CN114137364A - 一种基于时域反射法的干扰波消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时域反射法的干扰波消除方法，包括基于时域反射法进行信号采集；入射波和反射波阈值计算并滤除杂波；滤除入射波、反射波不成对匹配的波形；信号处理的步骤。本发明的干扰波消除方法，相比于不适用本文提出的滤波算法，直接对采集到的数据进行计算处理，本方法的计算结果更加准确，并且具有很强的灵活性，使用软件算法滤除信号中的杂波，不需要额外的滤波设备,同时降低了成本。

Description

一种基于时域反射法的干扰波消除方法

技术领域

本发明属于信号杂波消除领域，具体涉及一种基于时域反射法(TDR)的干扰波消除方法。

背景技术

当前比较广泛的机载线缆故障检测技术，为基于时域反射法(TDR)进行线缆故障检测,通过向线缆的一端发送脉冲信号，当线缆出现故障时，线缆故障点的阻抗就会发生变化，会产生回波，通过反射信号的反射系数判断故障类型，并可以根据时间差计算故障点的位置信息。

当TDR在受到电磁信号等外界环境的影响时，会导致收到的信号中有大量的杂波干扰，影响Δt的计算结果，从而影响最终的判定结果。

为了提高计算结果的准确性,现有方法一般依靠ADC的采集能力和处理器的计算能力，通过提高采集数据的精度，降低计算误差，提高计算结果的准确性，但是这种方法造成了硬件成本的增加。

现有技术中为了消除杂波的影响，在终端加上滤波设备，这种方法虽然能够将杂波消除，但是增加了额外的硬件设备，同时提高了成本。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述技术问题，提供一种基于时域反射法的干扰波消除方法，通过阈值算法和滤波算法滤除杂波，解决了杂波信号对于有效信号的干扰问题。

本发明技术方案：

一种基于时域反射法的干扰波消除方法，包括以下步骤：

1)基于时域反射法进行信号采集

1.1)信号源向机载线缆的一端发送脉冲信号，当线缆出现故障时，线缆故障点的阻抗发生变化，产生回波；

1.2)基于时域反射法，通过ADC采集设备采集入射波和反射波信号；

2)入射波和反射波阈值计算并滤除杂波

2.1)对ADC采集设备采集到的入射波的各峰值采样点和反射波的各峰值采样点，采用上下阈值控制算法，分别计算得到入射波、反射波的阈值范围；

2.2)将入射波和反射波超出阈值范围的峰值采样点滤除，确定入射波和反射波有效峰值采样点；

3)滤除入射波、反射波不成对匹配的波形

每个入射波对应一个反射波，步骤2)中有可能把单一的入射波或反射波滤除，造成入射波和反射波不成对，通过入射波和反射波查找滤除所有不成对匹配的波形；

4)信号处理

对步骤3)消除干扰波后的波形，进行信号处理，并基于时域反射法计算机载线缆故障点的位置。

其特征在于，所述步骤2.1)中上下阈值控制算法具体为：

2.1.1)ADC采集设备采集到的波形采样点按照幅值重新进行排序，在入射波的各采样点和反射波的各采样点中获取部分采样点作为阈值计算采样点，取各阈值计算采样点幅值；

2.1.2)分别获取入射波和反射波的阈值计算采样点幅值的平均值：

其中，x₁，……x_n为采样点幅值，n为有效波峰采样点总数；

2.1.3)计算入射波、反射波的阈值范围：

其中，x_h为入射波或反射波的最大阈值，x_l为入射波或反射波的最小阈值，α为常数。

其特征在于，步骤2.1.1)中ADC采集设备采集到的波形采样点按照幅值自小至大重新进行排序。

其特征在于，步骤2.1.1)中将入射波的各采样点和反射波的各采样点中波峰幅值范围相对稳定的部分采样点作为阈值计算采样点。

其特征在于，α的取值与ADC采集设备的采集速率有关。

其特征在于，所述步骤3)具体为：在步骤2)处理后的波形中，依次进行入射波和反射波查找，若一个入射波的下一个波形为一个反射波，则认为入射波和反射波成对，继续查找，若一个入射波的下一个波形仍为一个入射波，则认为入射波和反射波不成对，则滤除第一个入射波，直到完成查找，滤除所有不成对匹配的波形。

