基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制

于雙江，倪建軍，富 帥

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100076)

0 引言

電流信號(hào)是指以電流的形式出現(xiàn)的信號(hào)，特點(diǎn)是電流的大小能很好地體現(xiàn)信號(hào)的波形，可以接較大的負(fù)載，適合功率放大的輸入信號(hào)，主要用來反映電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，由于電流信號(hào)具有容易產(chǎn)生、便于控制等優(yōu)勢(shì)，因此通過對(duì)電網(wǎng)電流信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的異常情況，第一時(shí)間制定相應(yīng)的解決方案，將電網(wǎng)故障帶來的負(fù)面影響降至最低。由此可見，對(duì)電網(wǎng)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分析是十分必要的。由于電網(wǎng)線路部分較為復(fù)雜，不同電網(wǎng)線路會(huì)產(chǎn)生不同的電流信號(hào)，導(dǎo)致多通道電流信號(hào)中所蘊(yùn)含的噪聲分量較多。在多通道電流信號(hào)中，噪聲的存在會(huì)極大程度地影響信號(hào)的有效性，尤其是使得微弱電流信號(hào)難以捕捉，因此無法保證電網(wǎng)電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和有效性[1]。多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制的重要意義在于提高數(shù)據(jù)采集和處理的準(zhǔn)確性和可靠性。當(dāng)需要采集多個(gè)通道的微弱電流信號(hào)時(shí)，噪聲問題會(huì)變得更加復(fù)雜和棘手。這是因?yàn)楦魍ǖ乐g可能存在交叉干擾，而干擾信號(hào)的程度會(huì)受到信號(hào)源、傳輸線路、環(huán)境噪聲等多種因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)失真和誤差累積。為了提高多通道微弱電流信號(hào)的完整度和有效性，有必要對(duì)信號(hào)中的噪聲進(jìn)行控制。

采用工程技術(shù)措施控制噪聲的傳播和接收，以得到目標(biāo)信號(hào)，即為噪聲控制。目前發(fā)展較為成熟的電流信號(hào)噪聲控制方法有很多，其中文獻(xiàn)[2]方法利用小波變換模極大值的方法來進(jìn)行帶噪信號(hào)的奇異性檢測(cè)的理論，通過混沌蟻群算法確定噪聲控制任務(wù)的作用路徑。文獻(xiàn)[3]方法就通過對(duì)多噪聲信號(hào)的耦合，實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的控制。而文獻(xiàn)[4]方法根據(jù)均方誤差準(zhǔn)則以及均方誤差，預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)信號(hào)誤差，以此決定信號(hào)的濾波參數(shù)，采用自適應(yīng)濾波的方式及可能性信號(hào)噪聲的控制結(jié)果。然而將上述噪聲控制方法應(yīng)用到多通道微弱電流信號(hào)的處理工作中，不能同時(shí)處理好去噪和保留瞬變信號(hào)的問題，為此本文引入經(jīng)驗(yàn)小波變換技術(shù)。經(jīng)驗(yàn)小波變換技術(shù)是將Fourier頻譜分解為連續(xù)段，在各段上建立小波濾波器，并對(duì)其進(jìn)行濾波與重建，從而獲得一系列FM成分。這種方法可以利用具有緊密支持性質(zhì)的小波濾波器組對(duì)Fourier頻譜中的特征信息進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)頻段的自適應(yīng)提取。將經(jīng)驗(yàn)小波變換技術(shù)應(yīng)用到多通道微弱電流信號(hào)的噪聲控制工作中，以期能夠提高有效電流信號(hào)質(zhì)量，通過有效提升數(shù)據(jù)采集和分析的準(zhǔn)確性和可靠性，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供更加精確的數(shù)據(jù)支持。

1 多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制方法

1.1 采集多通道微弱電流信號(hào)

多通道微弱電流信號(hào)的采集面臨著噪聲問題，這是由于信號(hào)本身的微弱性質(zhì)以及環(huán)境、設(shè)備等因素導(dǎo)致的。微弱電流信號(hào)的采集面臨著噪聲問題，原因主要有以下幾點(diǎn)：

