CN115078909B - 一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置。对于一个具有非理想脉冲前沿的波形，该方法将波形累积能量的拐点视为其脉冲前沿的开始时刻，通过对累积能量拐点的检测达到非理想脉冲前沿检测的目的。本发明实现了基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法并设计了配套装置，该方法具有抗噪声能力强、准确度高的优点，有效地减小了非理想脉冲前沿检测的误差。
Description
技术领域
本发明涉及边缘检测算法领域，具体的是一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置。
背景技术
电缆广泛应用于电网配电系统和铁路、航空、制造等行业的供电系统中。为了避免雷击、风害等外力的影响，电缆通常埋设在系统内部或地下，所以电缆的故障无法像架空线路一样通过巡检进行识别和定位，而是需要特殊的方法。
行波法是一种得到广泛应用的电缆故障定位方法，它利用电缆不连续点处的反射行波来对故障进行检测和定位，需要对反射波的到达时间，即反射波的前沿进行精确的测量。然而，由于电缆本身的色散作用、接受设备的带宽限制和传播路径上的信号干扰以及发送等影响，反射波在传播过程中会发生畸变，脉冲前沿不再满足理想阶跃信号的特征，造成基于行波到达时间的电缆故障定位算法存在偏差。因此，亟需一种具有强抗噪声能力、高准确度的非理想脉冲前沿检测新方法，减小非理想脉冲前沿检测的误差。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置，该方法具有抗噪声能力强、准确度高的优点，有效地减小了非理想脉冲前沿检测的误差。
本发明是采取以下技术方案实现的：
一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法，是对于一个具有非理想脉冲前沿的波形，将波形累积能量的拐点视为其脉冲前沿的开始时刻，通过对累积能量拐点的检测达到非理想脉冲前沿检测的目的。
具体包括以下步骤：
S1、采样得到原始波形；
S2、检测波形累积能量的拐点；
S3、依据累积能量拐点得到非理想脉冲前沿开始时刻。
所述步骤S2中，累积能量拐点的检测，具体为采用滑动窗口算法对累积能量进行拐点检测，具体的是：
S21、设置两个相邻的窗口沿着波形的时间方向滑动；
S22、计算第一窗口与第二窗口的差异；
S23、依据差异检测拐点。
所述第一窗口与第二窗口的差异，具体定义为：
d(fa..t,ft..b)＝|Ea..t-Et..b| (1)
式中，d表示第一窗口与第二窗口的差异，下标“a..t”表示“从a时刻到t时刻”且a和t分别表示一个时间窗口的左右边沿，f表示信号本身，E表示累积能量。
优选地，累积能量E的计算方法，具体为：
在实际应用中，可根据效果与计算量更换被积分项，包括且不限于f(τ)2、|f(τ)|等。
在步骤S23中，所述拐点的定义具体为：将第一窗口与第二窗口的差异最大的位置视为拐点。
在步骤S23中，依据差异检测拐点的步骤，具体为：
给定滑动时间窗口的宽度为w，定义滑动窗口的拐点检测函数z(t)为：
z(t)＝d(ft-w..t,ft..t+w) (3)
则拐点所在时刻，即非理想脉冲前沿的开始时刻为：
式中，tdect为检测到的非理想脉冲前沿开始时刻。
本发明的有益效果：
本发明基于能量拐点，实现了非理想脉冲前沿的准确检测，提升了非理想脉冲前沿检测的抗噪声能力，有效地减小了非理想脉冲前沿检测的误差。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置的总体流程图；
图2是本发明基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置的硬件装置框图；
图3是本发明基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法及装置的具体实施效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法，包括以下步骤：
S1、采样得到原始波形；
S2、设置第一、第二滑动时间窗口，计算差异；
S3、求解差异最大位置，得到累积能量拐点；
S4、得到非理想脉冲前沿开始时刻。
如图2所示，一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测装置，包括分压器、信号采集设备、信号传输设备和信号处理设备。
