CN113359188A - 一种用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地下电缆识别技术领域，公开了一种用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法，所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法包括：信号发射端融合波形发生与脉宽调制技术、D类功放以及最新开关电源技术输出大功率双频调制信号；信号接收端通过特殊设计罗氏线圈、罗氏线圈复合式积分器、贝塞尔带通滤波器对信号进行提取和滤波放大；数字信号处理系统板对双频调制信号采集，并采用同步累积与小波阈值去噪相结合算法去噪处理；使用分裂基FFT优化算法计算信号幅值与相位，采用相位识别技术判断双频调制信号相位极性。本发明能够发射大功率双频调制信号，精准提取及还原信号波形，快速计算双频调制信号波形信息，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明属于地下电缆识别技术领域，尤其涉及一种用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法。
背景技术
目前，近年来，国家在基础设施建设方面力度逐年加大及道路、铁路、桥梁、地铁等项目的快速推进，城市电力迁改工程、电缆故障检修也逐年增多，电缆识别是首要也是风险最大的环节。地下电缆经常是多条电缆并列或交叉缠绕敷设在一个电缆沟内，如何从多根正在运行的并列电缆中准确识别出目标电缆，是在电力电缆工作中经常遇到的问题。为了提高检修效率、减少不必要的经济损失、避免出现由于识别错误而造成的的各种电力故障以及人员伤亡等严重事故。必须保证电缆识别的准确性、高效性和安全性。
应用于地下电缆识别领域的的技术主要分为三类，第一类是使用字符识别技术对传统电缆的编码字符进行自动识别；第二类是在电缆外绝缘层贴上特定标签，将现代物联网中的电子识别技术应用于电缆识别；第三类是根据电磁感应法实现电缆动态识别。三种技术各有优劣，分别适用于不同场合。
电缆字符自动识别技术适用于针对较新的电缆进行日常巡检，对于使用年限已久的地下电缆则无法识别。将物联网电子标签通信技术应用于电缆识别领域，使用电子标签技术识别电缆需要将电子标签在新电缆投入使用前安装，但长期使用后也存在标签脱落的问题。
电缆字符识别与电子标签识别都只能在固定位置识别电缆，特别适合电缆日常巡检，但对于电缆的检修故障则具有较大局限性。基于电磁感应原理的技术可以实现对目标电缆的动态识别，适合地下复杂的带电运行环境以及使用年限已久的电缆识别，弥补上述技术的不足。根据信号的不同，常见的电缆识别方法主要有脉冲极性法、音频感应法以及GPS电磁同步法。
脉冲极性法采用信号发生器与授时装置同步的方式对目标电缆接地回路近端施加单极性高压脉冲电流信号，采用信号接收装置在电缆远端接收变化的磁场信号，计算接收信号峰值和时间信号之间的时间差，根据脉冲磁场相反的初始极性来识别目标电缆。脉冲极性法能够适应电缆布置环境复杂的场景，但输出脉冲电流较大，操作具有一定危险性。
音频感应法是通过夹钳耦合的方式将音频信号注入到电缆铠装层中，信号在电缆末端的周围产生与源信号同频的交变磁场。该交变磁场会在相邻电缆铠装层中产生同频感生电流，检测不同电缆的信号电流值根据该电流强度可检测到目标电缆并与非目标电缆区分开来。音频感应法操作简便，使用安全，但由于不具有相位特性而导致测量精度不高。
GPS电磁同步法是在音频感应法的基础上加上GPS同步授时功能，通过GPS秒脉冲PPS启动接收端音频信号的AD转换，用于不同电缆相位的识别。由于两端需要实时接收GPS卫星输出的同步脉冲信号，在信号不稳定时容易出现误判。接收和处理时间较长，操作不够方便。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术采用高压脉冲极性法的仪器操作具有一定危险性，而采用传统音频感应法的仪器由于识别方式单一导致检测精度较低，其他类仪器普遍具有发射功率小、识别精度低，抗干扰性弱，系统性能不稳定以及响应速度慢等不足。
本发明设计的用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法主要难度是如何使得信号在电缆中传输距离尽可能远；如何恢复微弱双频调制信号波形，并保证信号相位不失真；如何大幅提高信噪比以及加快系统响应速度。