1)信號(hào)本身微弱：微弱電流信號(hào)往往非常微弱，可能只有幾微安的電流值，這樣的信號(hào)很容易被環(huán)境噪聲掩蓋，導(dǎo)致信號(hào)難以采集和處理。

2)器件噪聲：采集微弱電流信號(hào)的儀器或器件通常會(huì)引入一定程度的噪聲，例如前置放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。這些噪聲可能來自器件的內(nèi)部電路，也可能來自器件與外界電磁環(huán)境的相互作用。

3)環(huán)境噪聲：采集環(huán)境中可能存在各種干擾源，例如電源干擾、電磁輻射、熱噪聲等。這些干擾源會(huì)在脆弱的微弱信號(hào)中引入額外的噪聲，影響信號(hào)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的解析。

多通道微弱電流信號(hào)中的噪聲來源可分為3種類型，分別為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的低頻波紋噪聲、變壓器在電壓切換過程中產(chǎn)生的諧波分量以及瞬時(shí)信號(hào)變換產(chǎn)生的同步噪聲。多通道微弱電流信號(hào)中噪聲信號(hào)的產(chǎn)生原理如圖1所示。

圖1 噪聲信號(hào)產(chǎn)生原理圖

在存在噪聲干擾的情況下，利用采集電路獲取多通道微弱電流信號(hào)樣本。使用的電流信號(hào)采集電流由前置電路控制、AD采集、數(shù)據(jù)處理、時(shí)鐘分頻、RS232收發(fā)以及收發(fā)控制等模塊組成。其中前置電路控制模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)、采樣保持、程控放大等數(shù)據(jù)采集電路的控制；AD數(shù)據(jù)采集模塊通過TLC2543進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理模塊通過平滑濾波，過濾出頻繁波動(dòng)的隨機(jī)錯(cuò)誤；RS232收發(fā)模塊主要用于FPGA和PC的數(shù)據(jù)傳輸和接收的全雙工異步收發(fā)；接收和接收控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)發(fā)出的命令進(jìn)行分析，并按照命令將所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，再由RS232傳輸?shù)街鳈C(jī)；時(shí)鐘分頻器模塊將時(shí)鐘分配到各個(gè)程序中[5]。在實(shí)際的多通道微弱電流信號(hào)采集過程中，通過電壓變換電路把微弱電流信號(hào)變換成一個(gè)電壓信號(hào)，利用二階放大器把有效信號(hào)放大到 AD裝置的最大輸入?yún)^(qū)域，用A/D裝置進(jìn)行模擬和數(shù)字變換，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和整理，最后由PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，模擬電路全部采用高壓電源，同時(shí)采用正、負(fù)兩種電源，確保零點(diǎn)附近的信號(hào)能夠得到高效地采集，同時(shí)也能減少電源的噪聲對(duì)多通道微弱電流信號(hào)采集結(jié)果產(chǎn)生的影響[6]。則任意通道微弱電流信號(hào)的采集結(jié)果表示為：

Ii=si+ni

(1)

式中，si和ni分別為噪聲信號(hào)和理想的無噪聲電流信號(hào)。按照上述方式可以得出電網(wǎng)多通道中微弱電流信號(hào)的采集結(jié)果，通過整合將電流信號(hào)的采集結(jié)果表示為：

(2)

其中：κi為第i條通道的信號(hào)傳輸損失系數(shù)[7]。按照上述流程完成多通道微弱電流信號(hào)的采集結(jié)果，最大程度地避免采集結(jié)果中存在噪聲干擾。

1.2 基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的信號(hào)分解

信號(hào)分解是將一個(gè)信號(hào)分解成多個(gè)基本信號(hào)(也稱原子信號(hào))的線性組合的過程。這種分解可以幫助研究人員了解信號(hào)的本質(zhì)和特征，并且可以更好地描述和解釋信號(hào)的物理和數(shù)學(xué)特性。信號(hào)分解在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)壓縮、信號(hào)識(shí)別和分類等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，并且在許多科學(xué)和技術(shù)研究中都扮演著重要角色。

