一种基于小波变换的多脉冲测试去噪方法

技术领域

本发明属于信号消噪领域，涉及一种多脉冲测试去噪方法，尤其涉及一种基于小波变换的多脉冲测试去噪方法。

背景技术

多脉冲测试是一种用于电信、数据通信、电力系统和工业控制系统等领域的检测方法，多应用于电缆故障检测，其核心思想是发送多个脉冲信号到待测电缆上，这些脉冲信号在电缆中传播，并在不同的特征点上反射或传输，通过分析这些反射和传输脉冲，可以获得电缆的特性信息。

进行多脉冲测试时，为了从含噪声干扰信号中提取出干净的信号，目前常用的方法有：滤波器方法、均值滤波法、基于信噪比的自适应滤波方法、脉冲衰减法等。滤波器方法是在不同频率带采用不同的滤波器滤波，这也增加了硬件电路的成本，且在滤波效果上以及滤除噪声范围上都有局限性；均值滤波法是采用邻域均值来估计每个样本的值以减小噪声，这种方法对于高斯噪声等随机噪声的去除效果较差，不能很好地区分噪声和信号；基于信噪比的自适应滤波方法在噪声滤除上的效果非常好，但缺点是需要原始的纯净信号波形，在实际应用场合中很难确定纯净信号波形；脉冲衰减法在多脉冲电缆故障检测方面上的应用十分广泛，但其需要大量对应电缆脉冲衰减规律库用于调用与之匹配的脉冲衰减规律。

因此，提供一种能够有效滤除多脉冲测试波形中噪声的方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有多脉冲测试波形处理存在问题，提供一种基于小波变换的多脉冲测试去噪方法。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现。

一种基于小波变换的多脉冲测试去噪方法，通过连续小波变换(CWT)将多脉冲测试中采集的测试信号与反射信号从时间域变换到小波域，分解成不同尺度的小波系数，根据需要，对信号进行多次迭代分解来获取不同层级的系数，使用改进后的阈值函数来完成信号去噪并通过逆小波变换重新合成时间域的信号，最后通过离散小波变换(DWT)来完成信号的奇异性检测，能够高效的分离信号中的目标特征或事件，根据多脉冲测试的检测结果，分析系统的特性信息。具体包括以下步骤：

步骤1：使用多脉冲测试装置对待检测电缆或其他设备进行多脉冲测试，采集多脉冲测试中发射的测试脉冲波形信号及其在不同的测试特征点上的反射脉冲的波形信号，将其储存得到待处理波形信号f(t)；

步骤2：对待处理波形信号f(t)采用连续小波变换方法(CWT)，选择小波分解尺度j，将待处理波形信号f(t)分解到各尺度中，得到各尺度系数；

步骤3：采用软硬阈值结合的改进小波函数对已进行分解的待处理波形信号f(t)进行去噪处理，并对去噪后的信号进行小波重构得到小波阈值去噪波形信号；

步骤4：对步骤3得到的小波阈值去噪波形信号进行离散小波变换(DWT)，得到离散化的小波函数，根据离散化的小波函数求得到小波阈值去噪波形信号的小波变换模的极值，利用小波变换模的极值进行奇异性检测，分离出小波阈值去噪波形信号中的峰值或极大值点；

步骤5：根据步骤3中重构的小波阈值去噪波形信号和步骤4奇异性检测分离出小波阈值去噪波形信号中的峰值或极大值点对波形信号f(t)进行分析，通过对比待检测的电缆或其他设备不同运行状态下的特定脉冲波形信号特征，得到待检测的电缆或其他设备的运行状态。

进一步地，步骤1中，所述的多脉冲测试可精准的发射可控脉冲宽度、脉冲高度的脉冲测试信号，采集多脉冲测试中发射的测试脉冲波形信号及其在不同的测试特征点上的反射脉冲的波形信号，记录待处理波形信号f(t)。

进一步地，步骤2中所述的连续小波变换方法具体包括以下步骤：

步骤2.1：根据小波变换理论：待处理波形信号f(t)平方可积，且f(t)∈L

其中，W

步骤2.2：对待处理波形信号f(t)按照步骤2.1给出的公式进行连续小波变换(CWT)，将待处理波形信号分解为第一层高频和低频两个部分的信号，通常噪声信号为高频信号，故不对第一层高频信号部分进行处理，将第一层低频信号继续分解为第二层高频和低频信号，通过不断迭代得到第j尺度的小波系数，通常j取4或5的最终去噪效果最好。