解决以上问题及缺陷的意义为是增大信号发射端功率，提高识别精度，增强抗干扰性，提升系统整体性能，提高检测精度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法。
本发明是这样实现的，一种用于提高检测精度的地下电缆识别方法，所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，包括：
步骤一，信号发射端融合波形发生与脉宽调制技术、D类功放以及最新开关电源技术输出大功率双频调制信号，增加信号在电缆中传输距离；
步骤二，信号接收端通过特殊设计罗氏线圈、罗氏线圈复合式积分器、贝塞尔带通滤波器对信号进行提取和滤波放大，恢复微弱双频调制信号波形，提高了信噪比，保证了信号相位不产生失真；
步骤三，数字信号处理系统板对双频调制信号采集，并采用同步累积与小波阈值去噪相结合算法进行去噪处理，大幅提高信号信噪比，降低相位误差；
步骤四，使用针对指定频率的分裂基FFT优化算法计算信号幅值与相位，采用相位识别技术判断双频调制信号相位极性，降低算法复杂度，加快系统响应时间。
进一步，所述步骤二中，信号接收端执行方法，包括：
使用特制罗氏线圈采集电缆中微弱磁场信号，经过复合罗氏线圈积分器与贝塞尔带通滤波器提取双频调制信号；
内部16位ADC采集经过模拟电路处理后的信号，对DMA传输的数据执行同步累积算法，判断同步累积计数是否到达设定值，到达设定值则进行小波阈值去噪算法处理；
再经过指定频率信号的分裂基FFT优化算法求双频信号幅值与相位，根据幅值与相位判断依据可得出是否是目标电缆，并在LCD显示；
当出现按键短按时，将同步累积计数清0，重新开启同步累积，出现按键长按时，则标定目标电缆与罗氏线圈的当前位置作为测试正方向。
进一步，所述步骤二中，罗氏线圈内部采用自积分方式提取高频信号，再接外部积分器提取中低频信号；积分器为自积分与外积分复合式积分器，完整还原双频调制信号。
进一步，所述复合式积分器传递函数为：
式中，M＝39nH，高频自积分频段为41kHz～2.8MHz，低频有源积分器工作频段为0.5Hz～41kHz，复合积分器工作频段为0.5Hz～2.8MHz。
进一步，所述步骤三中，数字信号处理系统板通过内部16位高精度ADC对双频调制信号进行AD转换，经过同步累积与小波阈值去噪结合算法提高信号信噪比，再由对指定频率信号的分裂基FFT优化算法得出双频信号幅值与相位，根据相位极性识别判据确定目标电缆；
所述同步累积与小波阈值去噪结合算法分析如下：
设高斯分布零均值白噪声nij的均方根值为σn，则对于单次取样xij＝sj+nij，平均处理之前的信噪比为SNRi＝sj/σn，因为sj是确知信号，N次累加后幅度会增加N倍，而噪声nij的幅度是随机的，累加的过程不会是简单的幅度相加，只能从其统计量的角度来考虑。由于不同时刻的噪声采样值互不相关，乘积的均值为0，则有
累加后输出信号信噪比为
则累积后信噪改善比为：
同步累积对周期信号进行处理时，采样间隔时间为信号周期的整数倍；同步累积后再进行小波阈值去噪以恢复原始双频调制信号波形，小波阈值去噪选择软阈值和启发式阈值，小波基选择sym8，并根据第一层小波分解的噪声水平估计进行调整，分解层数设置为4。
进一步，所述步骤四中，对指定频率信号的分裂基FFT优化方法，分析如下：
输入信号频率f,采样率fs，信号序列x(n)，数据点数N；
对x(n)码位倒置得出X(n)序列，并确定f的输出在X(n)中的位置X(S)；
判断X(S)是否属于序列前四项，若属于则执行基2算法，若不属于则确定S所在组及位于该组中的项数；
倒推出M级参与运算的所有组和项数，执行基2或基4算法，最后输出X(S)。
进一步，所述步骤四中，双频调制信号相位极性识别判据如下：
正相时识别判据：
反相时识别判据：
上式中
表示800Hz信号初相位，
表示1200Hz信号初相位，[X]360°表示X取值在0～360°之间，否则对X加上或减去360°的整数倍。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法的用于提高检测精度的地下电缆识别系统，所述用于提高检测精度的地下电缆识别系统包括：
电流钳式传感器、地下电缆、罗氏线圈、信号发生与调制模块、功放模块、信号检测模块、数字信号处理模块；
信号发射端由信号生成与调制模块、功放模块组成；
信号接收端由信号检测模块、数字信号处理模块组成；
