專利名稱：放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種脈沖信號的參數(shù)化采集方法，特別涉及一種雷電及局部放 電輻射脈沖信號的參數(shù)化采集方法。
背景技術：
在工程測量和科學研究領域，經(jīng)常需要面對連續(xù)、隨機的脈沖事件。這些 脈沖型事件有幾個共同的特點
一、 出現(xiàn)的時刻完全隨機，或者說受到復雜的多種原因控制，沒有明顯的 發(fā)生規(guī)律；
二、 脈沖信號的占空比非常小，而大量的噪聲本底"零數(shù)據(jù)"對測量和研
究沒有任何價值貢獻；
三、 脈沖的有效帶寬很寬，而且能量在時間分布上非常集中；
四、 在測量信號上有不少其他原因?qū)е碌母蓴_脈沖信號，這些干擾信號與 目標脈沖信號的分辨比較困難；
五、 脈沖信號的幅度有較大的動態(tài)范圍；
具有上述特點的典型信號就是自然雷電和高壓電氣設備的局部放電脈沖。 《山東科技大學學報》2006年12月第25巻第4期中"基于A/D轉(zhuǎn)換的 多路脈沖數(shù)據(jù)采集器的設計"一文中公開了一種基于A/D轉(zhuǎn)換的脈沖數(shù)據(jù)采集 方法，其采集機理是在一個脈沖的持續(xù)時間內(nèi)對其進行連續(xù)多次采樣，根據(jù)脈 沖信號的最小周期及采樣速度算出一個脈沖內(nèi)的最少采樣次數(shù)，從而判斷是否 出現(xiàn)脈沖的上升沿或下降沿，根據(jù)上升沿或下降沿的個數(shù)算出脈沖數(shù)據(jù)。這種 采集方法的缺點在于采樣速率較低，而且當測量信號上有干擾脈沖信號時，很 難將干擾信號與目標脈沖信號分辨開，不適用于雷電脈沖的采集。
《電子測量技術》雜志2006年8月第29巻第4期中"脈沖信號采集系統(tǒng)" 一文中公開了一種脈沖采集技術，它通過光電隔離將傳感器傳來的脈沖信號強 度控制在高速采集卡的動態(tài)范圍內(nèi)，采用了 4個12位20MHz的獨立模數(shù)轉(zhuǎn)化 器(ADC)進行采樣。當單次觸發(fā)采集的所有通道數(shù)據(jù)總量不超過32K的FIFO (First In First Out,先進先出數(shù)據(jù)緩存器)緩存時，每通道都可以按最高20MHz 的AD采樣速度來采樣。當數(shù)據(jù)總量超過32K的FIFO緩存區(qū)時，要以DMA(Direct Memory Access,直接內(nèi)存存取)方式直接傳送數(shù)據(jù)到計算機內(nèi)存，速 度將受PCI總線帶寬限制。這種脈沖采集方式的不足之處是它能達到的最高采 樣率和采樣的通道數(shù)、采集的數(shù)據(jù)量以及PCI總線的帶寬均有關系，當用于雷 電或局部放電輻射脈沖的采集時，就會因其龐大的數(shù)據(jù)量而極大地降低采樣 率，這樣就很有可能會漏掉很多關鍵的雷電信號。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術存在的采樣速率低、干擾信號與目標信號不 易分辨或因數(shù)據(jù)量龐大而降低采樣率造成漏掉放電脈沖信號的問題，以解決現(xiàn) 有脈沖采集技術存在的高速采樣速率與巨大釆樣數(shù)據(jù)量之間的矛盾，提供一種 可以連續(xù)記錄雷電或局部放電輻射隨機脈沖信號參數(shù)的高速采集方法，通過對 高速模數(shù)轉(zhuǎn)化器輸出的表征放電脈沖的數(shù)字信號實時、動態(tài)的甄別和參數(shù)化分 析，實現(xiàn)對放電脈沖關鍵信息(脈沖信號峰值、峰值時刻、脈沖寬度)的記錄， 避免大量無用數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，從而實現(xiàn)高速連續(xù)脈沖信息的高速參數(shù)化記 錄和分析、統(tǒng)計。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案來實現(xiàn)
放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，包括如下步驟
a. 將接收到的放電輻射脈沖信號進行檢波并轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)字脈沖信 號，然后將數(shù)字脈沖信號與觸發(fā)電平進行比較，高于觸發(fā)電平則開始 一個脈沖的捕獲過程，低于觸發(fā)電平則停止該過程，并同時輸出脈沖 捕獲過程記錄到的脈沖參數(shù)值；
