CN106767940A - 一种抑制供电频率干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制供电频率干扰的方法，包括相位跟踪、噪声获取和噪声扣除三部分内容。本发明针对常用的滤波降噪方法易造成信号失真的缺陷，利用供电频率干扰引起的噪声与供电频率同步且一定条件下噪声波形不变的特性，提供了一种通过扣除噪声手段抑制供电频率干扰的方法，使得抑制噪声的过程不会造成真实信号的畸变。该方法基本原理是在信号输出为零或恒值时采集噪声，并对噪声按照周期进行平均以抑制随机噪声，得到一个周期内不同相位的参考噪声，通过一定的算法将含噪声的信号与参考噪声进行相位匹配，进而减去对应相位的参考噪声。

Description

一种抑制供电频率干扰的方法

技术领域

本发明属于信号采集及处理技术领域，具体涉及一种抑制供电频率干扰的方法。

背景技术

在动态信号采集中，受信号测试现场各种条件限制，降低信号中噪声的措施时常难以实施，或者由于现场干扰较强，即使采用了降低噪声的措施，获得的信号中仍然包含较大的噪声。对于此类受到干扰的信号，通常的处理方法是通过滤波(包括平滑)抑制噪声，提高信噪比。但滤波会同时滤除信号中对应阻带的部分，在信号为瞬态信号时，或者信号频率阻带包含较大能量时，滤波会造成信号较大的失真。图1是宽度5ms的矩形脉冲及其通过50Hz带阻滤波器后的波形，可以看到信号波形严重失真。

在一些情况下，噪声中部分成分(以功率计最高占比有时可达95％以上)频率与供电频率(我国为50Hz，部分国家和地区为60Hz)相同且同步。在长期观察中，发现在信号布线不改变且现场其它用电设备工作情况不发生大的改变的情况下，任意通道噪声波形也不发生大的改变。图2给出了某次实验中不同通道的噪声波形。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种抑制供电频率干扰的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抑制供电频率干扰的方法，包括如下内容：

一、相位跟踪：

(1)构造抑制直流和供电频率噪声高次谐波频率的带通滤波器；

(2)根据带通滤波器参数确定滤波延迟；

(3)使用带通滤波器对相位参考通道进行滤波；

(4)计算每个上升沿过零时刻；

(5)根据每一个点相对上升沿过零时刻及滤波延迟计算相位；

二、噪声获取：

(1)确定参考噪声的相位点集；

(2)在通道的每一个周期上对每一个噪声相位点插值；

(3)在每一个噪声相位点对各周期插值结果取平均值；

三、噪声扣除：

对某一通道的每一个数据点，用相应通道参考噪声函数在该数据点对应相位插值，然后用该数据点数值减去相应插值结果。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明针对常用的滤波降噪方法易造成信号失真的缺陷，利用供电频率干扰引起的噪声与供电频率同步且一定条件下噪声波形不变的特性，提供了一种通过扣除噪声手段抑制供电频率干扰的方法，使得抑制噪声的过程不会造成真实信号的畸变。

该方法基本原理是在信号输出为零或恒值时采集噪声，并对噪声按照周期进行平均以抑制随机噪声，得到一个周期内不同相位的参考噪声，通过一定的算法将含噪声的信号与参考噪声进行相位匹配，进而减去对应相位的参考噪声。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1矩形脉冲及其滤波失真(采样频率5000Hz，滤波器为长度2501,阻带45Hz-55Hz，窗型4.86的Kaiser滤波器)；

图2不同通道噪声波形；

图3干扰抑制处理前后数据波形对比。

具体实施方式

本发明主要包含3部分内容：相位跟踪方法、噪声获取方法、噪声扣除方法。

一、相位跟踪方法

噪声的相位信息在噪声获取和噪声扣除中都是必需的信息。

由于供电频率不是严格的50Hz和60Hz，对于我国的电网，如果使用名义的供电频率50Hz从起始时刻计算相位，在最不利的情况下，供电频率偏差1Hz，只需要经过0.5s，计算相位与真实相位相差就可以达到180°，修正就会反相，带来双倍的偏差。因此，必须对相位进行持续跟踪。