信号发生与调制模块，由微控制器、可编程波形发生器、反相加法器、高速比较器、数字电位器组成，用于生成双频调制信号进而调制出可变占空比PWM信号；
功放模块，由MOSFET控制器及其外围电路、音频驱动器、驱动电路、LC滤波电路组成，用于对信号生成与调制模块输出的可变占空比PWM信号进行功率放大，再还原双频调制信号波形，将DC24V转为DC±40V，直接为功放模块的后级OCL电路供电；
信号检测模块，由罗氏线圈及其外部积分电路、贝塞尔带通滤波电路组成，用于提取微弱的双频调制信号，并进行滤波放大；
数字信号处理模块，由数字信号处理系统板及外围电路、信号处理算法组成，用于对双频调制信号进行AD转换，信噪比改善以及相位识别；
信号发生与调制模块与功放模块连接，功放模块与电流钳式传感器连接，电流钳式传感器与地下电缆连接；数字信号处理模块与信号检测模块连接，数字信号处理模块与罗氏线圈连接，罗氏线圈与地下电缆连接。
进一步，所述微控制器输出波形参数控制可编程波形发生器分别产生两路正弦波和一路方波，正弦波频率分别为800Hz与1200Hz，方波频率为20kHz，设置两路正弦波相位分别为0°和180°时，经过加法器输出的双频调制信号相位极性分别为正相与反相，双频调制信号与方波信号通过高速比较器调制出可变占空比PWM波，微控制器控制数字电位器调节双频调制信号波形幅值，进而改变输出PWM信号的占空比，最终调节D类功放输出双频调制信号功率大小；
音频驱动器IRS20957S控制可变占空比PWM信号驱动后级OCL电路中MOSFET的通断，从而得到功率放大后的PWM信号，再经过LC滤波还原出大功率双频调制信号波形；所述的MOSFET控制器LM5022通过分别检测BOOST与CUK变换器电路输出的电流以及电压从而控制开关管的通断，最终实现24V转±40V。
进一步，所述DC24V转DC40V电路为：L1,D1,T1,C8构成BOOST变换器基本电路结构，VF1是40V输出端，LM5022通过检测由R9和R10组成的反馈回路电压以及R5,R6,R7,C4组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管S通断，从而使输出电压的稳定；
DC24V转DC-40V电路为：M1,D1,T1,C1,C2构成CUK变换器基本电路结构，VF1是-40V输出端，由运放U1及其外围器件R1,R3,C4,R2,R4组成的负反馈电路将-40V分压至1.25V再接入FB引脚，LM5022通过检测FB引脚电压以及R5,R6,C5组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管T1通断，从而使输出电压的稳定。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中生成双频调制信号，设计了DC24V转DC±40V电源电路，供给D类功放后级OCL电路，实现了大功率双频调制信号输出。本发明设计了高测量精度的罗氏线圈，以及贝塞尔带通滤波电路，保证了双频调制信号在提取、滤波以及放大过程中的群延迟相等，采用同步累积与小波阈值去噪结合算法大幅提高信噪比并恢复原信号波形，利用针对指定频率信号的分裂基FFT优化算法加快了系统响应速度，总体提高了电缆识别的检测精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于提高检测精度的地下电缆识别系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的用于提高检测精度的地下电缆识别方法流程图。
图3是本发明实施例提供的信号生成与调制模块框图。
图4是本发明实施例提供的DC24V转40V电路设计图。
图5是本发明实施例提供的DC24V转-40V电路设计图。
图6是本发明实施例提供的罗氏线圈复合积分器波特图。
图7是本发明实施例提供的指定频率信号的分裂基FFT优化算法流程图。
图8是本发明实施例提供的信号接收端软件流程图。
图9是本发明实施例提供的原双频调制信号与带噪信号波形图。
图10是本发明实施例提供的同步累积1000次后信号波形与再进行小波去噪后信号波形图。