在本实施例中，为实现高压信号的衰减，满足信号采集设备的耐压范围，使用高压宽带阻容分压器对原始信号分压；使用高速数据采集卡采集信号；所述信号传输设备使用无线传输模块传输信号，实现数据的远程监控和上传；并在STM32板卡上进行信号处理，对非理想脉冲前沿进行检测，从而实现针对ns级别高压脉冲的非理想前沿检测。
所述高速数据采集卡可采用市售的采样频率为百兆Hz级别的高速数据采集卡，并使用LabView或MATLAB驱动板卡，以在ns级别有效检测非理想脉冲前沿。
信号处理设备采用MCU(Micro controller unit)，以降低计算资源消耗。
一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法，具体为：对于一个具有非理想脉冲前沿的波形，将波形累积能量的拐点视为其脉冲前沿的开始时刻，通过对累积能量拐点的检测达到非理想脉冲前沿检测的目的。
在本实施例中，累积能量拐点的检测，具体为采用滑动窗口算法对累积能量进行拐点检测：
设置两个相邻的窗口沿着波形的时间方向滑动，计算第一窗口与第二窗口间的差异，并依据差异检测拐点。
第一窗口与第二窗口的差异，具体定义为：
d(fa..t,ft..b)＝|Ea..t-Et..b| (1)
式中，d表示第一窗口与第二窗口的差异，下标“a..t”表示“从a时刻到t时刻”且a和t分别表示一个时间窗口的左右边沿，f表示信号本身，E表示累积能量。
在本实施例中，累积能量E的计算方法，具体为：
在实际应用中，可根据效果与计算量更换被积分项，包括且不限于f(τ)2、|f(τ)|等。
拐点的定义具体为：将第一窗口与第二窗口间差异最大的位置视为拐点。
依据差异检测拐点，具体为：
给定滑动时间窗口的宽度为w，在本实施例中，滑动时间窗口的宽度w选择为100Δt，其中，Δt为采样间隔，定义滑动窗口的拐点检测函数z(t)为：
z(t)＝d(ft-w..t,ft..t+w) (3)
则拐点所在时刻，即非理想脉冲前沿的开始时刻tdect为：
使用上述方法对一个具有非理想脉冲前沿的波形进行检测，该非理想脉冲前沿上升速率为25ns，波形信噪比为20dB，并与归一化阈值比较方法、赤池信息准则方法进行比较，其中，归一化阈值选择为25％，得到图3所示的实施效果图。
以上实例仅为说明本发明方法的具体流程，不能以此限定本发明的权利保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明权利要求基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法，其特征在于：对于一个具有非理想脉冲前沿的波形，将波形累积能量的拐点视为其脉冲前沿的开始时刻，通过对累积能量拐点的检测达到非理想脉冲前沿检测的目的；
所述检测方法具体包括以下步骤：
S1、采样得到原始波形；
S2、检测波形累积能量的拐点；
S3、依据累积能量拐点得到非理想脉冲前沿开始时刻；
所述步骤S2中，累积能量拐点的检测，具体为采用滑动窗口算法对累积能量进行拐点检测，具体的是：
S21、设置两个相邻的窗口沿着波形的时间方向滑动；
S22、计算第一窗口与第二窗口的差异；
S23、依据差异检测拐点；
所述第一窗口与第二窗口的差异，具体定义为：
式中，d表示第一窗口与第二窗口的差异，下标“a..t”表示“从a时刻到t时刻”且a和t分别表示一个时间窗口的左右边沿，f表示信号本身，E表示累积能量；
在步骤S23中，所述拐点的定义具体为：将第一窗口与第二窗口的差异最大的位置视为拐点；
在步骤S23中，依据差异检测拐点的步骤，具体为：
给定滑动时间窗口的宽度为w，定义滑动窗口的拐点检测函数z(t)为：
则拐点所在时刻，即非理想脉冲前沿的开始时刻为：
式中，t dect为检测到的非理想脉冲前沿开始时刻。
2.根据权利要求1所述的基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法，其特征在于，所述累积能量E的计算方法，具体为：
。
3.一种用于权利要求1所述的基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测方法的检测装置，其特征在于，包括分压器、信号采集设备、信号传输设备和信号处理设备；
所述分压器用于对原始信号分压，实现高压信号的衰减，满足信号采集设备的耐压范围；
所述信号采集设备用于采集信号，采用高速数据采集卡；
所述信号传输设备用于实现数据的远程监控和上传；
所述信号处理设备用于对非理想脉冲前沿进行检测，从而实现针对ns级别高压脉冲的非理想前沿检测。
4.根据权利要求3所述的基于能量拐点的非理想脉冲前沿检测装置，其特征在于，所述高速数据采集卡采用采样频率为百兆Hz级别的高速数据采集卡。
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