其特征在于，所述步骤4)中计算机载线缆故障点的位置具体过程为：通过反射信号的反射系数判断故障类型，并根据时间差计算故障点的位置信息，其中反射系数为：

其中：Z₀是机载线缆的特征阻抗，Z_L是机载线缆故障点的阻抗，ρ_L是线机载缆故障点的反射系数；

机载线缆故障点位置l如下：

其中：v是脉冲信号在线缆中的传播速度，取决于线缆的物理特性，Δt是入射波与反射波的时间差。

其特征在于，脉冲信号在线缆中的传播速度v，取决于线缆的物理特性。

发明的有益效果：

1.相比于不适用本文提出的滤波算法，直接对采集到的数据进行计算处理，本方法的计算结果更加准确。

2.该方法具有很强的灵活性，使用软件算法滤除信号中的杂波，不需要额外的滤波设备,同时降低了成本。

附图说明

图1(a)无故障状态波形图

图1(b)开路状态波形图

图1(c)短路状态波形图

图2本发明方法流程图

图3采集到得入射波和反射波

图4重新排序后的波形

图5采集数据中的干扰波

图6短路故障的不成对的采样点波形

图7开路故障数据处理后的采样点波形

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。

如图2所示，本发明的一种基于时域反射法的干扰波消除方法，包括以下步骤：

1)基于时域反射法进行信号采集

1.1)信号源向机载线缆的一端发送脉冲信号，当线缆出现故障时，线缆故障点的阻抗发生变化，产生回波；

1.2)基于时域反射法，通过ADC采集设备采集入射波和反射波信号；

2)入射波和反射波阈值计算并滤除杂波

2.1)对ADC采集设备采集到的入射波的各峰值采样点和反射波的各峰值采样点，采用上下阈值控制算法，分别计算得到入射波、反射波的阈值范围；

2.2)将入射波和反射波超出阈值范围的峰值采样点滤除，确定入射波和反射波有效峰值采样点；

3)滤除入射波、反射波不成对匹配的波形

每个入射波对应一个反射波，步骤2)中有可能把单一的入射波或反射波滤除，造成入射波和反射波不成对，通过入射波和反射波查找滤除所有不成对匹配的波形；

4)信号处理

对步骤3)消除干扰波后的波形，进行信号处理，并基于时域反射法计算机载线缆故障点的位置。

本发明的实现是基于时域反射法，该方法的原理是向线缆的一端发送脉冲信号，当线缆出现故障时，线缆故障点的阻抗就会发生变化，会产生回波，通过反射信号的反射系数判断故障类型，并可以根据时间差计算故障点的位置信息。其中反射系数为：

其中：Z₀是线缆的特征阻抗，Z_L是线缆故障点的阻抗，ρ_L是线缆故障点的反射系数。

线缆故障点位置计算公式如下：

其中：v是脉冲信号在线缆中的传播速度，取决于线缆的物理特性，Δt是入射波与反射波的时间差。图1为不同状态下的波形图。

可见，在TDR算法中，入射波与反射波的时间差Δt的计算结果直接影响到故障点位置信息检测的精确度。为了提高精度，通常使用高速的ADC采集设备以及性能强大的处理器来提高精度。但是，当入射波和反射波受到电磁干扰时，其产生的杂波信号必然会对有效波造成影响。

为解决以上问题，本发明首先通过阈值计算。阈值计算的目的是根据采集到得数据，经过上下阈值控制算法获得入射波、发射波的取值范围，将超出此范围的采样点滤除。当完成信号接收处理之后，得到的入射波和反射波的波形图如图3所示。

