局部放电超声信号降噪方法研究

局部放电超声信号降噪方法研究

摘要针对局部放电超声信号常常湮没在干扰噪声的问题，提出了一种结合相关函数与改进EMD的局部放电超声信号降噪新方法。通过该方法在仿真信号中的验证表明，该方法相比于传统EMD降噪方法、小波降噪方法降噪效果更好，不仅降低了噪声的干扰，同时很好地保持了原信号的特征。

关键词局部放电；超声波信号；降噪

前言

本文以局部放电产生的超声波信号为研究对象，提出了一种局部放电超声信号降噪方法，该方法先计算局部放电超声波信号的自相关函数及其频率，采用多级滤波的方式除掉超声波信号中的窄带干扰，再对传统经验模态分解（EMD）降噪方法的不足进行改进，用于消除局部放电超声波信号中的白噪声。并通过仿真信号验证了文中方法处理窄带干扰和白噪声的有效性。

1 经验模态分解原理

EMD方法不但可以分析线性平稳信号，还可以处理非线性非平稳信号，有较强的适应性[1]。EMD方法主要是通过将信号分解为属于不同频率成分的有限个本征模态分量（IMF），从而实现信号特征的有效分解。作EMD分解时，需要满足其两个限制条件[2]：①在整段分析数据序列中，极值点和过零点相同或最多相差一个；②在任一时间点上，信号的上包络线和下包络线的均值为零。

2 改进EMD降噪方法

这里提出一种改进EMD降噪方法，该方法的具体操作过程描述如下：

（1）将采集到的超声波信号进行EMD分解，再根据超声信号的突变特性以及相关性准则选择合适的IMF分量备用。

（2）利用DT-CWT计算各IMF分量的小波系数，计算过程如下：

（3）根据联合分布模型，估计每层降噪后的小波系数，得到降噪后的小波系数为：

式（10）中，噪聲的边缘方差为：

而为噪声的方差系数估计：

式（12）中，median是鲁棒中值计算器，而则为某一小波系数。

是局部边缘方差：

式中，为局域窗长。

（4）通过DT-CWT的逆变换，得到降噪的各IMF分量，并检验降噪后的信号是否符合要求。DT-CWT的逆变换过程为：

（5）最后将降噪后的各IMF分量进行重构，得到降噪后的局部放电超声信号。

3 局部放电超声信号降噪新方法

上文中的改进EMD降噪方法主要用来消除局部放电超声信号中的白噪声干扰，对超声信号中的窄带干扰有一定的局限性。考虑到自相关函数具有区分周期性信号和噪声信号的特性，提出一种结合相关函数与改进EMD的局部放电超声信号降噪新方法，可以应用自相关函数来判断局部放电超声信号中是否具有窄带干扰。

对于一个随机信号，自相关函数的表达式为：

式中，为时移。

结合相关函数与改进EMD的局部放电超声信号降噪新方法，首先利用自相关函数的特性，判断实测超声信号中是否有周期性信号，如果有周期性信号，则先利用多级滤波的方式滤掉周期性信号，然后在利用文中改进的EMD降噪方法，消除实测超声信号中的白噪声干扰，得到纯净的局部放电超声信号[3]。

4 降噪新方法仿真验证

实际局部放电超声信号经常表现为指数衰减振荡形式，故在此采用了以下两种局部放电超声信号表达形式：

（1）单指数衰减振荡形式

（2）双指数衰减振荡形式

式中：为脉冲强度参数；、、为衰减常数；为振荡频率。

采样频率为10MHz，衰减常数、、均为0.8us，振荡频率为1MHz；第1个信号为单指数衰减振荡形式，幅值为0.26；第2个信号为双指数衰减振荡形式，幅值为1。

现对仿真超声信号加入窄带干扰和白噪声的混合信号，以验证文中所提方法能够对超声信号中窄带干扰和白噪声的混合信号进行降噪。含有窄带干扰和白噪

声的超声仿真信号如图2所示，其中，窄带干扰以一组具有两个频率的正弦波叠加组成，其频率为80kHz和130kHz。

从表1来看，三种方法均能够有效抑制仿真超声信号中的窄带干扰和白噪声，将超声的突变信号显示出来，提高仿真信号的信噪比，但三种方法抑制干扰后波形的MSE和NCC有所差别，文中方法的MSE值和NCC值明显优于另外两种方法，能够很好保持原信号的特征，说明了文中方法在抑制窄带干扰和白噪声等混合噪声方面的有效性。

5 结束语

本文结合超声波信号突变特征提出了一种改进EMD降噪方法用于消除局部放电超声波信号中的白噪声。同时将文中方法，传统EMD降噪方法和小波降噪方法对仿真信号进行降噪处理，并计算三种方法降噪结果的信噪比（SNR）、均方差（MSE）和波形相似系数（NCC）等降噪参数，验证了文中方法相较于传统EMD降噪方法和小波降噪方法处理窄带干扰和白噪声的有效性。

参考文献

[1] 臧怀刚，李清志.改进的EMD方法在局部放电信号提取中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2014，26（11）：78-81.

[2] 叶林，刘鹏.基于经验模态分解和支持向量机的短期风电功率组合预测模[J].中国电机工程学报，2011，31（31）：102-108.

[3] 陈志新.对偶树复小波分析及其应用[M].北京：对外经济贸易大学出版社，2014：107.