經(jīng)驗(yàn)小波變換是一種分解非平穩(wěn)信號(hào)的方法，它既能夠處理周期性信號(hào)，又能夠處理非周期性或不規(guī)則信號(hào)，并且不需要預(yù)設(shè)信號(hào)的本質(zhì)頻率或幅值信息。其基本思想是通過一連串的濾波操作，將信號(hào)分解成多個(gè)尺度和頻率內(nèi)的小波，每個(gè)尺度和頻率的小波可以被表示為一個(gè)二元數(shù)，分別表示振幅和相位。這些小波的振幅和相位具有重要的物理和數(shù)學(xué)意義，能夠描述信號(hào)的結(jié)構(gòu)、特征和有效信息。

經(jīng)驗(yàn)小波變換的優(yōu)點(diǎn)在于其采用了一種自適應(yīng)的調(diào)整小波函數(shù)和尺度的方法，這種方法優(yōu)化了小波分解的結(jié)果和精度，并且避免了傳統(tǒng)小波變換中可能出現(xiàn)的過度平滑或過度分解的問題。此外還具有更好的可重構(gòu)性和魯棒性，能夠處理噪聲、干擾和不規(guī)則信號(hào)等情況，在信號(hào)分解領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

以采集的多通道微弱電流信號(hào)作為處理對(duì)象，利用正交小波濾波器組對(duì)其頻域進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分割，提取與傅里葉譜緊密相關(guān)的分量，將分量表示為與各個(gè)頻段相對(duì)應(yīng)的時(shí)域模態(tài)信號(hào)[8]。經(jīng)驗(yàn)小波變換技術(shù)的執(zhí)行過程如圖2所示。

圖2 經(jīng)驗(yàn)小波變換過程

利用傅里葉變換技術(shù)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行初步處理，傅里葉變換是利用積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，積分運(yùn)算過程可以表示為：

(3)

式中，f(t，a)為積分變換核，其中變量a為積分因子，I(α)為微弱電流信號(hào)I(t)的積分運(yùn)算結(jié)果[9]。微弱電流信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果表示為：

(4)

式中，w為微弱電流信號(hào)頻率。對(duì)經(jīng)過傅里葉變換得到的電流信號(hào)進(jìn)行歸一化處理后，在2π范圍內(nèi)的傅里葉頻譜，根據(jù)香農(nóng)準(zhǔn)則將微弱電流信號(hào)頻譜支撐區(qū)間定義在[0，π]范圍內(nèi)[10]。將微弱電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的傅里葉頻譜劃分為多個(gè)連續(xù)區(qū)段，劃分結(jié)果表示為：

Gn=[ψn-1，ψn]

(5)

式中，ψn-1和ψn為連續(xù)兩個(gè)分割區(qū)段。在上述區(qū)域范圍內(nèi)，利用Meyer 小波的思想，獲得經(jīng)驗(yàn)小波函數(shù)如下：

hw(ψ)=

(6)

式中，rn表示分割區(qū)段ψn-1和ψn之間的間距，尺度λ的計(jì)算公式如下：

λ(x)=κ1x4-κ2x5+κ3x6-κ4x7

(7)

式中，κ1、κ2、κ3和κ4表示不同的常數(shù)[11]。同理可以得出經(jīng)驗(yàn)尺度函數(shù)表達(dá)式，將其標(biāo)記為hc。由此得出多通道微弱電流信號(hào)的分解結(jié)果為：

IEWT(t)=φdetails(t)×hw+∑φapproach(t)×hc

(8)

式中，φdetails(t)和φapproach(t)分別表示細(xì)節(jié)系數(shù)和逼近系數(shù)，將構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)小波函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)尺度函數(shù)代入式(10)中，即可實(shí)現(xiàn)多通道微弱信號(hào)的分解，得到相關(guān)的分解結(jié)果并記錄各模態(tài)分量信號(hào)。

