[发明专利]一种自主消除脉冲信号零点漂移的数值积分方法

说明书

本发明为解决现有利用积分器或数值积分将信号复原实现高压脉冲的电压、电流的测量，存在通用性差或因示波器采样存在本底噪声，其在数值积分过程中不断累积，导致积分波形畸变，引起的零点漂移现象的问题，而提供一种自主消除脉冲信号零点漂移的数值积分方法。本发明通过分次消除示波器本底噪声中直流分量与随机分量，首先对示波器本底噪声中的直流分量的采样结果定义随机数组并进行赋值，能够保持信号与波器垂直分辨率d₀的整数倍关系；其次通过分析积分信号的特征参数以及其分布情况，通过进行数据处理，获得消除随机分量后的离散信号，无需人工去识别信号的起点和终点，完善地保留示波器监测的脉冲信号。

技术领域

本发明涉及信号数值处理领域，具体涉及一种自主消除脉冲信号零点漂移的数值积分方法。

背景技术

脉冲功率装置中针对高压脉冲的电压电流测量，经常会采用微分型电压、电流探头，所获得的微分信号经过积分器或数值积分可将信号复原。

目前工程上，微分信号通常采用积分器进行复原，复原后的信号由数字示波器采集和显示。对于不同前沿和脉宽的信号，需要配置不同参数的积分器，因此上述方法的通用性较差。此外，获取积分器性能参数需要精细设计的标定实验，而该标定实验一般采用数值积分作为参考标准，因此相对数值积分，使用积分器引入了更多的测量误差。

数值积分复原信号是指由示波器直接采集微分信号，再通过数值计算的方法对采集到的信号积分复原，该方法在理论上具有良好的通用性和准确性。但是由于示波器采样存在本底噪声，其在数值积分过程中不断累积，导致积分波形畸变，严重影响测量精度，这称为零点漂移现象。

本底噪声在现象上表现为：当示波器输入信号为零时，其输出信号不为零，输出信号是一段随机噪声，即本底噪声。在数值上本底噪声的期望值一般不等于零，因此示波器的本底噪声可以认为是包含一个直流分量ε和一个期望为零的随机分量η，其中直流分量ε会导致数值积分波形随时间线性变化，随机分量η则会在数值积分波形上叠加低频的震荡。

本底噪声的产生机制主要包括三个方面。一是热误差，即示波器工作工程中由于温度变化，电路元件参数发生改变所引起的误差。二是量化误差，这是示波器模数转换过程中，将模拟信号近似为数字信号所引入的误差。三是随机干扰因素，包括电网波动，空间电磁干扰以及示波器通道之间相互干扰等。本底噪声中，直流分量ε主要由热误差决定，而随机分量η则主要取决于量化误差和随机因素。

为了解决数值积分中的零点漂移问题，目前一般采用平均值法消去本底噪声。该方法要求在示波器监测到输入信号前，采样一段足够长的本底信号，并计算该段信号的平均值μ，即：

式(1)中，s(n)为示波器采样得到的离散信号，n₀为本底信号的长度。由于信号的平均值μ是关于参数ε的最大似然估计，可将平均值μ等价为本底噪声的直流分量ε，采用式(2)消除直流分量ε对积分结果影响。式(2)中离散信号s₁(n)是离散信号s(n)消去直流分量ε影响之后的信号，积分信号S₁(n)是离散信号s₁(n)的数值积分结果，t₀是示波器的采样时间间隔。

尽管采用平均值法能够有效消除直流分量ε对数值积分的影响，但是目前尚没有可行的方法能够有效去除随机分量η，且随机分量η对积分信号S₁的影响不容忽略，由随机分量η引入的低频干扰会对积分信号S₁幅值和前沿读取造成显著的困难。

其次，采用平均值法处理信号需要人工进行干预。该方法需要识别示波器所监测的输入信号的起点，并截取输入信号开始前的本底信号进行数据处理。但是在脉冲功率装置中，被监测的信号通常具有低幅值的预脉冲，导致信号起点难以判断。因此输入信号起点一般需要人工进行识别，随着脉冲功率装置规模扩大，装置监测信号可达到数百路，若采用人工操作在工程上殊为不便。