阅读说明：本技术 一种基于小波去噪的长线屏蔽线缆转移阻抗测量系统及方法 (Long-wire shielded cable transfer impedance measurement system and method based on wavelet denoising ) 是由 王世山 丁一波 王娜 郭静 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于小波去噪原理的长线屏蔽线缆转移阻抗的测量方法,根据传输线的反射机理,确定内回路的阻抗和外回路的阻抗,并进行阻抗匹配网络的设计；将示波器和阻抗匹配网络连接,阻抗匹配网络与被测屏蔽线缆连接,参考导体平面与阻抗匹配网络连接,振荡电路与信号脉冲发射器连接,置于被测屏蔽电缆旁,夹具固定被测屏蔽线缆；通过信号脉冲发射器产生高频激励信号,再通过振荡电路形成模拟的外部电磁波干扰源；将被测线缆的末端连接至示波器,接受并读取测试系统的响应信号；通过小波去噪后运算获得被测线缆的转移阻抗。本发明通过时域的测量方法得到频域的转移阻抗曲线；扩大了测量的带宽长度,适用于长线屏蔽线缆的转移阻抗测量。(The invention discloses a method for measuring the transfer impedance of a long-line shielded cable based on a wavelet denoising principle, which determines the impedance of an inner loop and the impedance of an outer loop according to the reflection mechanism of a transmission line and designs an impedance matching network; connecting an oscilloscope with an impedance matching network, connecting the impedance matching network with a tested shielded cable, connecting a reference conductor plane with the impedance matching network, connecting an oscillation circuit with a signal pulse transmitter, placing the oscillation circuit beside the tested shielded cable, and fixing the tested shielded cable by a clamp; generating a high-frequency excitation signal through a signal pulse transmitter, and forming a simulated external electromagnetic wave interference source through an oscillation circuit; connecting the tail end of the tested cable to an oscilloscope, and receiving and reading a response signal of the test system; and obtaining the transfer impedance of the tested cable through wavelet de-noising operation. The invention obtains a transfer impedance curve of a frequency domain by a time domain measuring method; the bandwidth length of measurement is enlarged, and the method is suitable for measuring the transfer impedance of the long-wire shielded cable.)

一种基于小波去噪的长线屏蔽线缆转移阻抗测量系统及方法

技术领域

本发明属于测量线缆性能的领域，主要是解决现有测量方法在测量长线屏蔽线缆的转移阻抗含噪量过大，实验误差较大的问题。

背景技术

线缆作为电力器件中必不可少的一部分，其自身对外界干扰屏蔽的能力对于系统的正常稳定运行极为重要，线缆的屏蔽效能是衡量线缆性能重要手段，而转移阻抗基于电路理论，可间接地反映电缆的屏蔽效能，且其测量较便捷与精确，故一般都对线缆的转移阻抗进行测量研究，来衡量线缆的屏蔽性能的优劣程度。

国内外现有的转移阻抗测量方法主要有：三同轴法、线注入法、混波室法等。而这些方法基本都是在频域下进行测量的，测试结果不够直观，而这些方法的实验条件较为苛刻，且对于长线线缆存在较大的误差。

目前的测量方法对于线缆长度大于电磁波波长的“长线”屏蔽线缆的测量误差较大，效果较差。而随着工程中线缆的应用场所越来越广泛，因此设计一种长线屏蔽线缆的转移阻抗测量方法是必然的趋势。

发明内容

发明目的：为了扩大转移阻抗的测量范围，本发明提供一种基于小波去噪的长线屏蔽线缆的转移阻抗测量方法。

技术方案：一种基于小波去噪的长线屏蔽线缆转移阻抗测试系统，包括双通道的示波器、振荡电路、信号脉冲发射器、夹具、阻抗匹配网络、参考导体平面、电位器和激励源，所述双通道的示波器用于接收响应信号，所述振荡电路用于生成模拟外部电磁场干扰，所述信号脉冲发射器用于产生高频激励信号，阻抗匹配网络用于抑制测量系统中信号反射，参考导体平面用于形成外回路，所述电位器和激励源用于特性阻抗的检测，测量时，所述双通道示波器和阻抗匹配网络连接，所述阻抗匹配网络与被测屏蔽线缆连接，参考导体平面与阻抗匹配网络连接，振荡电路与信号脉冲发射器连接，置于被测屏蔽电缆旁，夹具固定被测屏蔽线缆，所述被测线缆包括屏蔽层与内部芯线，被测线缆的屏蔽层与芯线形成内回路，屏蔽层与参考导体平面形成外回路。