1.3 確定信號(hào)噪聲類型

根據(jù)多通道微弱電流信號(hào)的采集與分解結(jié)果，判斷當(dāng)前微弱電流信號(hào)中是否存在噪聲，利用特征提取與匹配的方式判斷微弱電流信號(hào)中包含噪聲的類型[12]。依據(jù)多通道微弱電流信號(hào)中噪聲信號(hào)的產(chǎn)生原理，可以將信號(hào)噪聲分為窄帶噪聲、背景噪聲以及脈沖噪聲等多種類型，其中窄帶噪聲與背景噪聲的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如下：

(9)

其中：Az(t)、fz和φz分別為窄帶噪聲信號(hào)的幅值、中心頻率和相位，nbackground、nnarrowband和nCEN分別為背景噪聲、窄帶噪聲和有色噪聲[13]。針對(duì)上述噪聲信號(hào)設(shè)置其標(biāo)準(zhǔn)特征，其中背景噪聲的概率密度特征可以表示為：

(10)

式中，σ為背景噪聲信號(hào)方差。按照上述方式可以得出多種不同類型噪聲的標(biāo)準(zhǔn)特征，以此作為判定微弱電流信號(hào)噪聲類型的參考標(biāo)準(zhǔn)[14]。以采集并分割處理完成的多通道微弱電流信號(hào)為處理對(duì)象，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面提取信號(hào)特征。電流信號(hào)峭度特征的提取結(jié)果如下：

(11)

(12)

式中，?i為第i個(gè)特征τi的權(quán)重值，nfeatures為信號(hào)特征總量[15]。最終將設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)特征與微弱電流信號(hào)特征提取結(jié)果進(jìn)行匹配，計(jì)算兩者之間的相似度，計(jì)算過程如下：

(13)

若計(jì)算結(jié)果高于閾值ζ0，則當(dāng)前噪聲類型即為多通道微弱電流信號(hào)所包含的噪聲類型，否則需要進(jìn)行下一種噪聲類型的匹配，直到確定多通道微弱電流信號(hào)噪聲類型為止。

1.4 構(gòu)建信號(hào)噪聲控制器

將電流信號(hào)噪聲控制器作為噪聲控制方法的執(zhí)行元件，控制器采用通用芯片UAF42，可以通過級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)4階至8階的濾波器，該芯片具有過濾功能，能夠保證數(shù)據(jù)噪聲控制質(zhì)量[16]。UAF42內(nèi)置逆變器和兩個(gè)積分器，可以很好地解決在無源濾波器中實(shí)現(xiàn)低功耗電容的問題。所構(gòu)建的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微弱電流信號(hào)噪聲控制器結(jié)構(gòu)圖

圖3中，R1，R2，R3，R4，R5表示不同的電阻，Ui表示原始信號(hào)，Uo表示高通濾波處理后的信號(hào)，Uj表示帶通濾波處理后的信號(hào)，L1，L2表示不同的電感，S1，S2，S3，S4表示不同的電導(dǎo)，D1，D2，D3，D4，D5，D6表示不同的二極管。

從實(shí)際的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，可以很容易地獲得濾波器的特性參數(shù)，包括質(zhì)量因子、最大通帶衰減、濾波器階數(shù)、濾波器增益等，它能快速地計(jì)算出不同類型的濾波器的振幅、頻率，以此搭建相關(guān)的頻率曲線，以此可以直觀地看出濾波器的衰減情況。由鐵氧體管和外部鍍有導(dǎo)電材料的低電流信號(hào)噪聲控制器的傳輸線路也可以作為吸收濾波器。吸收濾波器可以消除干擾分量，而不只是把它反射到信號(hào)源上[17]。在外部連接一個(gè)可伸縮的波紋管，其內(nèi)部具備銅導(dǎo)線。在波紋管的作用下，銅導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生局部放電，此時(shí)波紋管具有防護(hù)功能。采用高壓電容器，將高壓電容器置于絕緣銅筒中，使其能有效地進(jìn)行高壓、低壓濾波。其阻滯波段與局放探測(cè)器波段相一致。電感器纏繞在一個(gè)抱套上。在該抱套中安裝了一層絕緣材料，該材料由一個(gè)中空電感器和一個(gè)濾波器組成了一個(gè)電回路，該電路可以有效地阻斷來自電源輸入端的干擾，阻斷由測(cè)試變壓器自身產(chǎn)生的部分放電信號(hào)，從而避免了被測(cè)信號(hào)含有一定的干擾分量[18]。