噪声获取过程和噪声扣除过程中的相位跟踪均需要使用相位参考通道。相位参考通道是多个采集通道中的一个通道，可以是包含信号的通道，也可以是不包含信号，专门采集噪声的通道。前者可以节省采集通道，或者用于处理现有的没有专用相位参考通道的数据，但在一些特定的情况下(如信号在电源频率附近存在较大功率)可能导致相位跟踪错误。后者则具有更高的可靠性。

包括相位参考通道在内的所有通道供电频率噪声是同步的，因此，同一时刻任意通道的供电频率噪声相位与相位参考通道的供电频率噪声相位相同。换言之，在同一采集环境下，相位参考通道的供电频率噪声相位就是所有通道的供电频率噪声相位。

供电频率噪声功率密度谱中功率位于基频和各次谐波上，其中基频功率占总功率的50％以上。因此通过对相位参考通道数据带通滤波，可以得到近似的正弦波。可以利用正弦波随时间变化曲线的上升沿过零点或下降沿过零点作为相位计算的时间参考点。不失一般性，这里以正弦波随时间变化曲线的上升沿过零点作为每一个周期的相位零点。忽略在一个周期之内的供电频率变化，假定在一个周期之内供电频率是恒定的，则周期时间长度T等于下一个上升沿过零点时刻与当前升沿过零点时刻之差，一个相位零点之后δt时刻数据的相位为计算中可直接使用δt/T代替相位，下文中提及的相位如未特别指明均为δ_t/T，并用符号代替。

相位跟踪步骤如下：

(1)构造抑制直流和供电频率噪声高次谐波频率的带通滤波器：

带通滤波器通带范围应取包含电源频率及其偏差范围的尽可能窄的范围，以使滤波结果尽可能接近正弦。

(2)根据滤波器参数确定滤波延迟t_d：

滤波延迟可以通过一段包含电源频率正弦波滤波前后的对比计算，也可以通过滤波器参数计算。例如，对于长度为M的Kaiser滤波器，其滤波延迟为(M-1)/2个采样点。

(3)使用带通滤波器对相位参考通道进行滤波；

(4)计算每个上升沿过零时刻：

本步骤中可将相位参考通道滤波后数据上升沿过零时刻附近的数据点拟合为时间的函数，上升沿过零时刻是函数值为零时函数的解。最简单的情况下，将上升沿过零时刻前后两个点(t_i,y_i)，(t_i+1,y_i+1)拟合为直线，则第j个上升沿过零时刻为

