【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路結(jié)構(gòu)。其是由通過(guò)行測(cè)電流的導(dǎo)線環(huán)繞磁光材料構(gòu)成的。螺旋管聚磁光路的基本原理為：將被測(cè)電流通往到螺旋管中，會(huì)產(chǎn)生聚磁作用，使得電流的磁場(chǎng)集中于平等于螺旋管軸線方向。其會(huì)對(duì)偏振光的光路產(chǎn)生影響，從而使偏振光光路為一直線。圖29 螺線管聚磁光路結(jié)構(gòu)螺旋管聚磁光路由于只有一個(gè)光學(xué)元件，并且沒(méi)有保偏棱鏡，因此，減少了折射所造成的誤差，消除了光傳感中的靜態(tài)工作點(diǎn)為零現(xiàn)象，降低了溫度對(duì)光學(xué)件的干擾，提高了測(cè)量靈敏度及搞電磁干擾能力。由光路系統(tǒng)的光電檢測(cè)器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線連接，輸入到信號(hào)解調(diào)部分由頻譜遷移測(cè)量法的原理可知，解調(diào)部分主要是對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波和解調(diào)處理。這些處理可以采用硬件或軟件的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)主要采用編程的方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過(guò)解調(diào)處理，可以得到法拉第直流光學(xué)電流測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方程，即輸出量與電流值的關(guān)系。 本章小結(jié)（1）分析了直流光學(xué)電流互感器中光電檢測(cè)器的噪聲主要成為為暗電流噪聲，進(jìn)一步明確了影響互感器測(cè)量的主要為低頻暗電流噪聲，及其對(duì)測(cè)量的影響。（2）介紹了光學(xué)電流互感器的基本原理，針對(duì)直流光學(xué)電流互感器中所存在的低頻信噪重疊現(xiàn)象，提出了頻譜遷移測(cè)量法，并對(duì)該方法具體原理進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，給出具體公式及原理圖。（3）設(shè)計(jì)了法拉第直流光學(xué)電流測(cè)量系統(tǒng)，并給出了其原理框圖，將該系統(tǒng)進(jìn)行了劃分，并對(duì)其各部分組成及功能進(jìn)行了說(shuō)明，為其各部分的具體功能實(shí)現(xiàn)提供了原理依據(jù)。第3章 信號(hào)檢測(cè)方法研究 方法研究經(jīng)過(guò)多年的研究和實(shí)踐，信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要包括鎖定放大、取樣積分、相關(guān)檢測(cè)、自適應(yīng)噪聲抵消、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、混沌理論、Duffing振子、調(diào)制隨機(jī)共振、自適應(yīng)隨機(jī)共振、二維相干技術(shù)、希爾伯特黃等。 調(diào)制隨機(jī)共振基于隨機(jī)共振的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)是新近發(fā)展起來(lái)的一種新的信號(hào)處理技術(shù)，與各種抑噪方法相比，它不是消除噪聲，而是充分利用噪聲來(lái)增強(qiáng)弱信號(hào)，以提高信噪比達(dá)到識(shí)別弱信號(hào)，其過(guò)程框圖如圖31所示圖31 調(diào)制隨機(jī)共振過(guò)程框圖這種方法能有效降低信號(hào)檢測(cè)下限，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，可大幅度降低檢測(cè)成本，因而具有巨大的應(yīng)用潛力。 相關(guān)檢測(cè)法在電子學(xué)系統(tǒng)中，采用低噪聲放大技術(shù)，選取適應(yīng)的濾波器限制系統(tǒng)帶寬，以掏內(nèi)部噪聲和外部干擾，保證系統(tǒng)的信噪比大大改善，當(dāng)信號(hào)較微弱時(shí)，也能得到信噪比大于1的結(jié)果。但當(dāng)信號(hào)非常微弱，比噪聲小幾個(gè)數(shù)量級(jí)甚至完全被噪聲深深淹沒(méi)時(shí)，上述方法就不會(huì)有效。經(jīng)過(guò)分析青蛙，信號(hào)和噪聲在時(shí)間特性上是有差別的，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，信號(hào)和噪聲兩種函數(shù)在統(tǒng)計(jì)特性上是可以區(qū)分的，從而為把淹沒(méi)于噪聲中的信號(hào)提取出來(lái)提供了基礎(chǔ)。利用信號(hào)在時(shí)間上相關(guān)這一特性，可以把深埋在噪聲中的周期信號(hào)提取出來(lái)，這就是相關(guān)檢測(cè)。從原則上看，用通頻帶很窄的濾波器也可以從噪聲中提取信號(hào)，但濾波器的中心頻率必須調(diào)在信號(hào)頻率上。對(duì)于周期不固定或者不能做到頻率絕對(duì)恒定的信號(hào)，濾波器的通頻帶不能過(guò)窄，因此信噪比不的改善不可能太大。而相關(guān)檢測(cè)相當(dāng)于一個(gè)跟蹤濾波器，沒(méi)有這方面的限制。信號(hào)的相關(guān)性用相關(guān)函數(shù)來(lái)表示，它代表線性相關(guān)的試題，是隨機(jī)過(guò)程在兩個(gè)不同時(shí)間相關(guān)性的一個(gè)重要統(tǒng)計(jì)參量。