b. 觸發(fā)電平根據(jù)單位調(diào)整周期內(nèi)的脈沖發(fā)生頻度進行負反饋自動調(diào)整。 所述步驟a中， 一次脈沖捕獲過程開始于數(shù)字脈沖信號幅度高于觸發(fā)電平，
結(jié)束于數(shù)字脈沖信號幅度低于觸發(fā)電平；輸出的脈沖參數(shù)值是指該脈沖的峰值 幅度、峰值時刻及脈沖寬度；每次脈沖捕獲過程中，將連續(xù)的數(shù)字脈沖信號的 每個數(shù)據(jù)與峰值寄存器中的當前數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)大于峰值寄存器數(shù)據(jù)則鎖存 當前數(shù)據(jù)作為峰值，同時將當前的時刻寄存為峰值時刻，該操作一直持續(xù)到本 次脈沖捕獲過程結(jié)束；脈沖寬度為一個脈沖捕獲過程中的采樣周期數(shù)，在脈沖 捕獲開始時脈沖寬度寄存器清零，在捕獲過程中對采樣周期進行計數(shù)，當數(shù)字 脈沖信號低于觸發(fā)電平時脈沖捕獲結(jié)束，鎖存脈沖寬度寄存器的值作為此次捕 獲過程獲取的脈沖寬度；所述步驟b中觸發(fā)電平的負反饋自動調(diào)整過程為根據(jù)每個調(diào)整周期內(nèi)記錄到的脈沖個數(shù)對當前觸發(fā)電平進行調(diào)整，即若脈沖個數(shù) 達到上限閾值，則觸發(fā)電平提高一個數(shù)值單位；若脈沖個數(shù)小于下限閾值，則 觸發(fā)電平減小一個數(shù)值單位，每個調(diào)整周期結(jié)束時進行這一調(diào)整步驟，調(diào)整后 的觸發(fā)電平作為新周期的觸發(fā)電平數(shù)值。
本發(fā)明采用包含上述步驟的方法，通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)化過程連續(xù)不斷地記錄 雷電或局部放電的脈沖信號，并通過對觸發(fā)電平進行負反饋自動調(diào)整的方法對 采集的脈沖信號進行甄別，根據(jù)記錄脈沖的數(shù)量、幅值上下浮動觸發(fā)電平的數(shù) 值，既保證了采集數(shù)據(jù)量的合理性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)采集有 效性和采集設備能力之間達到合理的平衡，又能夠在適當?shù)臅r候自動降低觸發(fā) 電平，以便可以監(jiān)測到更小的放電信號，對于觀測設備的早期局部放電信號和 自然雷電中的早期云內(nèi)閃電而用于雷電災害預警具有非常重要的意義。
可見，采用本發(fā)明的方法，與現(xiàn)有技術相比，既具有更高的采樣率，又能 夠分辨干擾信號和目標信號，避免漏掉應該釆集的放電脈沖信號，在數(shù)據(jù)量與 采樣率之間實現(xiàn)了更合理的平衡性，以實現(xiàn)對放電脈沖關鍵信息(脈沖信號峰 值、峰值時刻和脈沖寬度)的記錄，避免大量無用數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，從而實 現(xiàn)高速連續(xù)脈沖信息的參數(shù)化識別和采集，為觀測設備的早期局部放電信號和 自然雷電中的早期云內(nèi)閃電而用于雷電災害預警提供決策依據(jù)。本發(fā)明可適用 于雷電或局部放電的脈沖信號的參數(shù)化采集。
圖1是本發(fā)明中的脈沖捕獲的示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，包括如下步驟-
a. 天線和VHF或UHF接收機把空間輻射的放電脈沖的指定頻帶的信號 轉(zhuǎn)換為檢波后的基帶脈沖信號，為了最大動態(tài)范圍記錄放電脈沖信號， 接收機的輸出級被設計成對數(shù)檢波特性，有效的記錄脈沖動態(tài)范圍達 到80dB，通過VHF或UHF接收機對放電脈沖信號進行放大，獲得脈
沖檢波信號；
b, 將接收到的脈沖檢波信號進行放大和濾波，并通過50Msps/12位的高 速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將脈沖檢波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號；C.將數(shù)字脈沖信號與觸發(fā)電平比較，高于觸發(fā)電平則開始一個脈沖捕獲 過程；低于觸發(fā)電平則停止該次脈沖捕獲過程，并同時輸出脈沖捕獲 過程記錄到的脈沖參數(shù)值；
脈沖參數(shù)化的捕獲過程是在捕獲過程開始時峰值寄存器鎖入當前脈沖幅 值作為峰值；脈沖寬度寄存器清零；峰值時刻用于保存當前脈沖發(fā)生時刻，在 捕獲結(jié)束時鎖存系統(tǒng)內(nèi)當前的采樣周期計數(shù)值。
