采集系统的第二采样接口信号地连接，由此形成闭合辅助测量回路；信号线和辅助信号线均采用相同型号的带金属屏蔽层的电缆，双绞后安装；数据采集系统同步采集信号线和辅助信号线传输的数据，然后发送到自适应滤波系统进行处理；自适应滤波系统对数据进行预处理后，采用自适应算法对信号进行降噪处理，得到所需的信号，在监控中心进行显示，并存储在数据中心备用。

所述的信号线的近端与数据采集系统的第一采样接口信号地连接，信号线的远端与超导输电电缆远端的低温电连接器输出端口连接，用于将超导输电电缆端电压信号接入数据采集系统。信号线应采用带金属屏蔽层的电缆，且与超导输电电缆围成的面积尽可能小，以减少交变电磁场的干扰。信号线的金属屏蔽层需根据规则接地，一般情况下在数据采集系统附近单端接地。测量时将数据采集系统置于超导输电电缆的一端，超导输电电缆另一端的信号经信号线传回数据采集系统。信号线应采用相同型号电缆，且避免采用多段电缆串联焊接的形式，即尽量使用一根完整的导线，以降低焊接点接触电阻产生的1/f噪声。

所述的辅助信号线的近端与数据采集系统的第二采样接口信号地连接，辅助信号线的远端与中间导体的远端连接，用于将中间导体远端的信号接入数据采集系统。辅助信号线采用与信号线相同型号的带金属屏蔽层的电缆，与信号线双绞后布设，辅助信号线采用与信号线二者的金属屏蔽层在一端铰接后单端接地。由于辅助信号线和信号线采用相同的材料、结构，则二者产生的本底噪声基本上特性一致，而相同的路径使得二者耦合的外部电磁干扰特征也基本一致，因此可以认为能够通过辅助信号线实时获得与该传播路径上信号线本底噪声特性相关的信号。

所述的中间导体与超导输电电缆尽可能紧贴平行安装，中间导体的近端与数据采集系统的第二采样接口信号输入端连接，中间导体的远端与辅助信号线的远端连接。由于超导输电电缆传输电流均较大，其产生的磁场会在通电导体上产生电磁干扰。将中间导体应与待测信号源紧贴平行安装，则可以获得与该通电导体所受干扰特性相同的信号。中间导体和辅助信号线可以构成辅助回路，敏感电磁干扰等，数据采集系统的第二采样接口采集的辅助回路信号用作自适应滤波系统的参考输入信号。

所述的数据采集系统的第一采样接口输入信号端与超导输电电缆通电导体近端低温电连接器引出的信号连接，第一采样接口信号地与信号线的近端连接；所述的数据采集系统的第二采样接口输入信号端与中间导体的近端连接，第二采样接口信号地与辅助信号线的近端连接。用于实时、同步、高速采集信号线和辅助信号线传回的模拟信号，并将数据发送到自适应滤波系统进行处理。

所述的自适应滤波系统与数据采集系统连接。采用通常的自适应噪声抵消策略。自适应滤波系统将数据采集系统返回的信号线回路数据作为待处理源信号，将辅助信号线传回的辅助回路信号作为参考信号。由于通过辅助信号线采集的信号只是与待测超导输电电缆电压信号混入的噪声特性相关，并不完全一致，因此不能直接补偿，而需通过自适应滤波器来均衡两个通道间的差异。自适应滤波过程采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信号线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，抑制电磁干扰引起的测量误差。自适应滤波系统所采样的最优准则可以是最小均方误差准则、最小二乘准则、最大信噪比准则、统计监测准则以及其他一些最优准则。

本发明装置的测量过程步骤如下：

(1)数据采集系统同步采集信号线和辅助信号线的信号，并将上述信号发送至自适应滤波系统；

(2)自适应滤波系统将辅助信号线的信号作为自适应滤波参考信号，将信号线传输的信号作为待处理信号，采用最优化准则进行自适应噪声抵消，获得待测量信号的估计。

本发明的自适应降噪装置通过构造辅助测量回路，用于敏感超导输电电缆微弱端电压信号测量过程中的电磁干扰，并将辅助测量回路测得的信号作为自适应滤波算法的参考信号，通过自适应噪声抵消策略，降低电磁干扰对微弱信号检测的影响，提高远距离超导输电电缆电压降信号测量的精度。

