CN109342828A - 一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，涉及电力系统输电线路雷电定位监测技术领域。本发明可提高背景噪声中脉冲信号的检测性能。此方法基于随机噪声能量分布于全频带，而脉冲信号能量集中在有限的频率范围内的特点，利用傅里叶变换获得比时域信噪比更高的局部信噪比来检测淹没于噪声中的脉冲信号。同时针对背景噪声平稳性较差、起伏较大、噪声和干扰强度的变化都将引起虚警概率和检测概率显著变化的特点，在背景估计处理中采用恒虚警(Constant False Alarm Rate,CFAR)处理技术，对背景噪声采取高置信度的自适应估计，从而实现在将虚警概率控制一定条件下，提高脉冲信号的检测性能。

Description

一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法
技术领域
本发明涉及电力系统输电线路雷电定位监测技术领域，具体是一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法。
背景技术
闪电发生过程中，雷云和大地之间存在感应电场，雷云放电时雷电流产生了很高的电磁场，该电磁场作用于传感器上会产生一个脉冲信号，准确的检测出该脉冲信号的时间是雷电定位方法的重点。
目前在雷电探测与研究中常见的一些雷电检测方法主要有，例如：国内的陈成品、郄秀书在其闪电辐射脉冲探测和定位系统中采用组合式触发源，即当闪电触发仪有触发信号输出而且其中一根天线探测到的信号也同时达到预定触发电平时才能触发；张泉在短基线时间差闪电辐射源探测系统中采用分段触发式进行雷电检测与存储；而在SARIF系统中，采用相位干涉仪原理进行闪电定位，在其建子站前对周围环境的背景噪声进行测量，然后测量的所得背景噪声功率的基础上增加，作为雷电检测的门限。由前述的雷电试验装置或定位系统可以看到，这些雷电观测设备主要是采用恒定的门限值进行雷电检测，并没有考虑实际背景噪声的变化对检测结果的影响。
雷电检测的复杂性有三个主要因素，分别为：1)雷电发生过程的起始时间、空间位置以及雷电的持续时间等很多方面具有随机性；2)要实现雷电长期检测，检测环境的背景变化也具有随机性；3)雷电检测时接收机的地理位置也对检测结果具有影响。由于雷电灾害对人的生命与财产有巨大危害，并且将可能涉及多个行业，在长期的雷电监测中需要对雷电进行实时检测，通过对信号的CFAR检测与适应检测的研究可达到提高雷电监测效率，因此该研究工作对信号检测的理论研究和提高人民生活水平以及对国民经济建设都其很深的意义。
目前，脉冲信号检测方法比较多，较为典型的有以下几种：
①滑动平均法：选择一个合适的窗口函数，每次均匀向前滑动，滑动过程中相当于对原始信号进行低通滤波，衰减了较高频的信号，而对单脉冲信号的衰减较小。
②小波变换法：根据脉冲信号的特点选取合适的小波基进行小波变换，根据变换结果计算脉冲信号在各小波基下出现的最大似然概率，然后利用统计检验的方法对脉冲信号检测。
③包络检波法：包络检波法本质是从能量的角度区分脉冲信号和背景噪声，该方法对信噪比要求较高，在低信噪比情况下，该类方法检测率迅速下降。
上述不同方法在脉冲信号检测中具有不同的特点，适用于不同的场合。为了达到更好的闪电电磁信号检测效果，需要在对以上检测方法充分研究的基础上，提出针对闪电电磁信号特点、更有效的脉冲信号检测方法。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提出一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，可提高背景噪声中脉冲信号的检测性能。
为实现上述目的，本发明提出一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，包括如下步骤：