图中：1、电流钳式传感器；2、地下电缆；3、罗氏线圈；4、信号发生与调制模块；5、功放模块；6、信号检测模块；7、数字信号处理模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于提高检测精度的地下电缆识别系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供的用于提高检测精度的地下电缆识别系统业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的用于提高检测精度的地下电缆识别系统仅仅是一个具体实施例而已。
如图1所示，本发明实施例提供的用于提高检测精度的地下电缆识别系统包括：电流钳式传感器1、地下电缆2、罗氏线圈3、信号发生与调制模块4、功放模块5、信号检测模块6、数字信号处理模块7。
信号发射端由信号生成与调制模块1、功放模块2组成；
信号接收端由信号检测模块3、数字信号处理模块4组成；
信号发生与调制模块4，由微控制器、可编程波形发生器、反相加法器、高速比较器、数字电位器组成，用于生成双频调制信号进而调制出可变占空比PWM信号；
功放模块5，由MOSFET控制器及其外围电路、音频驱动器、驱动电路、LC滤波电路组成，用于对信号生成与调制模块输出的可变占空比PWM信号进行功率放大，再还原双频调制信号波形，将DC24V转为DC±40V，直接为功放模块的后级OCL电路供电；
信号检测模块6，由罗氏线圈及其外部积分电路、贝塞尔带通滤波电路组成，用于提取微弱的双频调制信号，并进行滤波放大；
数字信号处理模块7，由数字信号处理系统板及外围电路、信号处理算法组成，用于对双频调制信号进行AD转换，信噪比改善以及相位识别。
信号发生与调制模块4与功放模块5连接，功放模块5与电流钳式传感器1连接，电流钳式传感器1与地下电缆2连接；数字信号处理模块7与信号检测模块6连接，数字信号处理模块7与罗氏线圈3连接，罗氏线圈3与地下电缆2连接。
如图2所示，本发明实施例提供的用于提高检测精度的地下电缆识别方法，包括：
S101：信号发射端融合波形发生与脉宽调制技术、D类功放以及最新开关电源技术输出大功率双频调制信号；
S102：信号接收端通过特殊设计罗氏线圈、罗氏线圈复合式积分器、贝塞尔带通滤波器对信号进行提取和滤波放大；
S103：数字信号处理系统板对双频调制信号采集，并采用同步累积与小波阈值去噪相结合算法进行去噪处理；
S104：使用针对指定频率的分裂基FFT优化算法计算信号幅值与相位，采用相位识别技术判断双频调制信号相位极性。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明实施例提供的微控制器输出波形参数控制可编程波形发生器分别产生两路正弦波和一路方波，正弦波频率分别为800Hz与1200Hz，方波频率为20kHz，设置两路正弦波相位分别为0°和180°时，经过加法器输出的双频调制信号相位极性分别为正相与反相，双频调制信号与方波信号通过高速比较器调制出可变占空比PWM波，微控制器控制数字电位器调节双频调制信号波形幅值，进而改变输出PWM信号的占空比，最终调节D类功放输出双频调制信号功率大小。
音频驱动器IRS20957S控制可变占空比PWM信号驱动后级OCL电路中MOSFET的通断，从而得到功率放大后的PWM信号，再经过LC滤波还原出大功率双频调制信号波形。所述的MOSFET控制器LM5022通过分别检测BOOST与CUK变换器电路输出的电流以及电压从而控制开关管的通断，最终实现24V转±40V，输出稳定的电压及功率。
如图4所示，本发明实施例提供的DC24V转DC40V电路，其中L1,D1,T1,C8构成BOOST变换器基本电路结构，VF1是40V输出端，LM5022通过检测由R9和R10组成的反馈回路电压以及R5,R6,R7,C4组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管S通断，从而保证输出电压的稳定。该24V转40V电路设计需满足最大输出电流为500mA，综上考虑得出电路主要参数取值为：
C1＝33μF，L1＝33μH，C8＝2μF，R1＝10k，R2＝866Ω，R3＝44.2k。
如图5所示，本发明实施例提供DC24V转DC-40V电路。其中M1,D1,T1,C1,C2构成CUK变换器基本电路结构，VF1是-40V输出端，由运放U1及其外围器件R1,R3,C4,R2,R4组成的负反馈电路将-40V分压至1.25V再接入FB引脚，LM5022通过检测FB引脚电压以及R5,R6,C5组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管T1通断，从而保证输出电压的稳定。该24V转-40V电路设计需满足最大输出电流为500mA，设计电路主要参数取值如下：