噪聲控制器濾波部分的信號(hào)傳遞函數(shù)為：

(14)

式中，q為噪聲控制指令。將微弱電流信號(hào)及其類型分析結(jié)果輸入到噪聲控制器中，生成噪聲控制指令，通過傳遞函數(shù)輸出并作用在對(duì)應(yīng)通道中。

計(jì)算多通道微弱電流信號(hào)噪聲的控制量，具體公式如下：

Δn=|nin-ntarget|

(15)

式中，nin為輸入多通道微弱電流信號(hào)中的噪聲含量，ntarget為信號(hào)中允許存在的最大噪聲量[19]。多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制采用小波硬閾值和軟閾值執(zhí)行兩次噪聲控制工作，硬閾值函數(shù)表達(dá)式如下：

(16)

同理可以得出軟閾值噪聲控制函數(shù)[20]。確定微弱電流信號(hào)的對(duì)應(yīng)通道位置，根據(jù)噪聲類型和噪聲量生成對(duì)應(yīng)的控制指令，作用在不同的通道上，完成多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制的目標(biāo)。

2 噪聲控制效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

采用白盒測(cè)試方式測(cè)試基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制方法的控制效果。實(shí)驗(yàn)使用的白盒測(cè)試方法是一種測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法，即在已知測(cè)試對(duì)象內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)與運(yùn)作原理的情況下，對(duì)所有路徑進(jìn)行測(cè)試。此次實(shí)驗(yàn)是在無噪聲微弱電流環(huán)境中使用人為添加的方式加入噪聲因素，并控制加入的噪聲類型和噪聲量。分別使用不同的噪聲控制方法，判斷控制作用下電流信號(hào)是否能夠恢復(fù)原貌，且在不破壞原電流信息的情況下，最大程度減少信號(hào)噪聲含量。

2.1 配置多通道電流信號(hào)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

此次實(shí)驗(yàn)選擇220 kV的交流電網(wǎng)作為研究對(duì)象，交流電網(wǎng)中的通道數(shù)量為211條，為了減少實(shí)驗(yàn)工作量，隨機(jī)選擇交流電網(wǎng)中的任意10條通道作為測(cè)試對(duì)象，并保證電壓不變，信號(hào)傳輸長(zhǎng)度為15 km。電網(wǎng)中的負(fù)載使用的是滑動(dòng)變阻器，將電阻阻值調(diào)至72 Ω，保證電網(wǎng)各通道輸出的電流信號(hào)均為微弱信號(hào)。將電網(wǎng)與開關(guān)電源相連，其中電源額定輸出功率為25 kW。將主側(cè)計(jì)算機(jī)、多通道電網(wǎng)與頻譜儀通過同軸電纜連接，在頻譜儀上加設(shè)一個(gè)10 dB放大器，通過該設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電流信號(hào)的可視化顯示。

2.2 安裝并調(diào)試噪聲生成器

實(shí)驗(yàn)使用m序列的噪聲生成器，該設(shè)備產(chǎn)生的噪聲特性與周期長(zhǎng)度有關(guān)，周期越長(zhǎng)，噪聲信號(hào)密度越小。安裝的噪聲生成器采用32級(jí)的移位寄存器序列，輸出的噪聲信號(hào)可以用多項(xiàng)式的形式表示：

n=b32+b22+b2+b+1

(17)

式中，b為噪聲信號(hào)的生成強(qiáng)度。設(shè)置噪聲生成器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為15 MHz，采用驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘對(duì)信號(hào)進(jìn)行分頻處理，利用鎖相環(huán)對(duì)相位進(jìn)行修正，使噪聲頻譜得到擴(kuò)大。特別要注意的是，在設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)強(qiáng)制設(shè)置函數(shù)，使得m序列產(chǎn)生器輸出為0的情況下被強(qiáng)制設(shè)置到初始狀態(tài)。實(shí)時(shí)調(diào)整噪聲生成器的運(yùn)行參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)噪聲類型與噪聲信號(hào)量的控制。