通过接收到的数据需要找到入射波和反射波的阈值，为了便于区分入射波和反射波，需要将采集到的信号重新进行排序，如图4和5所示。

取相对稳定的部分数据作为采集到的入射波取值和反射波的取值。并利用上下阈值控制算法获得阈值，即

1.获取该部分数据的平均值：

2.分别取平均值的一定范围α％作为阈值的上下阈，α的取值范围跟AD的采集速率有关当AD采集速率大时，α可偏小一些：

经过阈值算法以后，就可以在阈值范围内确定入射波和反射波的有效值，并去除不规则的采样点和信号干扰点。

除了以上做法以外，还要通过纵向滤波，滤除入射波和反射波不成对的样本点，理论上，入射波和反射波都是成对被采集到的，但是由于外部干扰，以及在阈值算法中除去部分的样本点，会导致采集到的入射波和发射波不是成对的，因此纵向滤波的作用是滤除那些不成对的采样点，确保入射波和反射波是成对被采集到。

最后就可以得到无干扰信号的有效波形，对它进行处理，计算得到故障点的位置。

Claims (8)

1.一种基于时域反射法的干扰波消除方法，包括以下步骤：

1)基于时域反射法进行信号采集

1.1)信号源向机载线缆的一端发送脉冲信号，当线缆出现故障时，线缆故障点的阻抗发生变化，产生回波；

1.2)基于时域反射法，通过ADC采集设备采集入射波和反射波信号；

2)入射波和反射波阈值计算并滤除杂波

2.1)对ADC采集设备采集到的入射波的各峰值采样点和反射波的各峰值采样点，采用上下阈值控制算法，分别计算得到入射波、反射波的阈值范围；

2.2)将入射波和反射波超出阈值范围的峰值采样点滤除，确定入射波和反射波有效峰值采样点；

3)滤除入射波、反射波不成对匹配的波形

每个入射波对应一个反射波，步骤2)中有可能把单一的入射波或反射波滤除，造成入射波和反射波不成对，通过入射波和反射波查找滤除所有不成对匹配的波形；

4)信号处理

对步骤3)消除干扰波后的波形，进行信号处理，并基于时域反射法计算机载线缆故障点的位置。

2.如权利要求1所述的干扰波消除方法，其特征在于，所述步骤2.1)中上下阈值控制算法具体为：

2.1.1)ADC采集设备采集到的波形采样点按照幅值重新进行排序，在入射波的各采样点和反射波的各采样点中获取部分采样点作为阈值计算采样点，取各阈值计算采样点幅值；

2.1.2)分别获取入射波和反射波的阈值计算采样点幅值的平均值：

其中，x₁，……x_n为采样点幅值，n为有效波峰采样点总数；

2.1.3)计算入射波、反射波的阈值范围：

其中，x_h为入射波或反射波的最大阈值，x_l为入射波或反射波的最小阈值，α为常数。

3.如权利要求2所述的干扰波消除方法，其特征在于，步骤2.1.1)中ADC采集设备采集到的波形采样点按照幅值自小至大重新进行排序。

4.如权利要求3所述的干扰波消除方法，其特征在于，步骤2.1.1)中将入射波的各采样点和反射波的各采样点中波峰幅值范围相对稳定的部分采样点作为阈值计算采样点。

5.如权利要求4所述的干扰波消除方法，其特征在于，α的取值与ADC采集设备的采集速率有关。

6.如权利要求5所述的干扰波消除方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：在步骤2)处理后的波形中，依次进行入射波和反射波查找，若一个入射波的下一个波形为一个反射波，则认为入射波和反射波成对，继续查找，若一个入射波的下一个波形仍为一个入射波，则认为入射波和反射波不成对，则滤除第一个入射波，直到完成查找，滤除所有不成对匹配的波形。

7.如权利要求6所述的干扰波消除方法，其特征在于，所述步骤4)中计算机载线缆故障点的位置具体过程为：通过反射信号的反射系数判断故障类型，并根据时间差计算故障点的位置信息，其中反射系数为：

其中：Z₀是机载线缆的特征阻抗，Z_L是机载线缆故障点的阻抗，ρ_L是线机载缆故障点的反射系数；

机载线缆故障点位置l如下：

其中：v是脉冲信号在线缆中的传播速度，取决于线缆的物理特性，Δt是入射波与反射波的时间差。

8.如权利要求7所述的干扰波消除方法，其特征在于，脉冲信号在线缆中的传播速度v，取决于线缆的物理特性。

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