L1＝47μH，C1＝14μF，C2＝220μF，C3＝220μF，R1＝115k，R2＝4.99k，R3＝10k，
R4＝2.8k，R5＝150mΩ，R6＝49.9k，R8＝84.5k，R9＝118k，R10＝10k。
罗氏线圈内部采用自积分方式提取高频信号，再接外部积分器提取中低频信号，本发明设计一种自积分与外积分复合式积分器，可完整还原双频调制信号，且保证原信号在经过罗氏线圈提取后不产生相位延迟。
该复合积分器传递函数为：
式中，M＝39nH，高频自积分频段为41kHz～2.8MHz，低频有源积分器工作频段为0.5Hz～41kHz，因此该复合积分器工作频段为0.5Hz～2.8MHz，图6为该罗氏线圈复合积分器波特图，可看出位于500Hz～500kHz频段内信号的幅值衰减相同，相位不存在延迟，故该罗氏线圈复合积分器的设计满足电缆识别系统对于双频调制信号的检测要求。
数字信号处理系统板通过内部16位高精度ADC对双频调制信号进行AD转换，经过同步累积与小波阈值去噪结合算法提高信号信噪比，再由对指定频率信号的分裂基FFT优化算法得出双频信号幅值与相位，根据相位极性识别判据确定目标电缆。
同步累积与小波阈值去噪结合算法分析如下：
设高斯分布零均值白噪声nij的均方根值为σn，则对于单次取样xij＝sj+nij，平均处理之前的信噪比为SNRi＝sj/σn，因为sj是确知信号，N次累加后幅度会增加N倍，而噪声nij的幅度是随机的，累加的过程不会是简单的幅度相加，只能从其统计量的角度来考虑。由于不同时刻的噪声采样值互不相关，乘积的均值为0，则有
累加后输出信号信噪比为
则累积后信噪改善比为：
上式表明，当污染噪声为高斯分布白噪声时，N次不同时刻取样值的累积平均可使信噪比改善
倍。
同步累积对周期信号进行处理时，必须保证采样间隔时间为信号周期的整数倍，因此同步次数越多需要的时间越长，而且对于有色噪声信噪比改善程度有限，因此同步累积后再进行小波阈值去噪以恢复原始双频调制信号波形。小波去噪选择软阈值和启发式阈值(heursure)，小波基选择sym8，并根据第一层小波分解的噪声水平估计进行调整，分解层数设置为4。
针对指定频率信号的分裂基FFT优化算法分析过程如下：
在使用传统FFT算法求指定频率信号幅值与相位时，通常是将信号按频域进行展开，会得到除指定信号以外其他信号的运算结果。针对指定频率的信号，当采样频率设置为不同值时，在FFT结果中对应不同序列号。本发明采用目前针对N＝2M中具有最少乘法和加法次数的分裂基算法，即对于不同输出序列号采用基2或基2/基4算法，并只研究指定频率对应输出序列号的优化算法，极大减少算法运算量。
对于FFT结果前四个满足0,2M-1,2M-2,2M-1+2M-2的点使用基2算法，记为情况一；对于偶序列中剩下的N/2-4个点使用基2/基4算法，记为情况二。对奇数序列由于FFT结果的对称性，可转化为偶序列求解。
对于情况一，使用基2算法偶、奇序列输出分别可表示为：
以N＝16为例，设待求频率信号为X(4)，根据上式有：
m＝0 a(n)＝x(n)+x(n+8) n＝0,1,…,7
m＝1 b(n)＝a(n)+a(n+4) n＝0,1,2,3
m＝2 
n＝0,1
m＝3 X(4)＝c0-jc1
对于情况二，对偶序号输出项用基2算法：
对奇序号输出项用基4算法：
上式中，
以N＝16例(若N不为4的倍数，则最后一级为基4运算)，设待求频率信号为X(10)，根据上式有：
m＝0 e(n)＝x(n)+x(n+8) n＝0,1,…,7
m＝1 
n＝0,1
m＝2 X(10)＝f(0)-f(1)
针对指定频率信号的分裂基FFT优化算法分析如下：
第m级的组数是N/2m+1，项数是根据前级的算法确定，基2算法的输出为2项，基4算法的输出为4项，据此可得单一频率对应的X(S)的所在组和项，根据分裂基算法信号流图可看出，X(N)中的3、4组共4项是由基2算法得到，5、6、7、8组共8项是由基4算法得到，再往后16项由基2算法得到，直到N/2项为止，基2算法往前推一级，基4算法往前推两级，并更新组数和项数，若组数不为1，则使用基4算法，项数用来确定使用对应算法的哪一项公式，若组数为1，则往前全部使用基2算法的偶次项公式，由此便倒推出求单一频率FFT时，精简后的分裂基算法运算流程如图7所示，算法步骤如下：