2.3 準(zhǔn)備多通道微弱電流信號(hào)樣本

將多通道電網(wǎng)開關(guān)調(diào)整至閉合狀態(tài)，按照用戶端的負(fù)載需求，傳輸微弱電流信號(hào)，并利用采集設(shè)備獲取無噪聲環(huán)境下的微弱電流信號(hào)樣本。交流電網(wǎng)中01號(hào)通道的微弱電流信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 微弱電流信號(hào)波形圖

在此基礎(chǔ)上，啟動(dòng)噪聲生成器，并將噪聲信號(hào)直接作用在微弱電流信號(hào)中，通過信號(hào)間的耦合，得出含有噪聲的微弱電流信號(hào)，如圖5所示。

圖5 含有噪聲的微弱電流信號(hào)波形圖

按照上述操作，可以得出電網(wǎng)環(huán)境中所有通道內(nèi)的電流信號(hào)樣本生成結(jié)果。由于噪聲生成器與各通道之間存在一定的距離，因此各通道中微弱電流信號(hào)中含有的噪聲信號(hào)量存在差異。根據(jù)噪聲生成器的設(shè)置工作參數(shù)及其與通道之間的距離，計(jì)算微弱電流信號(hào)中噪聲元素的理論值，以此進(jìn)行信號(hào)噪聲控制。

2.4 描述噪聲控制及效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程

將優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制方法轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可直接讀取的程序代碼，將其代入到配置的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中。將生成的含有噪聲的微弱電流信號(hào)樣本作為輸入項(xiàng)導(dǎo)入到控制程序中，得出微弱電流信號(hào)噪聲控制結(jié)果，控制程序界面如圖6所示。

圖6 多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制結(jié)果

由此可以得出交流電網(wǎng)中所有通道微弱電流信號(hào)的噪聲控制結(jié)果。為了體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在控制效果方面的優(yōu)勢(shì)，分別將文獻(xiàn)[2-4]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，按照上述流程完成控制方法的開發(fā)與運(yùn)行，并得出對(duì)應(yīng)的噪聲控制結(jié)果。

2.5 設(shè)置噪聲控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置去噪后微弱電流信號(hào)信噪比和相對(duì)誤差作為噪聲控制效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中信噪比指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果如下：

(18)

式中，Iin(i)和IDe-noising(i)分別為i通道的電流信號(hào)及信號(hào)去噪結(jié)果，npassageway表示實(shí)驗(yàn)通道數(shù)量。相對(duì)誤差是指去噪處理結(jié)果與原始微弱電流信號(hào)之間的差距，該指標(biāo)主要用來判斷去噪處理過程中是否對(duì)原始電流信號(hào)產(chǎn)生影響，該指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如下：

(19)

式中，變量Iprimary(i)為原始微弱電流信號(hào)。最終計(jì)算得出微弱電流信號(hào)噪聲控制結(jié)果的信噪比越低、相對(duì)誤差越小，證明控制效果越優(yōu)。在此次實(shí)驗(yàn)中，利用調(diào)試成功的噪聲生成器，分別產(chǎn)生強(qiáng)度為5 dB和25 dB的噪聲信號(hào)，控制噪聲信號(hào)量與電網(wǎng)產(chǎn)生的多通道電流信號(hào)一致。

2.6 噪聲控制效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.6.1 5 dB噪聲環(huán)境

提取初始樣本數(shù)據(jù)以及控制方法的信號(hào)輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)過式(18)得出5 dB噪聲環(huán)境不同方法控制下信噪比的測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 5 dB噪聲環(huán)境下多通道微弱電流信號(hào)信噪比測(cè)試對(duì)比結(jié)果