(5)根据每一个点相对上升沿过零时刻及滤波延迟计算相位：

任意未滤波通道数据第j个周期内的数据点(t_k,y_k)的相位计算公式为

二、噪声获取方法

噪声获取的目的是抑制噪声中的随机噪声部分，保留供电频率噪声部分作为用于扣除采集数据中噪声的参考噪声，最终获得供电频率噪声在不同相位的幅值。

供电频率噪声获取方法基本原理是在相同的相位上通过多个周期的平均抑制随机噪声。

获取噪声的第一步是根据相位参考通道利用第一部分所述相位跟踪方法计算每一个周期的起始点、结束点及每一个采样时刻在周期内的相位。

对每一个通道，噪声获取步骤如下：

(1)参考噪声可视为相位点的周期函数在[0,1)范围内选择相位点的集合：

相位点集合的采样时间间隔可以选择与数据采集的采样间隔相同，也可以小于数据采集的采样间隔，后者有利于在采用低次分段插值法对参考噪声进行插值时提高精度。

(2)在通道的每一个周期上对每一个噪声相位点插值：

插值方法可根据精度需求、计算资源需求选择。其中分段线性插值最为简单，计算量最小，精度也最低，还可选择分段二次、分段三次、三次样条等插值方法。

(3)在每一个噪声相位点对各周期插值结果取平均值；

(4)步骤(3)得到的每一个噪声相位点的数值减去相应通道的直流数值，结果作为相应噪声相位点的参考噪声：

每一个通道的直流数值可以通过对该通道时间足够长(如几秒)的数据取平均得到。如果对于恒定的直流偏差不关心，则可以省去该步骤。

三、噪声扣除方法

噪声扣除是根据采集数据中噪声的相位，减去相应相位参考噪声幅值，最终达到抑制供电频率干扰的目的。

噪声扣除的第一步是根据相位参考通道利用第一部分所述相位跟踪方法计算当前数据点的采样时刻所在周期的起始点、结束点及其在周期内的相位。离线处理时，可直接利用公式(2)计算相位，在线处理时，数据所在周期结束时刻数据尚未采集到，此时可忽略短时间内的供电周期变化，用前一个周期时长作为数据所在周期时长。

对某一通道的每一个数据点，噪声扣除步骤如下：

(1)用相应通道参考噪声函数在该数据点对应相位插值；

(2)该数据点数值减去相应插值结果。

图3给出了采用本发明提出的方法处理前数据波形与处理后数据波形的对比。其中，CHn、CHnF分别表示处理前的数据和处理后的数据，n表示通道序号，取值范围0～3。

图中数据采样频率为5000Hz，供电频率50Hz。在处理过程中，相位跟踪中采用的滤波器为长度2501，通带45Hz～55Hz，窗型参数为4.86的Kaiser带通滤波器。数据上升沿过零点及相位计算采用公式(1)和公式(2)。参考噪声的相位点集由100个等时间间隔相位点组成。噪声获取和噪声扣除中插值方法均采用分段线性插值。

以通道0为例，处理前数据波动范围0.1403，处理后数据波动范围大幅度降低到0.0073，同时由该方法的原理，抑制噪声的过程不会造成真实信号的畸变。

Claims (8)

1.一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：包括如下内容：

一、相位跟踪：

(1)构造抑制直流和供电频率噪声高次谐波频率的带通滤波器；

(2)根据带通滤波器参数确定滤波延迟；

(3)使用带通滤波器对相位参考通道进行滤波；

(4)计算每个上升沿过零时刻；

(5)根据每一个点相对上升沿过零时刻及滤波延迟计算相位；

二、噪声获取：

(1)确定参考噪声的相位点集；

(2)在通道的每一个周期上对每一个噪声相位点插值；

(3)在每一个噪声相位点对各周期插值结果取平均值；

三、噪声扣除：

对某一通道的每一个数据点，用相应通道参考噪声函数在该数据点对应相位插值，然后用该数据点数值减去相应插值结果。

2.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：所述相位参考通道为包含信号的通道或者是专门采集噪声的通道。

3.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：第j个上升沿过零时刻的计算方法为：

$t_{0\_j}=-t_d+t_i+(t_{i+1}-t_i)\·\frac{-y_i}{y_{i+1}-y_i}$

其中：t_d为滤波延迟，(t_i,y_i)，(t_i+1,y_i+1)分别表示上升沿过零时刻前后两个点。

4.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：第j个周期内的数据点(t_k,y_k)的相位计算方法为：

其中：t_{0_j}表示第j个上升沿过零时刻，t_{0_j+1}表示第j+1个上升沿过零时刻。

5.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：参考噪声的相位点集的采样时间间隔小于等于数据采集的采样间隔。

6.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：所述噪声获取和噪声扣除中的插值方法包括分段线性插值方法、分段二次插值方法、分段三次插值方法或三次样条插值方法。

7.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：每一个通道的直流数值通过对该通道时间足够长的数据取平均得到。

8.根据权利要求1所述的一种抑制供电频率干扰的方法，其特征在于：所述噪声获取时，以步骤(3)得到的每一个噪声相位点的数值减去相应通道的直流数值，结果作为相应噪声相位点的参考噪声。