进一步地，所述步骤3阈值去噪和信号重构具体步骤包括：

步骤3.1：采用软硬阈值结合的小波函数进行去噪，公式如下：

式中，

步骤3.2：利用阈值处理过的信号进行小波重构，具体方法为：

小波重构过程使用小波变换的反演公式，对步骤3.1中阈值处理后的小波系数进行小波逆变换即可得到小波阈值去噪信号。

进一步的，为进一步使小波阈值去噪信号特征更加清晰，所述步骤4进行奇异性检测具体步骤包括：

步骤4.1：将小波阈值去噪后的信号进行离散小波变换(DWT)，对a、b取离散值

步骤4.2：利用步骤3中得到的小波阈值去噪信号在其突变点不平滑的特点，应用小波变换的时频局部化能力对信号的奇异性进行分析，使待检测电缆或其他设备的特性显现出来，对于尺度j，t

进一步地，所述步骤4根据小波阈值去噪信号在其极值处具有奇异性，极值对应的目标特征或事件发生时间点，准确的寻找小波阈值去噪信号中的奇异点便能够找出目标特征或事件发生的对应时刻；步骤4.2说明小波变换的模极大值点可以确定小波阈值去噪信号信号的奇异点，得到待检测电缆或其他设备特征信息。

本发明的有益效果：

本发明采用的小波变换提供了多尺度分析的能力，能够捕捉信号中不同频率的成分，可以有效地分离信号和噪声，更好地保留信号的结构，更加清晰采集到多脉冲测试中发射的测试脉冲波形信号及其在不同的测试特征点上的反射脉冲的波形信号；小波变换具有时频局部性，可以在时间和频率上对信号的不同部分进行精确分析，能够更好地适应信号中的非平稳性和瞬时特性，可以保证信号采集的完整性；小波阈值去噪通过在小波域中对小波系数应用阈值来去除噪声，有效地减少噪声的影响，同时保留信号的重要信息；使用奇异性检测在小波域和时间域中对信号进行分析，使信号特征提取、异常检测、压缩等更加容易识别。

附图说明

图1为本发明基于小波变换的多脉冲测试去噪方法流程示意图；

图2为本发明小波变换分解尺度示意图；

图3为基于小波变换的多脉冲测试去噪方法仿真处理波形信号对比图；

图4为基于小波变换的多脉冲测试电缆检测方法的装置示意图；

图5为故障点短路或低阻故障波形反射示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1，一种基于小波变换的多脉冲测试电缆检测方法，具体步骤如图1所示，包括：

步骤一，根据图4所示装置，电缆故障定位系统包括高压脉冲发生单元、多次脉冲发生及调理单元、反射脉冲采样单元、信号处理单元和故障定位单元。所述高压脉冲发生单元、多次脉冲发生及调理单元及反射脉冲采样单元与待测故障电缆连接，所述信号处理单元分别与多次脉冲发生及调理单元及反射脉冲采样单元连接。电缆故障定位系统发射低压脉冲，将测试仪器连接到电缆的起始点，并设置合适的测试参数，包括脉冲数、脉冲间隔等。脉冲发生及调理装置发送一系列低压脉冲信号，由于不同的冲击高压、不同规格的电缆及长度、不同的电缆故障距离、余弦大振荡的周期和持续时间差异非常大，多组脉冲信号会在电缆中传播，并产生不同滞后时间的脉冲反射信号，反射脉冲采样单元接收电缆中反射回来的脉冲信号，测量和记录每个脉冲信号的反射时间和强度；

步骤二，根据小波变换理论，对采集发射测试脉冲与反射脉冲的波形信号进行连续小波变换(CWT)，完成小波分解，将待分析的信号分解成不同尺度的小波系数；小波变换分解尺度示意图如图2所示，选择db2小波基分解四层，待分析的信号s分解后，分别得到五个信号a

步骤三，基于小波变换的多脉冲测试去噪方法选择软硬阈值结合的改进小波函数对上述步骤二中得到的分解波形信号d

步骤四，将小波阈值去噪后的信号进行离散小波变换(DWT)，利用待分析的信号在其突变点不平滑，应用小波变换的时频局部化能力对信号的奇异性进行分析，使脉冲信号在待检测电缆中的反射特性显现出来，对于尺度j，t

通过小波变换阈值去噪后的滤波后信号与脉冲信号在待检测电缆中的反射特性点显现，最终得到发射测试脉冲与反射脉冲的清晰特征波形信号。

根据得到发射测试脉冲与反射脉冲的清晰特征波形信号，基于如图5所示的故障点短路或低阻故障波形反射示意图，判断特征分析所测电缆的故障类型。假设脉冲往返接收点与故障点之间所经过的时间为Δt，脉冲在电缆中的传播速度为V，即可得出测试点与故障点之间的距离L，有：

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。