從圖7中可以直觀地看出，在5 dB噪聲環(huán)境中，本文方法的電流信號(hào)信噪比始終在高于實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，說明該方法的噪聲控制效果好。5 dB噪聲環(huán)境下微弱電流信號(hào)相對(duì)誤差的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 5 dB噪聲環(huán)境下微弱電流信號(hào)相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(23)中，計(jì)算得出3種對(duì)比控制方法作用下，輸出微弱電流信號(hào)的相對(duì)誤差較大，而基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制方法輸出信號(hào)的相對(duì)誤差較小，由此可見利用優(yōu)化設(shè)計(jì)控制方法輸出的微弱電流信號(hào)更接近原始信號(hào)，控制效果好。

5 dB噪聲環(huán)境下3種方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間對(duì)比如表2所示。

表2 5 dB噪聲環(huán)境下噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間對(duì)比

分析表2中的數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[2]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為2.11 s，文獻(xiàn)[3]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為4.96 s，文獻(xiàn)[4]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為3.21 s，本文方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為0.96 s，以此證明5 dB噪聲環(huán)境下本文方法的控制任務(wù)完成時(shí)間更短，效率更高。

2.6.2 25 dB噪聲環(huán)境

其中，25 dB噪聲環(huán)境下多通道微弱電流信號(hào)信噪比測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 25 dB噪聲環(huán)境下多通道微弱電流信號(hào)信噪比測(cè)試對(duì)比結(jié)果

表3中的信噪比數(shù)據(jù)均由式(18)計(jì)算得出，通過平均值計(jì)算得出3種對(duì)比方法下多通道微弱電流信號(hào)信噪比的平均值分別為31.9 dB、42.7 dB和43.2 dB，而在本文方法的控制下，多通道微弱電流信號(hào)的平均信噪比為51.7 dB，說明該方法控制下信號(hào)質(zhì)量更高，信號(hào)噪聲控制效果更好。

25 dB噪聲環(huán)境下微弱電流信號(hào)相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 25 db噪聲環(huán)境下微弱電流信號(hào)相對(duì)誤差測(cè)試結(jié)果

將表4中的信號(hào)值數(shù)據(jù)代入式(19)中，得出15 db噪聲環(huán)境下，4種控制方法作用下，輸出微弱電流信號(hào)的相對(duì)誤差分別為1.56 kA、1.29 kA、0.84 kA和0.31 kA，由此證明在兩種不同的噪聲環(huán)境下，本文方法控制效果始終優(yōu)于傳統(tǒng)方法。通過不同控制方法之間的橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)在兩種不同噪聲強(qiáng)度環(huán)境下，本文方法均能達(dá)到良好的噪聲控制效果，說明該方法的信號(hào)控制效果更好。

25 dB噪聲環(huán)境下3種方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間對(duì)比如表5所示。

表5 25dB噪聲環(huán)境下噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間對(duì)比

分析表5中的數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[2]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為3.47 s，文獻(xiàn)[3]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為7.45 s，文獻(xiàn)[4]方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為5.15 s，本文方法的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制任務(wù)完成時(shí)間最小值為1.23 s，說明25 dB噪聲環(huán)境下本文方法的控制任務(wù)完成時(shí)間更短，整體噪聲控制效率更高。

3 結(jié)束語

微弱電流信號(hào)具有功率低、不易被接收等特點(diǎn)，為了提取到微弱電流信號(hào)中的有效信息，有必要對(duì)其噪聲進(jìn)行有效控制，由此提出了基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的多通道微弱電流信號(hào)噪聲控制方法。在經(jīng)驗(yàn)小波變換去噪分析中，針對(duì)存在噪聲的信號(hào)分量進(jìn)行控制，而對(duì)于無噪聲的分量不做任何處理，以此保證信號(hào)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法不僅能去除微弱電流信號(hào)中的噪聲，同時(shí)能夠有效保留微弱信號(hào)的細(xì)節(jié)信息，具有較高的應(yīng)用價(jià)值與研究意義。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反映出噪聲控制方法與外界環(huán)境之間的關(guān)系，證明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在抗干擾能力差的問題，針對(duì)這一問題還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步改善。