一种基于传声器阵列的GIS声学信号提取方法及系统与流程

一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统
技术领域
1.本发明涉及电力行业噪声振动信号采集分析技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统。


背景技术：

2.目前gis的故障诊断通常采用振动测量的方式进行判别，该方法不受电场和磁场的干扰。由于声音来源于振动，振动信号中包含的gis故障信息同样也会在声音信号中保留下来，相较于振动信号采集，声信号采集采用非接触式的方式可与检测对象相互独立。但在gis的实际声信号采集过程中，周边变压器和电抗器等其他设备辐射出的噪声幅值远高于gis的运行声信号幅值，期望的gis信号被淹没在干扰噪声之中，且期望信号与干扰信号相互耦合，不易分离。
3.目前通常采用声学信号进行gis的故障诊断需要先对gis辐射出的声信号进行采集，传统的基于单传声器在gis声学故障检测中存在一定的局限性，具体表现为强噪声的干扰。在实际的采集环境中，背景噪声非常大，尤其是gis周边其他设备的运行噪声，单传声器采集的信号为期望设备与干扰设备辐射信号的耦合，不利于gis的故障特征声信号的提取。
4.此外，传统的降噪方式通常只在信号处理的后端进行滤波，但是由于声学诊断过程中信噪比往往较低，单一的降噪方法难以达到期望的降噪效果。
5.为此，我们提出一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统，该技术可以从信号处理的前端和后端对采集的信号进行降噪，提取期望设备辐射出的声信号，而提出的一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法，包括以下步骤：
9.s1、利用传声器阵列获取gis的多方位角度的运行声信号，并进行空间滤波，得到含噪声信号；
10.s2、对得到的所述含噪声信号记录并进行数字化处理，得到含噪声信号数据；
11.s3、对得到的所述含噪声信号数据进行小波包分解处理；
12.s4、对小波包分解后的信号进行阈值降噪处理，分离了gis期望信号与干扰噪声，得到降噪信号；
13.s5、将得到的所述降噪信号可视化投屏。
14.优选的，所述s1中传声器阵列获取gis运行声信号采用的是远场声源信号模型，其中：s为远场声源，l1…
l
m
表示的是传声器阵列中的m个阵元，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，根据传声器的分布位置不同，不同位置上的阵元接收到的信
号会存在一定的时间延迟，以第一个阵元作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
15.τ
m
＝dcosθ/c，m＝1,2,
…
,m
16.波束形成的输出为：
[0017][0018]
通过对权重w
m
进行设置空间滤波的俯仰角，聚焦期望方向上的信号。
[0019]
一种基于传声器阵列的gis声学信号提取的系统，包括：
[0020]
采集模块，用于获取gis辐射出的声信号；
[0021]
降噪模块，用于对所述采集模块获取的gis声信号进行降噪处理；
[0022]
pc模块，对处理后的信号进行显示和储存。
[0023]
优选的，所述采集模块包括传声器阵列和数据采集仪；
[0024]
所述传声器阵列，用于获取gis的多方位角度的运行声信号；
[0025]
所述数据采集仪，用于对获取的cis运行声信号进行记录，并对记录的cis运行声信号进行数字化处理。
[0026]
优选的，所述降噪模块包括前端阵列处理模块和后端小波包降噪模块；
[0027]
所述前端阵列处理模块，用于聚焦期望方向上的声信号，零陷干扰噪声；
[0028]
所述后端小波包降噪模块，用于设置阈值，滤除小波包能量小于该阈值的频段。
[0029]
优选的，所述pc模块包括显示屏和存储器；
[0030]
所述显示屏，用于显示经过所述降噪模块处理后的信号数据；
[0031]
所述存储器，用于存储信号数据。
[0032]
本发明的实施例提供的技术方案包括以下有益效果：
[0033]
本发明提出的一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法及系统，通过传声器阵列可以获取声源多方位的角度信息，提高了空间分辨率，通过构建指向性的空间滤波器对声信号加权滤波，接着对空间滤波后的声信号进一步的小波包阈值降噪，具有良好的gis声信号提取效果，提高了声学诊断过程中的信噪比。
附图说明
[0034]
图1为本发明提出的一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法的流程示意图；
[0035]
图2为本发明提出的一种基于传声器阵列的gis声学信号提取的系统的结构示意图。
[0036]
图中：1、采集模块；11、传声器阵列；12、数据采集仪；2、降噪模块；21、前端阵列处理模块；22、后端小波包降噪模块；3、pc模块；31、显示屏；32、存储器。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0038]