附图说明

图1为超导输电电缆端电压测量自适应降噪装置示意图，图中：1自适应滤波系统、2数据采集系统、3信号线、4辅助信号线、5中间导体、6超导输电电缆；

图2为自适应噪声抵消原理框图，图中：1自适应滤波系统、2数据采集系统、3信号线、4辅助信号线；

图3为信号线波形图；

图4为辅助信号线波形图；

图5为失超过程自适应滤波系统输出信号波形图；

图6为正常运行时自适应滤波系统输出信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的自适应降噪装置包括自适应滤波系统1、数据采集系统2、信号线3、辅助信号线4、中间导体5。

在本实施例中，所述的“远端”系相对“近端”而言，“近端”是指信号线3、辅助信号线4、中间导体5和超导输电电缆6安装后位于自适应滤波系统1和数据采集系统2所处位置处的端部，“远端”则是指信号线3、辅助信号线4、中间导体5和超导输电电缆6安装后远离自适应滤波系统1和数据采集系统2所处位置处的另一端部。

超导输电电缆6通过电流引线接入电网。超导输电电缆6通交流电正常运行时其具有一定的交流损耗，通直流电时无交流损耗，但其内部的超导线的连接处具有一定的接触电阻，因此表现为具有一定的端电压，但所述的端电压的值较小，小于1微伏/米。本发明的自适应降噪装置用于测量该微弱端电压信号。

所述的信号线3采用2.5平方毫米的屏蔽铜导线。信号线3的远端连接在超导输电电缆6的远端，与超导输电电缆远端的低温电连接器输出端口连接。信号线3的近端接入数据采集系统2的第一采样接口信号地。数据采集系统2与超导输电电缆6的近端比较靠近，采用与信号线3相同型号的电缆连接数据采集系统2的第一采样接口输入信号端和超导输电电缆6的通电导体近端低温电连接器。辅助信号线4采用与信号线3相同型号的电缆，与信号线3双绞后与超导输电电缆6平行布设。由于信号线3与辅助信号线4的材质相同、连接方式相同、传输路径相同，且均传输相同等级的弱信号，因此二者的热噪声、分布阻抗特性引入的电噪声、接触噪声、敏感的外部电磁干扰等在特性上基本一致。中间导体5采用与辅助信号线4同型号的导体，尽量与超导输电电缆6贴紧后平行布设，一方面与辅助信号线4形成闭合辅助回路；另一方面贴紧超导输电电缆6安装，可以敏感超导输电电缆6相同的电磁干扰。中间导体4与辅助信号线4形成的闭合辅助测量回路，和超导输电电缆6与信号线3围成的待测信号回路的安装路径、所围成的面积基本相同，从而辅助测量回路可以敏感与待测信号回路所受电磁干扰特性相关的噪声。中间导体5靠近数据采集系统2处采用与辅助信号线4相同的屏蔽导体，与数据采集系统2连接，该段连接线应该尽可能短、且应与超导输电电缆6的近端测量线双绞后再接入数据采集系统2。所述的辅助测量线的金属屏蔽层和信号线的金属屏蔽层通过焊接方式连接，且采取单端接地的方式。数据采集系统2可采用高精度数字电压表，将微弱模拟信号转化为数字信号后，发送至上位机的自适应滤波系统1。自适应滤波系统1将信号线传输的数据作为待处理源信号，将辅助信号线4传输的信号作为滤波器的参考信号，通过自适应算法不断调整滤波器的参数，以使得滤波器的输出能够逼近超导输电电缆2微弱端电压信号在传输过程中耦合的电磁干扰噪声，通过抵消器相减即可获得超导输电电缆2微弱端电压信号的实时最优估计。

图2为自适应噪声抵消原理框图。图中超导体电压为需要测量的源信号s，传输线本底噪声和外部电磁干扰导致信号中混入传输线噪声n，因此经信号线3传入数据采集系统2的信号为y＝s+n，式中：y经信号线3传入的信号，s源信号，n传输线噪声。辅助信号线4不接入源信号s，只用于敏感传输线噪声n。辅助信号线4与信号线3并不可能完全一致，因此经辅助信号线4传入数据采集系统2的信号为与传输线噪声n的基本特性一致的x，二者仅在幅值和相位上有所区别。信号y和x通过数据采集系统2采样后转化为数字信号y(k)、x(k)，送入自适应滤波系统1。信号x(k)作为数字滤波器的输入，通过自适应算法调整滤波器参数，以使得数字滤波器输出z(k)逼近传输线噪声n(k)，这样就可以是抵消器的输出e(k)逼近被测源信号s(k)。数字滤波器可采用有限脉冲响应结构，也可以采用无限脉冲响应结构。自适应算法所采用的最优准则可选用最小均方误差准则、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，应用较为广泛的为最小均方误差准则，其具有较小的计算量和鲁棒性，采用归一化结构后能够提高收敛速度。