步骤一，输入信号频率f,采样率fs，信号序列x(n)，数据点数N；
步骤二，对x(n)码位倒置得出X(n)序列，并确定f的输出在X(n)中的位置X(S)；
步骤三，判断X(S)是否属于序列前四项，若属于则执行基2算法，若不属于则确定S所在组及位于该组中的项数；
步骤四，倒推出M级参与运算的所有组和项数，执行基2或基4算法，最后输出X(S)。
电缆识别系统使用的双频调制信号频率为f1＝800Hz和f2＝1200Hz，设fs＝12800，N＝64，则对应：
两者都不属于X(N)中的前四项，首先分析X(4)，经过第5级的运算后位于第5组第一项，故前两级使用基4算法第一项公式，可推出第3级的运算位于中第二组第1项，组数不为1，前两级再次使用基4算法第一项公式，到第1级运算后位于中第一组第1项，则前两级各使用一次基2算法的偶次项公式即可。接着分析X(6)，经过第5级的运算后位于第12组第二项，故前一级使用基2算法的奇次项公式，可推出第4级的运算后位于第6组第二项，对于偶数组第二项的前两级使用基4算法的第四项公式，再次推出第2级运算后位于第2组第一项，对于偶数组的第一项的前两级使用一次基4算法的第三项公式，再往前推只剩第0级，使用一次基2算法偶次项公式即可。由此分别倒推出求X(4)和X(6)的算法运算流程。X(4)和X(6)是两个复数，通过实部与虚部可分别计算出f1与f2的幅值与相位。
所述双频调制信号相位极性识别判据如下：
正相时识别判据(两式满足其中之一即可)：
反相时识别判据(两式满足其中之一即可)：
上式中
表示800Hz信号初相位，
表示1200Hz信号初相位，[X]360°表示X取值在0～360°之间，否则对X加上或减去360°的整数倍。
如图8所示，本发明实施例提供的信号接收端软件总体流程，具体执行步骤如下：
步骤一，使用特制罗氏线圈采集电缆中微弱磁场信号，经过复合罗氏线圈积分器与贝塞尔带通滤波器提取双频调制信号；
步骤二，内部16位ADC采集经过模拟电路处理后的信号，对DMA传输的数据执行同步累积算法，判断同步累积计数是否到达设定值，到达设定值则进行小波阈值去噪算法处理；
步骤三，再经过指定频率信号的分裂基FFT优化算法求双频信号幅值与相位，根据幅值与相位判断依据可得出是否是目标电缆，并在LCD显示；
步骤四，当出现按键短按时，将同步累积计数清0，重新开启同步累积，出现按键长按时，则标定目标电缆与罗氏线圈的当前位置作为测试正方向。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
在MATLAB中，建立800Hz和1200Hz的双频调制信号，其中800Hz信号的初相为90°，1200Hz信号的初相为135°，混入信噪比为-20dB的高斯白噪声，原信号与带噪信号波形如图9所示，同步累积1000次后和再进行小波阈值去噪的波形如图10所示。
图10可见同步累积次数达到1000次信噪比有明显改善，再经小波去噪后基本恢复了原信号波形。再对带噪信号同步累积前与累积1000次后以及小波去噪后分别进行FFT变换，得到800Hz的幅值与相位(1200Hz与800Hz误差相近)，结果分别如表1、表2和表3所示。
表1同步累积前FFT结果
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 幅值 | 1.34 | 1.47 | 0.90 | 1.29 | 1.74 | 0.57 | 0.51 | 2.04 | 1.82 |
| 相位 | 70.0° | 99.6° | 62.0° | 79.9° | 63.3° | 105.7° | 57.3° | 140.0° | 74.0° |
表2同步累积1000次后FFT结果
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 幅值 | 0.89 | 1.14 | 1.17 | 1.09 | 0.91 | 0.88 | 0.93 | 1.07 | 1.12 |
| 相位 | 96.3° | 83.4° | 95.5° | 95.3° | 84.2° | 93.0° | 85.6° | 87.6° | 91.2° |
表3小波去噪后FFT结果