一种基于小波去噪的长线屏蔽线缆转移阻抗的测量方法，包括下列步骤：

步骤1，连接线缆特性阻抗测量电路，激励源的一端接地，另一端连接电位器的一端，电位器的另一端连接线缆回路的A端，线缆回路的另一端B端为开路端，示波器与B端相连，根据传输线的反射机理，确定内回路的阻抗Z₁和外回路的阻抗Z₂，并进行阻抗匹配网络的设计；

步骤2，将步骤1中的被测线缆与电位器断开，将示波器和阻抗匹配网络连接，阻抗匹配网络与被测屏蔽线缆连接，参考导体平面与阻抗匹配网络连接，振荡电路与信号脉冲发射器连接，置于被测屏蔽电缆旁，夹具固定被测屏蔽线缆，被测线缆的屏蔽层与芯线形成内回路，屏蔽层与参考导体平面形成外回路；

步骤3，通过信号脉冲发射器产生的高频激励信号作为振荡电路的信号源，再通过振荡电路形成模拟的外部电磁波干扰源；

步骤4，将步骤2的内外回路从被测线缆的末端，即距离外部电磁波远的一端连接至示波器，接受并读取测试系统的响应信号，即内回路电压U₁(t)与外回路电压U₂(t)；

步骤5，根据步骤4中获得的响应信号，通过小波去噪后运算获得被测线缆的转移阻抗。

进一步地，所述步骤1中，内外回路的特性阻抗确定方法为：根据信号反射系数计算公式：

其中，Z_L为负载阻抗，在测量中为电位器的值，Z_C为所测回路的特性阻抗，Z_C为Z₁或者Z₂，当Z_L＝Z_C时，激励源的输入信号v(t)经过A点时不发生反射，此时电位器与被测线缆构成分压器，使得0.5v(t)的信号到达开路端B，由于开路端反射系数为1，此时在B端测得的电压为v(t)，当Z_L≠Z_C时，B端测得的电压会出现振铃现象，在测量过程中缓慢调整电位器Z_L的阻值直至示波器测得开路电压波形与输入信号波形重合，读取此阻值即为该回路的特性阻抗。

进一步地，步骤5中，在测量过程中，芯线上的电流几乎为0，故忽略芯线上的电流，由于转移阻抗Z_T的数量级远小于外回路特性阻抗Z₂，Z_Tl的数量级也远小于Z₂，l为所测电缆的长度，在使用外回路电压U₂(t)计算屏蔽层的表面电流I(t)时，Z_Tl可以忽略不记，以下式的方法计算，

转移阻抗的定义是在频域内给出的，为了从时域结果换算，需要对数据进行傅里叶分析，分别将得到的内回路电压U₁(t)与I(t)分别做快速傅里叶变换，得到其频域的U₁(jω)和I(jω)，对这部分数据利用小波包进行多层次分解并且对每层进行多阈值去噪，再将每层去噪后的数据进行重构，得到去噪后的U'₁(jω)和I'(jω)，由下式求得被测线缆的转移阻抗频谱Z_T(jω)

有益效果：

本发明通过时域的测量方法得到频域的转移阻抗曲线；扩大了测量的带宽长度，适用于长线屏蔽线缆的转移阻抗测量。使用在被测线缆周围环境施加时变电磁场的方法，而非在回路中施加激励，模拟了屏蔽线缆在复杂电磁环境下的工作情况，所测得的转移阻抗能够更好的反应线缆在实际应用场合中的屏蔽特性，所述外部电磁场干扰是对振荡电路通入高频激励源生成。对于实验所得响应信号进行快速傅里叶变换，由于信号在高频段具有较高的含噪量，故对这部分数据进行小波包分解，并进行分层阈值去噪；去噪后将信号进行重构，得到去噪后的实验数据，有效的扩大了转移阻抗的测量范围。采用了小波包分解分层多阈值去噪的方法，解决了由传输线效应导致的长线屏蔽线缆的测量响应信号出现密集的谐振点，使测量数据产生误差的问题。

附图说明

图1为测量装置的示意图；

图2为外部电磁波生成装置的示意图；

图3为被测线缆的等效电路图；

图4为测量装置的等效电路图；

图5为特性阻抗测量原理图；

图6(a)为内回路特性阻抗Z₁小于50Ω时阻抗匹配网络的设计图，图6(b)为内回路特性阻抗Z₁大于50Ω时阻抗匹配网络的设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的长线屏蔽线缆转移阻抗测量系统，包括双通道的示波器、振荡电路、信号脉冲发射器、夹具、阻抗匹配网络、参考导体平面、电位器和激励源，所述双通道的示波器用于接收响应信号，所述振荡电路用于生成模拟外部电磁场干扰，所述信号脉冲发射器用于产生高频激励信号，阻抗匹配网络用于抑制测量系统中信号反射，参考导体平面用于形成外回路，所述电位器和激励源用于特性阻抗的检测，测量时，所述双通道示波器和阻抗匹配网络连接，所述阻抗匹配网络与被测屏蔽线缆连接，参考导体平面与阻抗匹配网络连接，振荡电路与信号脉冲发射器连接，置于被测屏蔽电缆旁，夹具固定被测屏蔽线缆，所述被测线缆包括屏蔽层与内部芯线，被测线缆的屏蔽层与芯线形成内回路，屏蔽层与参考导体平面形成外回路。