步骤一：对多元全向探测阵列装置接收的数据x(t)进行FFT变换，得到接收数据x(t)的频谱信息；
步骤二：对步骤一得到的频谱数据进行峰值搜索，确定峰值点频率及峰值点数值；
步骤三：提取峰值点位置历史背景数据，估计当次检测判决的背景噪声Z，其中Yfk为峰值数据提取函数，yi为历史背景数据；
步骤四：根据CFAR检测原理得到检测门限TZ，其中T为门限加权系数，T＝(Pfa)-1/N-1，其中Pfa为虚警概率，N为背景估计时参考滑窗的长度，并将峰值数据的模平方与门限值TZ进行比较判决，确定数据x(t)是否包含脉冲信号，若不包含脉冲信号则将该部分数据放入背景数据库；若包含脉冲信号则对该部分数据进一步计算，以得到雷电的发生时间、发生位置以及雷电通道的点源坐标等雷电参数。
进一步的，所述步骤四将峰值数据的模平方与门限值TZ进行比较判决具体为：
其中，H1和H0分别表示频率的上限和下限。
本发明基于随机噪声能量分布于全频带，而脉冲信号能量集中在有限的频率范围内的特点，利用傅里叶变换获得比时域信噪比更高的局部信噪比来检测淹没于噪声中的脉冲信号，同时针对背景噪声平稳性较差、起伏较大、噪声和干扰强度的变化都将引起虚警概率和检测概率显著变化的特点，在背景估计处理中采用恒虚警(Constant False AlarmRate,CFAR)处理技术，对背景噪声采取高置信度的自适应估计，从而实现在将虚警概率控制一定条件下，提高脉冲信号的检测性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、对背景噪声采取高置信度的自适应估计，从而实现在将虚警概率控制一定条件下，提高脉冲信号的检测性能；
2、有效提高雷电监测效率和精度，监测效率达到90％，精度达到50～200m；
3、该方法对信号检测的理论研究、提高人民生活水平、国民经济建设具有重要意义。
附图说明
图1为本发明在雷电监测中脉冲信号检测示意图；
图2为本发明基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法的流程示意图；
图3为频点fk处不同批次数据的统计分布；
图4(a)为本方法探测的雷电电磁信号的原始信号时域波形图，图4(b)为信号频率分布图，图4(c)为信号频谱分布图，图4(d)为雷电定位系统定位结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明涉及电力系统输电线路雷电定位监测技术领域，具体涉及雷电脉冲信号检测方法，见图1雷电脉冲信号检测示意图，雷电定位监测系统包括可全方位地探测雷电信号的多元全向探测阵列装置(由多个传感器组成立体阵列)以及数据采集装置。其中，多元全向探测阵列装置实现对雷电脉冲信号的探测及定位，数据采集装置由高性能ARM处理器、模/数转换模块、电源控制模块、音频功率放大模块等单元组成，实现对多元全向探测阵列输出信号的实时同步采集，并在本地实现对包含背景噪声的雷电脉冲信号的调理和分析处理。处理后的数据通过高速网络接口将数据实时传送到监控中心进行存储和分析计算。
闪电发生过程中，雷云和大地之间存在感应电场，雷云放电时雷电流产生了很高的电磁场，该电磁场作用于传感器上会产生一个脉冲信号，准确的在扰动的背景噪声中检测出脉冲信号是雷电定位方法的重点。
本发明对于雷电脉冲信号的检测是在频域检测中引入恒虚警处理方法，利用测试单元的临近单元来估计背景噪声的统计特征，从而实现根据背景噪声的起伏自适应地调整检测阈值来提高脉冲信号的检测性能。
通常被动多元全向探测阵列接收的空间背景噪声经过限带以后可被视为限带高斯白噪声，其不同批次噪声数据经傅里叶变换(FFT)后，同一频点fk处的模值Yfk(y)可以认为服从瑞利分布，如图3所示，其概率密度函数表达式如下：
其中，σ2为背景噪声的平均功率。
由前人研究可知，服从瑞利分布的模值Yfk(y)取平方后的数据服从指数分布，其概率密度函数表达式为
其中，η为背景噪声的平均功率。