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 幅值 | 0.98 | 1.01 | 1.00 | 1.02 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 1.00 | 1.02 |
| 相位 | 89.4° | 90.2° | 90.5° | 91.2° | 89.7° | 90.9° | 89.1° | 90.3° | 90.1° |
由于噪声较强，直接对信号进行FFT得到的幅值、相位和原信号偏差较大误差接近50％，经过1000次累积后FFT结果误差在8％以内，再经过小波去噪后FFT结果误差在2％以内。可见，同步累积与小波去噪相结合的算法对于带噪信号信噪比有明显改善。
样机实验条件为室外两根150m长的三芯带铠装地下电缆，表4和表5分别为目标电缆与非目标电缆的检测数据。分别统计了当同步累积次数从10到1000再经过小波阈值去噪后FFT运算得到的双频调制信号幅值与相位的结果。
表4目标电缆检测数据
表5非目标电缆检测数据
表4可以看出，
基本在-23.7～11.8°以及182.9～200.9°之间，且随着同步累积次数增加，不断趋近于0或180°，根据相位识别判据可判断出双频调制信号相位为正相。表5可以看出，
的值基本在74.3°～100.1°和247.6°～276.3°之间，且随着同步累积次数增加，不断趋近于90°或270°，根据相位识别判据可判断出双频调制信号相位为反相。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法包括
信号发射端融合波形发生与脉宽调制技术、D类功放以及最新开关电源技术输出大功率双频调制信号；
信号接收端通过特殊设计罗氏线圈、罗氏线圈复合式积分器、贝塞尔带通滤波器对信号进行提取和滤波放大；
数字信号处理系统板对双频调制信号采集，并采用同步累积与小波阈值去噪相结合算法进行去噪处理；
使用针对指定频率的分裂基FFT优化算法计算信号幅值与相位，采用相位识别技术判断双频调制信号相位极性。
2.如权利要求1所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，信号接收端执行方法，包括：
使用特制罗氏线圈采集电缆中微弱磁场信号，经过复合罗氏线圈积分器与贝塞尔带通滤波器提取双频调制信号；
内部16位ADC采集经过模拟电路处理后的信号，对DMA传输的数据执行同步累积算法，判断同步累积计数是否到达设定值，到达设定值则进行小波阈值去噪算法处理；
再经过指定频率信号的分裂基FFT优化算法求双频信号幅值与相位，根据幅值与相位判断依据可得出是否是目标电缆，并在LCD显示；
当出现按键短按时，将同步累积计数清0，重新开启同步累积，出现按键长按时，则标定目标电缆与罗氏线圈的当前位置作为测试正方向。
3.如权利要求1所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，罗氏线圈内部采用自积分方式提取高频信号，再接外部积分器提取中低频信号；积分器为自积分与外积分复合式积分器，完整还原双频调制信号。
4.如权利要求3所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，所述复合式积分器传递函数为：
式中，M＝39nH，高频自积分频段为41kHz～2.8MHz，低频有源积分器工作频段为0.5Hz～41kHz，复合积分器工作频段为0.5Hz～2.8MHz。
5.如权利要求1所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，数字信号处理系统板通过内部16位高精度ADC对双频调制信号进行AD转换，经过同步累积与小波阈值去噪结合算法提高信号信噪比，再由对指定频率信号的分裂基FFT优化算法得出双频信号幅值与相位，根据相位极性识别判据确定目标电缆；
所述同步累积与小波阈值去噪结合分析如下：设高斯分布零均值白噪声nij的均方根值为σn，则对于单次取样xij＝sj+nij，平均处理之前的信噪比为SNRi＝sj/σn，因为sj是确知信号，N次累加后幅度会增加N倍，而噪声nij的幅度是随机的，累加的过程不会是简单的幅度相加，只能从其统计量的角度来考虑；由于不同时刻的噪声采样值互不相关，乘积的均值为0，则有
累加后输出信号信噪比为
则累积后信噪改善比为：
同步累积对周期信号进行处理时，采样间隔时间为信号周期的整数倍；同步累积后再进行小波阈值去噪以恢复原始双频调制信号波形，小波阈值去噪选择软阈值和启发式阈值，小波基选择sym8，并根据第一层小波分解的噪声水平估计进行调整，分解层数设置为4。