從本質(zhì)上說(shuō)，相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是基于信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行檢測(cè)的，相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)時(shí)域信號(hào)（有時(shí)是空間域）相似性的一種試題。相關(guān)檢測(cè)是一種利用確定性信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性這一差異來(lái)達(dá)到去除噪聲的目的，它分為自相關(guān)檢測(cè)和互相關(guān)檢測(cè)，本文主要采用互相關(guān)檢測(cè)。如果和為兩個(gè)功率有限信號(hào)，則可定義他們的互相關(guān)函數(shù) （31）令、其中和分別代表與待測(cè)信號(hào)及參考信號(hào)混在一起的噪聲，則式（31）可寫(xiě)成（32）式中、分別是參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)、待測(cè)信號(hào)與噪聲、參考信號(hào)與噪聲及噪聲之間的相關(guān)函數(shù)。由于噪聲的頻率和相位都是隨機(jī)量，可以認(rèn)為信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間互相獨(dú)立，它們的相關(guān)函數(shù)為零，于是式（32）可寫(xiě)為 （33）式（33）表明，對(duì)兩個(gè)混有噪聲的功率有限信號(hào)進(jìn)行相乘和積分處理（相關(guān)檢測(cè)）后，可將信號(hào)從噪聲中檢測(cè)出來(lái)，噪聲被抑制?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)可保留原函數(shù)的部分相位信息，可以獲得一定的互相關(guān)增益，能達(dá)到較好的檢測(cè)效果，在實(shí)際應(yīng)用中常被采用。小波變換理論采用在二維平面上分析信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在合適的驚訝下原來(lái)是非平衡的跳變信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出同噪聲截然不同的特性，是一種變分辨率的時(shí)域分析方法。它不僅繼承和發(fā)展了窗口傅立葉變換的化思想，而且克服了窗口大小 不隨頻率變化，缺乏離散正交基的缺點(diǎn)。小波變換在分析低頻信號(hào)時(shí)其時(shí)間窗很大，而分析高頻信號(hào)時(shí)其時(shí)間窗較小，這恰符合實(shí)際問(wèn)題中高頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，低頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的自然規(guī)律。小波分析能有效地提高輸出信噪比，同時(shí)也適用其他非平衡信號(hào)的降噪，小波應(yīng)用于降噪重建與數(shù)據(jù)壓縮、奇異點(diǎn)出降噪等方面在國(guó)內(nèi)外研究中已取得一定的成果。 希爾伯特黃變換希爾伯特黃變換（HHT）是一種新的非平衡信號(hào)處理方法，其本質(zhì)是對(duì)非平衡信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將信號(hào)中不同尺度的波動(dòng)或趨勢(shì)逐級(jí)分解開(kāi)來(lái)，然后再進(jìn)行時(shí)頻處理。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別，人們已經(jīng)對(duì)基于傅里葉變換的方法進(jìn)行了許多研究，在穩(wěn)態(tài)信號(hào)檢測(cè)方面取得了滿意的結(jié)果，但在瞬態(tài)突變微弱信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別中卻不理想。希爾伯特黃變換在較高頻率、短時(shí)非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻分析處理中優(yōu)于傳統(tǒng)信號(hào)處理方法。混沌檢測(cè)是與現(xiàn)在有的各種檢測(cè)方法完全不同的信號(hào)處理方法，它主要是用于混沌系統(tǒng)對(duì)初值條件的極度敏感性，當(dāng)將被檢測(cè)信號(hào)注入混沌系統(tǒng)后，就可以此混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為發(fā)生很大變化，根據(jù)這種變化，通過(guò)適應(yīng)信號(hào)處理，從而測(cè)出被檢信號(hào)的各種參數(shù)。目前，常用的檢測(cè)微弱信號(hào)的混沌模型為間歇混沌模型——Duffing振子。具體來(lái)說(shuō)，間歇性混沌是指系統(tǒng)從有序向混沌或混沌向有序轉(zhuǎn)化時(shí)，在非平衡、非線性條件下，當(dāng)某些參數(shù)的變化達(dá)到某一臨界閾值時(shí)，系統(tǒng)的時(shí)間行為在周期運(yùn)動(dòng)和混濁運(yùn)動(dòng)兩者之間振蕩，有關(guān)參數(shù)繼續(xù)變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由間歇性混沌發(fā)展成混沌。 二維相干技術(shù)相干技術(shù)利用數(shù)學(xué)方法突出信號(hào)的相似性，進(jìn)而檢測(cè)微弱信號(hào)、反映異常特征的一項(xiàng)新技術(shù)。相干技術(shù)方法分為三代：第一代算法是基于互相關(guān)的一種算法，這種算法在信噪比較高的情況下對(duì)信號(hào)有較好的分辨能力，但抗噪能力較差，第二代算法是基于相似的算法，與第一代算法相比是計(jì)算相干性較好的算法，且分辨率較高，但資料品質(zhì)對(duì)相干處理的效果仍有一定的影響，第三代算法是基于特征結(jié)構(gòu)的一種算法。