而在每次脈沖捕獲過程中，峰值寄存器的邏輯運算是對連續(xù)的數(shù)字脈沖 信號的每個數(shù)據(jù)與峰值寄存器的當前數(shù)據(jù)進行比較，若數(shù)據(jù)大于寄存器數(shù)據(jù)則 鎖存當前數(shù)據(jù)作為峰值，同時，當前時刻寄存器也更新為系統(tǒng)當前的采樣周期 計數(shù)值。
為降低脈沖參數(shù)化數(shù)據(jù)流有效輸出速率，同時又能維持系統(tǒng)工作的最大動 態(tài)范圍，觸發(fā)電平按輸出脈沖在單位調(diào)整周期時間內(nèi)發(fā)生的頻度進行負反饋自
動調(diào)整。
具體的調(diào)節(jié)步驟如下根據(jù)每個周期內(nèi)記錄到的脈沖個數(shù)對當前觸發(fā)電平 進行調(diào)節(jié)，若脈沖個數(shù)達到80%FIFO深度，則觸發(fā)電平數(shù)值加一；若脈沖個
數(shù)小于5MFIFO深度，則認為脈沖個數(shù)很少，觸發(fā)電平數(shù)值減一。每個周期結(jié) 束進行這一調(diào)節(jié)步驟，調(diào)節(jié)后的觸發(fā)電平作為新周期的觸發(fā)電平數(shù)值，進行脈 沖參數(shù)化捕獲。
本方法所使用采集系統(tǒng)的時鐘發(fā)生器需要同時產(chǎn)生兩個頻率基準信號低
頻信號作為觸發(fā)電平調(diào)整周期和系統(tǒng)周期計數(shù)，典型的做法是雷電監(jiān)測中采用
1PPS，而在高壓設備局部放電測量中，典型的是采用工頻頻率50PPS或60PPS。 高頻信號與低頻信號同源產(chǎn)生，嚴格同步和相干，根據(jù)應用所需的脈沖信號頻 率范圍而定， 一般按檢波器帶寬的3 5倍，典型的頻率為10M 50MHz，用于 模數(shù)轉(zhuǎn)換的頻率和系統(tǒng)時間基準。
在雷電監(jiān)測系統(tǒng)中，由于需要分布式多站同步， 一般采用GPS同步輸出 時鐘基準來做時鐘發(fā)生器，其他需要多站同步的場合也當如此設計。
動態(tài)自動升高的觸發(fā)電平可以有效防止脈沖數(shù)據(jù)流飽和，自動降低的觸發(fā) 電平則可以確保系統(tǒng)監(jiān)測到更小的放電信號。這種方法對觀測設備的早期局部 放電信號和自然雷電中的早期云內(nèi)閃電而用于雷電災害預警具有非常重要的 意義。 '
本實施例中，輸出脈沖參數(shù)值是指該脈沖的峰值、峰值時刻及脈沖寬度。圖1示意了脈沖捕獲的過程，如其所示，捕獲到脈沖的峰值幅度Bo時， 會先將該峰值鎖存在鎖存器中。當繼續(xù)捕獲到脈沖B峰值幅度時，鎖存器會自 動將該峰值與鎖存的峰值幅度BQ比較，發(fā)現(xiàn)脈沖B峰值幅度大于峰值幅度Bo 時，將拋棄峰值幅度Bo重新鎖存脈沖B峰值幅度(即在鎖存器中以脈沖B峰 值幅度代替峰值幅度Bo)，并同時記錄脈沖B峰值幅度對應的峰值時刻B。脈 沖寬度是由脈沖寬度計數(shù)器在一次脈沖捕獲的過程中對AD時鐘進行計數(shù)所 得。數(shù)據(jù)超過觸發(fā)電平時開始計數(shù)，持續(xù)到最近一次數(shù)據(jù)低于觸發(fā)電平時結(jié)束。 而觸發(fā)電平調(diào)整周期則是由周期計數(shù)器對時鐘發(fā)生器輸出的1PPS或50PPS的 信號計數(shù)得到。每次脈沖捕獲過程中，觸發(fā)電平的自動調(diào)整均是發(fā)生于調(diào)整周 期的結(jié)束時刻。如圖1所示，由于單位調(diào)整周期時間內(nèi)脈沖發(fā)生的頻度高于上 限閾值，觸發(fā)電平在調(diào)整周期N的結(jié)束時刻自動抬高。而第N+1個單位調(diào)整 周期時間內(nèi)脈沖發(fā)生的頻度低于下限閾值，則觸發(fā)電平在調(diào)整周期N+l的結(jié) 束時刻自動降低。
權利要求
1、放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，包括如下步驟a.將接收到的放電輻射脈沖信號進行檢波并轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)字脈沖信號，然后將數(shù)字脈沖信號與觸發(fā)電平進行比較，高于觸發(fā)電平則開始一個脈沖的捕獲過程，低于觸發(fā)電平則停止該過程，并同時輸出脈沖捕獲過程記錄到的脈沖參數(shù)值；b.觸發(fā)電平根據(jù)單位調(diào)整周期內(nèi)的脈沖發(fā)生頻度進行負反饋自動調(diào)整。