6.如权利要求1所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，对指定频率信号的分裂基FFT优化方法，分析如下：
输入信号频率f,采样率fs，信号序列x(n)，数据点数N；
对x(n)码位倒置得出X(n)序列，并确定f的输出在X(n)中的位置X(S)；
判断X(S)是否属于序列前四项，若属于则执行基2算法，若不属于则确定S所在组及位于该组中的项数；
倒推出M级参与运算的所有组和项数，执行基2或基4算法，最后输出X(S)。
7.如权利要求1所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法，其特征在于，双频调制信号相位极性识别判据如下：
正相时识别判据：
反相时识别判据：
上式中
表示800Hz信号初相位，
表示1200Hz信号初相位，[X]360°表示X取值在0～360°之间，否则对X加上或减去360°的整数倍。
8.一种实施如权利要求1～7任意一项所述用于提高检测精度的地下电缆识别方法的用于提高检测精度的地下电缆识别系统，其特征在于，所述用于提高检测精度的地下电缆识别系统包括：
电流钳式传感器、地下电缆、罗氏线圈、信号发生与调制模块、功放模块、信号检测模块、数字信号处理模块；
信号发射端由信号生成与调制模块、功放模块组成；
信号接收端由信号检测模块、数字信号处理模块组成；
信号发生与调制模块，由微控制器、可编程波形发生器、反相加法器、高速比较器、数字电位器组成，用于生成双频调制信号进而调制出可变占空比PWM信号；
功放模块，由MOSFET控制器及其外围电路、音频驱动器、驱动电路、LC滤波电路组成，用于对信号生成与调制模块输出的可变占空比PWM信号进行功率放大，再还原双频调制信号波形，将DC24V转为DC±40V，直接为功放模块的后级OCL电路供电；
信号检测模块，由罗氏线圈及其外部积分电路、贝塞尔带通滤波电路组成，用于提取微弱的双频调制信号，并进行滤波放大；
数字信号处理模块，由数字信号处理系统板及外围电路、信号处理算法组成，用于对双频调制信号进行AD转换，信噪比改善以及相位识别；
信号发生与调制模块与功放模块连接，功放模块与电流钳式传感器连接，电流钳式传感器与地下电缆连接；数字信号处理模块与信号检测模块连接，数字信号处理模块与罗氏线圈连接，罗氏线圈与地下电缆连接。
9.如权利要求8所述用于提高检测精度的地下电缆识别系统，其特征在于，所述微控制器输出波形参数控制可编程波形发生器分别产生两路正弦波和一路方波，正弦波频率分别为800Hz与1200Hz，方波频率为20kHz，设置两路正弦波相位分别为0°和180°时，经过加法器输出的双频调制信号相位极性分别为正相与反相，双频调制信号与方波信号通过高速比较器调制出可变占空比PWM波，微控制器控制数字电位器调节双频调制信号波形幅值，进而改变输出PWM信号的占空比，最终调节D类功放输出双频调制信号功率大小；
音频驱动器IRS20957S控制可变占空比PWM信号驱动后级OCL电路中MOSFET的通断，从而得到功率放大后的PWM信号，再经过LC滤波还原出大功率双频调制信号波形；所述的MOSFET控制器LM5022通过分别检测BOOST与CUK变换器电路输出的电流以及电压从而控制开关管的通断，最终实现24V转±40V。
10.如权利要求9所述用于提高检测精度的地下电缆识别系统，其特征在于，所述DC24V转DC40V电路为：L1,D1,T1,C8构成BOOST变换器基本电路结构，VF1是40V输出端，LM5022通过检测由R9和R10组成的反馈回路电压以及R5,R6,R7,C4组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管S通断，从而使输出电压的稳定；
DC24V转DC-40V电路为：M1,D1,T1,C1,C2构成CUK变换器基本电路结构，VF1是-40V输出端，由运放U1及其外围器件R1,R3,C4,R2,R4组成的负反馈电路将-40V分压至1.25V再接入FB引脚，LM5022通过检测FB引脚电压以及R5,R6,C5组成的回路电流大小调节输出PWM的占空比控制开关管T1通断，从而使输出电压的稳定。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |