对超声波放电检测信号处理后的音频数据可视化的方法

摘要

本发明提供一种对超声波放电检测信号处理后的音频数据可视化的方法。包含有如下步骤：首先对通过检测器存储的音频数据进行处理得到其离散时域图，一是对离散时域图经过FFT变换和频率平移得到原超声波的频谱图，二是对离散时域图进行取绝对值处理和低频率重采样得到原超声波的幅值相位图。本发明能够得到超声波的数据统计图谱，便于数据直观显示，更好的分析电力设备绝缘介质发生局部放电原因。

说明书

技术领域

本发明涉及电力行业输变电技术领域，具体涉及到一种用于电力设备检测的对超声波放 电检测信号处理后的音频数据可视化的方法。

背景技术

电力设备绝缘介质发生局部放电时，不但产生高频脉冲电信号，同时会产生超声波。超 声波以球面波的方式向四周传播。超声波检测器可以把接收到的超声波信号经过外差处理然 后转化成人耳可听的声音信号。这种可听的信号可以用耳机收听，也可以储存下来供其它人 员使用。超声波检测器还可以显示超声波信号的强度，用于保存或比较。一般都把信号的强 度作为历史资料保存。为了更好的分析电力设备绝缘介质发生局部放电，就要得到原始的超 声波数据统计图谱，这就需要研发一种对超声波局部放电检测信号外差处理后存储的音频信 号进行还原的可视化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述存在的不足，提供一种能够得到超声波的数据统 计图谱，便于数据直观显示，更好的分析电力设备绝缘介质发生局部放电原因的对超声波放 电检测信号处理后的音频数据可视化的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

对超声波放电检测信号处理后的音频数据可视化的方法，包含有如下步骤：

首先利用传感器收集电力设备绝缘介质放电时产生的超声波信号，并通过放大器进行处 理，传入调制器；将调制器连入本地振荡器，在调制器内对信号进行外差法处理，将局部放 电的超声波信号经过超声波检测器的放大和外差处理后按一定的采样率和分辨率采集得到音 频数据；其特征在于：

将得到的音频数据按采样率计算采样间隔，设置横轴的时间，取线性图，得到音频数据 的离散时域图。

对所得到的离散时域图谱进行FFT变换，得到音频数据的频谱图，然后变换为柱状图， 其中，FFT含义如下：f(t)是t的周期函数，如果t满足狄里赫莱条件：在一个周期内具有 有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点；绝对 可积。则有下式成立，称为积分运算f(t)的傅立叶变换；

$F\left(\omega \right)=\Gamma \left[f\left(t\right)\right]=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}f\left(t\right)e^{-\mathrm{i\omega t}}\mathrm{dt}$

为了在科学计算和数字信号处理等领域使用计算机进行傅里叶变换，必须将函数定义在 离散点上而非连续域内，且须满足有限性或周期性条件；这种情况下，序列的离散傅 立叶变换(discrete Fourier transform,DFT)为

$X\left[k\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{\pi kn}/N}$

FFT是一种DFT高效算法，称为快速傅立叶变换(fast Fourier transform)。由上式计 算DFT对于X[k]的每个K值，需要进行4N次实数相乘和(4N-2)次相加，对于N个k值， 共需N*N乘和N(4N-2)次实数相加。改进DFT算法，减小它的运算量，利用DFT中e^-j2π/N的周期性和对称性，使整个DFT的计算变成一系列迭代运算，可大幅度提高运算过程和运算 量，这就是FFT的基本思想。信号是实数序列,任何实数都可看成虚部为零的复数，利用复数 据FFT对实数据进行有效计算。一个N点FFT同时计算两个N点实序列的DFT，设X₁(n),X₂(n) 是彼此独立的两个N点实序列,且X₁(k)＝DFT[X₁(n)]，X₂(k)＝DFT[X₂(n)]，可通过一次FFT 运算同时获得X₁(k)，X₂(k)。算法如下：

首先将X₁(n),X₂(n)分别当作一复序列的实部及虚部，

令X(n)＝X₁(n)+jX₂(n)

通过FFT运算可获得x(n)的DFT值，X(k)＝DFT[X₁(n)]+jDFT[X₂(n)]＝X₁(k)+jX₂(k) 利用离散付里叶变换的共轭对称性

$X_1\left(k\right)=\frac{1}{2}[X\left(k\right)+\overline{X(N-k)}]$

$X_1\left(k\right)=\frac{1}{2}[X\left(k\right)-\overline{X(N-k)}]$

有了X(n)的FFT运算结果X(k),由上式即可得到X₁(k)，X₂(k)的值。

将音频数据频谱图的柱状图平移本振频率f_o个单位即得到原超声波频谱图。

截取音频数据离散时域图的单周期图；对得到的单周期离散时域图纵轴取绝对值；

使采样点数不变，根据重采样频率，重新计算采样时间和采样间隔，根据采样间隔重新 设置时间轴，得到低频率重采样图；

把得到的低频率重采样图的时间轴变换成相位轴，关系如下：

p＝ft×360°

f为被检测电力设备的工频交流电频率，然后变换为柱状图，即得到幅值相位图。

本发明的有益效果在于：

本发明方法能够得到超声波的数据统计图谱，便于数据直观显示，更好的分析电力设备 绝缘介质发生局部放电原因。

附图说明

图1是本发明实施例超声波检测示意图；

图2是本发明实施例音频数据的离散时域图；

图3是本发明实施例音频数据的频谱图；

图4是本发明实施例音频数据频谱图的柱状形式；

图5是本发明实施例超声波数据的频谱图；

图6是本发明实施例音频数据离散时域的单周期图；

图7是本发明实施例音频数据单周期离散时域的绝对值图；

图8是本发明实施例音频数据的低频率重采样图；

图9是本发明实施例超声波数据的幅值相位图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步的说明：

如图1至图9所示的对超声波放电检测信号处理后的音频数据可视化的方法，包含有如 下步骤：

如图1所示，首先利用传感器收集电力设备绝缘介质放电时产生的超声波信号，并通过 放大器进行处理，传入调制器；将调制器连入本地振荡器，在调制器内对信号进行外差法处 理，将局部放电的超声波信号经过超声波检测器的放大和外差处理后按一定的采样率和分辨 率采集得到音频数据。

将得到的音频数据按采样率计算采样间隔，设置横轴的时间，取线性图，得到音频数据 的离散时域图，如图2所示。

对所得到的离散时域图谱进行FFT变换，得到音频数据的频谱图，如图3所示，然后变 换为柱状图，如图4所示。

其中，FFT含义如下：f(t)是t的周期函数，如果t满足狄里赫莱条件：在一个周期内 具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点； 绝对可积。则有下式成立，称为积分运算f(t)的傅立叶变换。

$F\left(\omega \right)=\Gamma \left[f\left(t\right)\right]=\underset{-\infty }{\overset{\infty }{\int }}f\left(t\right)e^{-\mathrm{i\omega t}}\mathrm{dt}$

为了在科学计算和数字信号处理等领域使用计算机进行傅里叶变换，必须将函数定义在 离散点上而非连续域内，且须满足有限性或周期性条件。这种情况下，序列的离散傅 立叶变换(discrete Fourier transform,DFT)为

$X\left[k\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{x}_n{e}^{-j2\mathrm{\pi kn}/N}$

FFT是一种DFT高效算法，称为快速傅立叶变换(fast Fourier transform)。由上式计 算DFT对于X[k]的每个K值，需要进行4N次实数相乘和(4N-2)次相加，对于N个k值， 共需N*N乘和N(4N-2)次实数相加。改进DFT算法，减小它的运算量，利用DFT中e^-j2π/N的周期性和对称性，使整个DFT的计算变成一系列迭代运算，可大幅度提高运算过程和运算 量，这就是FFT的基本思想。信号是实数序列,任何实数都可看成虚部为零的复数，利用复数 据FFT对实数据进行有效计算。一个N点FFT同时计算两个N点实序列的DFT，设X₁(n),X₂(n) 是彼此独立的两个N点实序列,且X₁(k)＝DFT[X₁(n)]，X₂(k)＝DFT[X₂(n)]，可通过一次FFT 运算同时获得X₁(k)，X₂(k)。算法如下：

首先将X₁(n),X₂(n)分别当作一复序列的实部及虚部，

令X(n)＝X₁(n)+jX₂(n)

通过FFT运算可获得x(n)的DFT值，X(k)＝DFT[X₁(n)]+jDFT[X₂(n)]＝X₁(k)+jX₂(k) 利用离散付里叶变换的共轭对称性

$X_1\left(k\right)=\frac{1}{2}[X\left(k\right)+\overline{X(N-k)}]$

$X_1\left(k\right)=\frac{1}{2}[X\left(k\right)-\overline{X(N-k)}]$

有了X(n)的FFT运算结果X(k),由上式即可得到X₁(k)，X₂(k)的值。

将音频数据频谱图的柱状图向右平移图1中的本振频率f_o(38KHz)个单位即得到原超声 波频谱图，如图5所示。

截取音频数据离散时域图的单周期图，如图6所示。

对得到的单周期离散时域图纵轴取绝对值，如图7所示。

使采样点数不变，根据重采样频率，重新计算采样时间和采样间隔，根据采样间隔重新 设置时间轴，得到低频率重采样图，如图8所示。

把得到的低频率重采样图的时间轴变换成相位轴，关系如下：

p＝ft×360°

f为被检测电力设备的工频交流电频率，然后变换为柱状图，即得到幅值相位图，如图9 所示。

以上说明仅为本发明的应用实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此 依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。