若噪声的变换值服从指数分布，脉冲信号CFAR检测的检测门限可以通过指数分布来确定。那些低于CFAR门限的点被认为是背景噪声，而其他所有高于CFAR门限的点被认为是信号加上背景噪声。频域恒虚警检测可以描述如下：
其中，H1和H0分别表示频率的上限和下限。
其中：Z为估计的背景噪声；T为门限加权系数。两者的估算方法如下面两式所示，其中N为背景估计时参考滑窗的长度；Pfa为虚警概率。
T＝(Pfa)-1/N-1
其中Yfk为峰值数据提取函数，yi为历史背景数据；
本发明基于随机噪声能量分布于全频带，而脉冲信号能量集中在有限的频率范围内的特点，在背景估计处理中采用恒虚警(Constant False Alarm Rate,CFAR)处理技术，对背景噪声采取高置信度的自适应估计，从而实现在将虚警概率控制一定条件下，提高脉冲信号的检测性能。
如图2所示，本发明提出一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，包括如下步骤：
步骤一：对多元全向探测阵列装置接收的数据x(t)进行FFT变换，得到接收数据x(t)的频谱信息；
步骤二：对步骤一得到的频谱数据进行峰值搜索，确定峰值点频率及峰值点数值；
步骤三：提取峰值点位置历史背景数据，估计当次检测判决的背景噪声Z；
步骤四：根据CFAR检测原理得到检测门限TZ，其中T为门限加权系数，T＝(Pfa)-1/N-1，其中Pfa为虚警概率，N为背景估计时参考滑窗的长度，并将峰值数据的模平方与门限值TZ进行比较判决，确定数据x(t)是否包含脉冲信号，若不包含脉冲信号则将该部分数据放入背景数据库；若包含脉冲信号则对该部分数据进一步计算，以得到雷电的发生时间、发生位置以及雷电通道的点源坐标等雷电参数。
图4是配网雷电监测装置监测基于本方法探测的雷电电磁信号，并确定了雷电发生的位置。图4(a)为该次过程的原始信号时域分布图，分析该次过程的频谱特征，可以看出主要能量集中于几百赫兹，如图4(b)和图4(c)所示。
由图4(c)可看出，在2s的位置，配网雷电监测装置探测到多次雷电电磁信号，在11-13s的位置有约持续2s的雷电声波信号，可以估测出雷电发生位置距离观测点约为3842m。同时，配网雷电监测装置监测到3个电磁信号时间点，表明该次闪电过程共有3次回击。由雷电定位系统结果表明，该次过程包含1次主放电和2次后续回击。
通过查询该次过程发生于2018年7月16日18:30:29.875，雷电定位系统和配网雷电监测装置同时定位出了该次过程，雷电定位系统定位结果距离观测点4882m，配网雷电监测装置距离观测点3842m，定位距离相差1040m。由定位结果图4(d)可以看出，雷电定位系统定位结果位于观测点西偏南的位置，配网雷电监测装置的结果接近于正南位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：对多元全向探测阵列装置接收的雷电脉冲信号数据x(t)进行FFT变换，得到接收数据x(t)的频谱信息；
步骤二：对步骤一得到的频谱数据进行峰值搜索，确定峰值点频率及峰值点数值；
步骤三：提取峰值点位置历史背景数据，估计当次检测判决的背景噪声Z，其中Yfk为峰值数据提取函数，yi为历史背景数据；
步骤四：根据CFAR检测原理得到检测门限TZ，其中T为门限加权系数，T＝(Pfa)-1/N-1，其中Pfa为虚警概率，N为背景估计时参考滑窗的长度，并将峰值数据的模平方Y2 fk与门限值TZ进行比较判决，确定数据x(t)是否包含脉冲信号，若不包含脉冲信号则将该部分数据放入背景数据库；若包含脉冲信号则对该部分数据进一步计算，以得到雷电的发生时间、发生位置以及雷电通道的点源坐标等雷电参数。
2.如权利要求1所述的基于频域恒虚警的雷电脉冲信号检测方法，其特征在于：所述步骤四将峰值数据的模平方Y2 fk与门限值TZ进行比较判决具体为：
其中，H1和H0分别表示频率的上限和下限。
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