参照图1
‑
2，一种基于传声器阵列的gis声学信号提取方法，包括以下步骤：
[0039]
s1、利用传声器阵列11获取gis的多方位角度的运行声信号，并进行空间滤波，得
到含噪声信号；
[0040]
s2、对得到的含噪声信号记录并进行数字化处理，得到含噪声信号数据；
[0041]
s3、对得到的含噪声信号数据进行小波包分解处理；
[0042]
s4、对小波包分解后的信号进行阈值降噪处理，分离了gis期望信号与干扰噪声，得到降噪信号；
[0043]
s5、将得到的降噪信号可视化投屏。
[0044]
在本技术中，传声器阵列11是采用一定数目的声学传声器进行排列，用于对gis运行时辐射的声场进行空间特性采集，通过传声器阵列可以获取声源多方位的角度信息，与传统的采用单传声器对gis辐射出的声信号进行采集相比，提高了空间分辨率，局限性更小，有利于对gis的故障特征的声信号的提取。
[0045]
进一步的，通过在传声器阵列11对gis运行时辐射的声源进行多方位的角度信息获取，并进行空间滤波处理，然后经过数据采集仪12进行数字化处理后进行小波包分解处理，然后再进行阈值降噪处理，分离了gis期望信号与干扰噪声，得到降噪信号，相较于传统只是在信号处理的后端进行滤波处理，得到的信噪比更高，且多重降噪方法达到的期望降噪效果更能达到期望的状态。
[0046]
具体的，因为传声器阵列11采集的声信号中包含背景噪声，小波包阈值降噪可以有效的去除背景噪声的影响。小波包阈值降噪的原理是将经过小波包变换后的幅值系数与设置的阈值相比较，将小于阈值的分量设为0，大于等于阈值的系数进行保留，最后把剩余的小波包系数加以重构。
[0047]
s1中传声器阵列获取gis运行声信号采用的是远场声源信号模型，其中：s为远场声源，l1…
l
m
表示的是传声器阵列中的m个阵元，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，根据传声器的分布位置不同，不同位置上的阵元接收到的信号会存在一定的时间延迟，以第一个阵元作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
[0048]
τ
m
＝dcosθ/c，m＝1,2,
…
,m
[0049]
波束形成的输出为：
[0050][0051]
通过对权重w
m
进行设置空间滤波的俯仰角，聚焦期望方向上的信号。
[0052]
在本发明中，将小波包阈值降噪运用于实际的gis声信号降噪上。
[0053]
设{θ
j
(t
‑
2/n)}
n∈z
为空间u
j
的正交基，正交尺度函数和小波函数构成二尺度方程：
[0054][0055]
即让信号w1(t)通过h
k
、g
k
这两个高、低通组合正交镜像滤波器进行组合二抽一采样。小波包分解的实质是将信号分解到不同的频段中，小波包分解的频段宽度
△
f与分解层数j以及采样频率f
s
满足
[0056][0057]
适当选择分解层数可以即可得到所需的频段宽度及各频段起、止频段
[0058]
。对小波包进行分解得到两个尺度之间的子波系数关系：
[0059][0060]
信号即被分解为：
[0061][0062]
其中u
n
(t)为小波包对应函数集生成的子空间。对分解后的每个尺度子波系数进行阈值处理，将低于门限阈值的子波系数置为零，重构各个尺度的剩余系数，得到降噪后的信号。考虑采样频率、小波包分解子带频率以及gis本体噪声频率范围之间的联系，采用3层小波包分解算法对采集到的gis原始噪声信号进行降噪处理。
[0063]
本发明还公开了一种基于传声器阵列的gis声学信号提取的系统，包括：
[0064]
采集模块1，包括传声器阵列11和数据采集仪12，用于获取gis辐射出的声信号。其中，传声器阵列11，用于获取gis的多方位角度的运行声信号，获取声源多方位的角度信息，同时提高获取声信号的分辨率。而数据采集仪12则是用于对获取的cis运行声信号进行记录，并对记录的cis运行声信号进行数字化处理。
[0065]
降噪模块2包括前端阵列处理模块21和后端小波包降噪模块22，用于对采集模块1获取的gis声信号进行降噪处理。其中，前端阵列处理模块21设置在传声器阵列11上，用于聚焦期望方向上的声信号，零陷干扰噪声。后端小波包降噪模块22，用于设置阈值，滤除小波包能量小于该阈值的频段，以便于进行阈值降噪处理。
[0066]
pc模块3，pc模块3包括显示屏31和存储器32，对处理后的信号进行显示和储存。显示屏31，用于显示经过降噪模块2处理后的信号数据。存储器32，用于存储信号数据。
[0067]
本发明中，首先通过传声器阵列可以获取声源多方位的角度信息，提高了空间分辨率，再通过构建指向性的空间滤波器对声信号加权滤波，然后接着对空间滤波后的声信号进一步的小波包阈值降噪，以达到提高gis声信号提取效果的作用，且提高了声学诊断过程中的信噪比。
[0068]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。