2、 如權利要求1所述放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，所 述步驟a中，輸出的脈沖參數(shù)值是指該脈沖的峰值幅度、峰值時刻及脈沖寬度。
3、 如權利要求1所述放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，所 述步驟a中，每次脈沖捕獲過程中，將連續(xù)的數(shù)字脈沖信號的每個數(shù)據(jù)與峰值 寄存器中的當前數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)大于峰值寄存器數(shù)據(jù)則鎖存當前數(shù)據(jù)作為峰 值，同時將當前的時刻寄存為峰值時刻。
4、 如權利要求1所述放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，所 述步驟a中，脈沖捕獲開始時脈沖寬度寄存器清零，在捕獲過程中對采樣周期 進行計數(shù)，當數(shù)字脈沖信號低于觸發(fā)電平時脈沖捕獲結(jié)束，鎖存脈沖寬度寄存 器的值作為此次捕獲過程獲取的脈沖寬度。
5、 如權利要求1所述放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，所 述步驟b中觸發(fā)電平的負反饋自動調(diào)整過程為根據(jù)每個調(diào)整周期內(nèi)記錄到的 脈沖個數(shù)對當前觸發(fā)電平進行調(diào)整，即若脈沖個數(shù)達到上限閾值，則觸發(fā)電平 提高-個數(shù)值單位；若脈沖個數(shù)小于下限閾值，則觸發(fā)電平減小一個數(shù)值單位， 每個調(diào)整周期結(jié)束時進行這一調(diào)整步驟，調(diào)整后的觸發(fā)電平作為新周期的觸發(fā) 電平數(shù)值。
6、 如權利要求1所述放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，其特征在于，所 述歩驟a中，輸出的脈沖參數(shù)值是指該脈沖的峰值幅度、峰值時刻及脈沖寬度; 脈沖捕獲開始時脈沖寬度寄存器清零，在捕獲過程中對采樣周期進行計數(shù)，當 數(shù)字脈沖信號低于觸發(fā)電平時脈沖捕獲結(jié)束，鎖存脈沖寬度寄存器的值作為此 次捕獲過程獲取的脈沖寬度；每次脈沖捕獲過程中，將連續(xù)的數(shù)字脈沖信號的 每個數(shù)據(jù)與峰值寄存器中的當前數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)大于峰值寄存器數(shù)據(jù)則鎖存 當前數(shù)據(jù)作為峰值，同時將當前的時刻寄存為峰值時刻；所述步驟步驟b中觸發(fā)電平的負反饋自動調(diào)整過程為根據(jù)每個調(diào)整周期 內(nèi)記錄到的脈沖個數(shù)對當前觸發(fā)電平進行調(diào)整，即若脈沖個數(shù)達到上限閾值，則觸發(fā)電平提高一個數(shù)值單位；若脈沖個數(shù)小于下限閾值，則觸發(fā)電平減小一 個數(shù)值單位，每個調(diào)整周期結(jié)束時進行這一調(diào)整步驟，調(diào)整后的觸發(fā)電平作為 新周期的觸發(fā)電平數(shù)值。
全文摘要
放電輻射脈沖的參數(shù)化采集方法，涉及一種脈沖信號的數(shù)字化參數(shù)提取方法，目的是解決現(xiàn)有脈沖采集技術存在的高速采樣速率與巨大采樣數(shù)據(jù)量之間的矛盾，包括如下步驟將脈沖檢波信號進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換成為連續(xù)的數(shù)字脈沖信號；數(shù)字信號通過比較觸發(fā)電平，高于觸發(fā)電平則開始脈沖捕獲，而后低于觸發(fā)電平則停止脈沖捕獲過程，并輸出鎖存的脈沖參數(shù)化數(shù)據(jù)組；為降低有效輸出流速率并維持最大的動態(tài)范圍，觸發(fā)電平按輸出脈沖在單位調(diào)整周期內(nèi)的頻度而負反饋算法控制下自動調(diào)整；輸出的脈沖參數(shù)值包括峰值、峰值時刻、脈沖寬度。本發(fā)明可適用于雷電或局部放電脈沖信號的參數(shù)化采集，也可用于其它場合的脈沖信號采集。
文檔編號G01R29/02GK101303377SQ20081004467
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權日2008年6月11日
發(fā)明者宋喜陵, 昕 程 申請人:成都南迪測量科技有限公司