對(duì)于淹沒(méi)在噪聲中的正統(tǒng)信號(hào)的幅度和相伴，可以利用鎖定放大器進(jìn)行檢測(cè)，但是如果需要恢復(fù)淹沒(méi)在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無(wú)能為力的。脈沖波形或脈動(dòng)小型的快速上升沿和下降沿包含豐富的高次諧波分量，鎖定放大器輸出級(jí)的低通濾波器會(huì)濾除這些高頻分量，導(dǎo)致脈沖波形的畸變，對(duì)于這類信號(hào)的測(cè)量，必須使用其他有效的方法，取樣積分與數(shù)字式平均就是這樣的方法。為了恢復(fù)淹沒(méi)于噪聲中的快速變化的微弱信號(hào)，必須把每個(gè)信號(hào)周期分成苦干個(gè)時(shí)間間隔，間隔的大小取決于恢復(fù)信號(hào)所要求的精度。然后對(duì)于這些間隔的信號(hào)進(jìn)行取樣，并將處于相同位置的取樣進(jìn)行積分或平均。積分過(guò)程常用模擬電路實(shí)現(xiàn)，稱之為取樣積分，平均過(guò)程常通過(guò)計(jì)算機(jī)以數(shù)字處理的方式實(shí)現(xiàn)，稱之為數(shù)字式平均。鎖定放大器掏噪聲有三個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)：（1）用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率處，再進(jìn)行放大，以避開(kāi)1/f噪聲的不利影響（2）利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，可以同時(shí)利用頻率和進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低（3）用低通小小器而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲，低通濾波器的頻帶可以做得很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾波器。自適應(yīng)噪聲抵消屬于自適應(yīng)信號(hào)處理的領(lǐng)域，它是以干擾噪聲為處理對(duì)象，利用噪聲與被測(cè)信號(hào)不相關(guān)的特點(diǎn)，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器的傳輸特性，盡可能的掏和衰減干擾噪聲，以提高信號(hào)檢測(cè)或信號(hào)傳遞的信噪比。自適應(yīng)噪聲抵消不需要預(yù)告知道干擾噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，它能在逐次迭代的過(guò)程中將自身的工作狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應(yīng)噪聲抵消在通信、雷達(dá)、聲納、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。自應(yīng)用噪聲抵消的核心是自適應(yīng)濾波器，自應(yīng)用濾波過(guò)程是用自適應(yīng)算法調(diào)整數(shù)字濾波器的參數(shù)，以使濾波器輸出逼近傳感器逼近傳感器輸出信號(hào)中疊加的噪聲，這樣就可以使抵消器的輸出逼近被測(cè)信號(hào)。自適應(yīng)濾波所采用的最優(yōu)準(zhǔn)則有最小均方差準(zhǔn)則，最小二乘準(zhǔn)則，最大信噪比準(zhǔn)則，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)準(zhǔn)則以及其他一些最優(yōu)準(zhǔn)則，其中應(yīng)用最廣泛的準(zhǔn)則是最小方差準(zhǔn)則。 調(diào)制解調(diào)法在測(cè)控系統(tǒng)中，進(jìn)入測(cè)控電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲，而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離來(lái)測(cè)控電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。調(diào)制解調(diào)有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相三種形式，當(dāng)被測(cè)信號(hào)與噪聲頻帶重疊時(shí)，為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，即進(jìn)行調(diào)制，將被測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜遷移，然后再用與調(diào)制信號(hào)同頻的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)得到測(cè)量信號(hào)。針對(duì)電力系統(tǒng)中電流測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求，以及繼電保護(hù)的速動(dòng)性、靈敏性和可靠性的要求，需要光學(xué)電流互感器提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。比較上述常用的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，得到以下結(jié)論：（1）鎖定放大器實(shí)質(zhì)上是相關(guān)檢測(cè)原理的一個(gè)特例，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，輸入信號(hào)必須為交流信號(hào)，利用LPF的窄帶化來(lái)提高其信