本发明的与现有的部分转移阻抗测量方法不同之处在于：本方法采用的是通过用如图2所示的电磁波生成装置，在被测线缆周围环境施加时变电磁场的方法，而非在外回路连接中施加激励，更加真实的模拟了屏蔽线缆在复杂电磁环境下的工作情况，结果更为可靠。

根据传输线理论，将屏蔽线缆等效成两根平行的传输线，得到如图3所示的屏蔽线缆等效电路，图3中R₁是源端负载阻抗，R₂是末端负载阻抗，由等效电路可知，在高频段，即“长线”部分存在较多谐振点，是影响测量精度的主要方面，根据测量装置的示意图与屏蔽线缆等效电路可得到如图4所示的测量装置的等效电路图。

本发明的测量方法按如下步骤进行：

步骤1，连接线缆特性阻抗测量电路，激励源的一端接地，另一端连接电位器的一端，电位器的另一端连接线缆回路的A端，线缆回路的另一端B端为开路端，示波器与B端相连，根据传输线的反射机理，确定内回路的阻抗Z₁和外回路的阻抗Z₂，并进行阻抗匹配网络的设计，具体如下：

根据信号反射系数计算公式：

设计如图5所示的测量电路，Z_L为负载阻抗，在测量中为电位器的值，Z_C为所测回路的特性阻抗，Z_C为Z₁或者Z₂，以内回路Z₁为例，当Z_L＝Z₁时，输入信号v(t)经过A点时不发生反射，此时电位器与被测线缆构成分压器，使得0.5v(t)的信号到达开路端B。由于开路端反射系数为1，此时在B端测得的电压为v(t)。当Z_L≠Z₁时，B端测得的电压会出现振铃现象，在测量过程中缓慢调整电位器Z_L的阻值直至示波器测得开路电压波形与输入信号波形重合，读取此阻值即为该回路的特性阻抗。当测量所得的特性阻抗Z₁小于50Ω时，阻抗匹配网络的设计如图6(a)所示，50Ω为常用阻抗，其中R_s为为阻抗匹配网络中的串联阻抗，R_p为阻抗匹配网络中的并联阻抗：

当测量所得的特性阻抗Z₁大于50Ω时，阻抗匹配网络的设计如图6(b)所示，其中R_s,R_p分别为：

如果是外回路特性阻抗Z₂，则特性阻抗Z₂连接屏蔽层和参考地。

步骤2，将步骤1中的被测线缆与电位器断开，将示波器和阻抗匹配网络连接，阻抗匹配网络与被测屏蔽线缆连接，参考导体平面与阻抗匹配网络连接，振荡电路与信号脉冲发射器连接，置于被测屏蔽电缆旁，夹具固定被测屏蔽线缆，被测线缆的屏蔽层与芯线形成内回路，屏蔽层与参考导体平面形成外回路；

步骤3，使用信号脉冲发射器往图2的振荡电路中通入高频激励源，使被测线缆处于振荡电路所产生的时变电磁场中。

步骤4，将步骤2的内外回路从被测线缆的末端，即距离外部电磁波远的一端连接至示波器，接受并读取测试系统的响应信号，即内回路电压U₁(t)与外回路电压U₂(t)；

步骤5，根据步骤4中获得的响应信号，通过小波去噪后运算获得被测线缆的转移阻抗，根据图4等效电路，在测量过程中，芯线上的电流几乎为0，故忽略芯线上的电流。由于转移阻抗Z_T的数量级远小于外回路特性阻抗Z₂，Z_Tl的数量级也远小于Z₂，在使用外回路电压U₂(t)计算屏蔽层的表面电流I(t)时，Z_Tl可以忽略不记，以公式(4)的方法计算。

转移阻抗的定义是在频域内给出的，为了从时域结果换算，需要对数据进行傅里叶分析。分别将得到的内回路电压U₁(t)与I(t)分别做快速傅里叶变换，得到其频域的U₁(jω)和I(jω)。由于传输线效应，测量数据在高频“长线”部分具有较多谐振引起的噪声，且其响应幅度小易受到噪声干扰，所以对这部分数据利用小波包进行多层次分解并且对每层进行多阈值去噪，再将每层去噪后的数据进行重构，得到去噪后的U'₁(jω)和I'(jω)，由公式(5)求得被测线缆的转移阻抗频谱Z_T(jω)。