图3所示为数据采集系统2第一采样接口采样获得的超导输电电缆通电导体两端的信号y(k)，其包括一个失超过程。根据分析，超导输电电缆2电压s应该为一个幅值约为10微伏的50Hz交流信号，失超时为一个指数上升电压。当电压上升到1微伏/厘米，即端电压达到约1毫伏时认为超导输电电缆2的超导体已经失超。可以看到，超导输电电缆2的电压s基本被噪声淹没，直至失超前后才能部分被检测到，这样无法准确检测超导体的失超过程。该信号开始的一段时间体现了超导输电电缆2正常运行时的情况，此时真实信号完全被噪声淹没，若不对其进行处理，则无法准确计算该超导输电电缆2的运行损耗。

图4所示为数据采集系统2第二采样接口采样获得的辅助测量回路的电压信号x(k)。可以看到，辅助回路敏感的信号远大于正常运行时超导输电电缆2的端电压信号s。

图5所示为自适应滤波系统1采用图3和图4中数据，对超导输电电缆2端电压s(k)的估计值。与图3中原始测量值相比，经过处理后的信号噪声已经得到极大的衰减，由此可以获得更为准确的对超导输电电缆2失超过程信号的检测结果。

图6所示为正常运行时自适应滤波系统1对超导输电电缆2电压s(k)的估计。与图3的前80毫秒相比较可见，经过短暂的自适应过程之后，自适应滤波系统1的输出能够给出较为清晰的信号，信噪比远高于图3中的原始测量信号。

本发明的远距离超导输电电缆2微弱端电压信号自适应降噪装置，能够在不增加系统硬件复杂程度的前提下，提高检测信号的信噪比，实现复杂电磁干扰条件下的微弱电压信号检测，为远距离超导输电电缆2性能检测和失超判断提供可靠依据。

Claims (3)

1.一种用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置，其特征在于，所述的装置包括自适应滤波系统(1)、数据采集系统(2)、信号线(3)、辅助信号线(4)、和中间导体(5)；所述的信号线(3)的远端连接在超导输电电缆(6)的远端的低温电连接器输出端口，所述的信号线(3)的近端接入所述的数据采集系统(2)的第一采样接口信号输入端；超导输电电缆(6)的通电导体在其两端通过低温电连接器将信号引出，其中超导输电电缆(6)的通电导体近端的低温电连接器引出的信号与数据采集系统(2)的第一采样接口信号输入端连接；所述的中间导体(5)的近端与数据采集系统(2)的第二采样接口信号输入端连接，中间导体(5)的远端与辅助信号线(4)的远端连接；所述的辅助信号线(4)的近端与数据采集系统(2)的第二采样接口信号地连接；所述的辅助信号线(4)与所述的信号线(3)双绞后与超导输电电缆(6)平行布设；超导输电电缆(6)通过电流引线接入电网；所述的数据采集系统(2)同步采集信号线(3)和辅助信号线(4)传输的数据，然后发送到自适应滤波系统(1)进行处理；自适应滤波系统(1)将信号线(3)传输的数据作为待处理源信号，将辅助信号线(4)传输的信号作为滤波器的参考信号，通过自适应算法不断调整滤波器的参数，以使得滤波器的输出逼近超导输电电缆(6)微弱端电压信号在传输过程中耦合的电磁干扰噪声，通过抵消器相减获得超导输电电缆(6)微弱端电压信号的实时最优估计。

2.根据权利要求1所述的用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置，其特征在于，所述的辅助信号线(4)与信号线(3)采用同型号屏蔽电缆。

3.根据权利要求1所述的用于电缆微弱电压信号检测的降噪装置，其特征在于，所述的中间导体(5)采用与辅助信号线(4)同型号屏蔽电缆。