張 悅，劉尚合，劉衛(wèi)東，胡小鋒（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北　石家莊050003）

基于加窗四階累量時(shí)延估計(jì)的微瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)檢測(cè)算法

張 悅，劉尚合，劉衛(wèi)東，胡小鋒
（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊050003）

以研究微弱瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)的探測(cè)手段為目的，提出了一種基于加窗四階累量時(shí)延估計(jì)的檢測(cè)算法。利用高階累量對(duì)高斯噪聲的抑制作用以及相干平滑變換對(duì)微弱窄帶噪聲的弱化效果，將低信噪比條件下非周期微弱放電信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為周期性時(shí)延參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題。仿真及實(shí)驗(yàn)比較了加窗四階累量互相關(guān)、非加窗四階累量互相關(guān)及傳統(tǒng)互相關(guān)時(shí)延估計(jì)3種算法的檢驗(yàn)性能。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)加窗處理的四階累量時(shí)延估計(jì)算法在相關(guān)高斯白噪聲、非相關(guān)高斯白噪聲及窄帶噪聲3種噪聲條件下的檢測(cè)性能都優(yōu)于其他兩種方法，比較適合用于微弱電磁輻射源的遠(yuǎn)距離探測(cè)。

瞬態(tài)電磁輻射；微弱信號(hào)；四階累量；相干平滑變換；信號(hào)檢測(cè)

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0 引 言

瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)蘊(yùn)含了大量能反映輻射源特征的相關(guān)信息，通過(guò)對(duì)此類信號(hào)的探測(cè)和處理，可以獲取瞬態(tài)電磁輻射源的空間位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其所屬類型等豐富信息。在航空領(lǐng)域，空中飛行體與空間粒子撞擊摩擦而產(chǎn)生的沉積靜電放電會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的瞬態(tài)電磁輻射［1-2］，研究飛行體產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)的探測(cè)技術(shù)可以為空中目標(biāo)監(jiān)測(cè)、飛行故障診斷等研究開辟一條新途徑。在電力系統(tǒng)等民用領(lǐng)域，高壓變電站和輸電線路中產(chǎn)生的局部放電是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素，其產(chǎn)生的局部放電信號(hào)不僅會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾和電磁危害，同時(shí)還蘊(yùn)含了大量能反映電力系統(tǒng)潛在故障等方面的特征信息。目前，利用該信號(hào)對(duì)于電力系統(tǒng)的故障預(yù)警、故障點(diǎn)定位以及故障類型識(shí)別等方面已有大量的研究工作［3-4］。

但在實(shí)際工程應(yīng)用中，空間電磁環(huán)境十分復(fù)雜，在被檢測(cè)目標(biāo)的探測(cè)距離很遠(yuǎn)（空中飛行體）或是電力系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜接觸式監(jiān)測(cè)的情況時(shí)，此類信號(hào)的檢測(cè)就變成了強(qiáng)噪聲背景下的微弱瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題［5-6］。目前，比較成熟的弱瞬態(tài)信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要有小波去噪法、自適應(yīng)數(shù)字濾波法、傅里葉頻域變換法等，能達(dá)到的最低檢測(cè)信噪比約在-10 dB左右［7-8］?；煦缧蛄蓄A(yù)測(cè)算法［9］、Duffing混沌振子差值檢測(cè)法［10-11］、小波奇異值分解檢測(cè)法［12］是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的比較新的微信號(hào)檢測(cè)算法，對(duì)已知頻譜的目標(biāo)信號(hào)具有較高的檢測(cè)性能。但本文所研究的瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)是一種靜電放電信號(hào)。不同于經(jīng)常處理的瞬態(tài)方波、三角脈沖及窄帶周期信號(hào)，它的放電時(shí)間很短，脈寬在微秒量級(jí)甚至納秒量級(jí)，頻譜分布很寬，從幾十k Hz至幾個(gè)G Hz，同時(shí)具有比較明顯的非平穩(wěn)性、隨機(jī)性和非周期性等特征［13-14］，因此在未知放電頻次，未知頻譜分布的情況下，利用上述方法進(jìn)行弱靜電放電信號(hào)的盲提取是很困難的。

時(shí)延估計(jì)方法是通過(guò)信號(hào)到達(dá)不同探測(cè)器接收時(shí)間差來(lái)獲取目標(biāo)信號(hào)時(shí)間信息的算法，不需要知曉目標(biāo)信號(hào)的相參、非相參等先驗(yàn)信息，很適用于弱靜電放電信號(hào)的盲提取。常用的時(shí)延估計(jì)方法有閾值法、能量積累法與相關(guān)法。前兩種方法有較高的信噪比要求，后者基于兩路信號(hào)的相似性特征很適用于瞬態(tài)信號(hào)的檢測(cè)。本文利用高階累量對(duì)高斯噪聲的抑制作用以及相干平滑變換（smoothed coherence transform，SCOT）對(duì)微弱窄帶噪聲的弱化效果，提出了加窗四階累量的互相關(guān)算法，將低信噪比條件下非周期微弱放電信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為周期性時(shí)延參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果仿真以及檢測(cè)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)算法的可行性。

1 問(wèn)題描述

本文所研究的飛行體與電力設(shè)備中產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)為一種放電時(shí)間極短的靜電放電信號(hào)，多以電暈放電的形式出現(xiàn)，特殊情況下出現(xiàn)火花放電。脈寬在微秒甚至納秒量級(jí)，時(shí)域波形服從衰減振蕩分布，受環(huán)境因素等方面的影響放電信號(hào)間具有比較明顯的非平穩(wěn)性、隨機(jī)性和非周期性特征［15］。其典型的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)時(shí)域波形如圖1所示。圖1模擬兩個(gè)不同位置的天線接收到的兩路時(shí)延放電信號(hào)。假定源放電信號(hào)為s（t），則兩路接收信號(hào)可表示為

式中，τ1，τ2為信號(hào)到達(dá)天線的時(shí)間，時(shí)延τ=τ2-τ1；w1（t），w2（t）為相干或非相干零均值高斯噪聲；v1（t），v2（t）為一個(gè)或多個(gè)窄帶噪聲干擾。在信噪比較高，窄帶干擾較弱或不存在的情況下，通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算即能很精確得到兩路信號(hào)的時(shí)延估計(jì)。但當(dāng)信噪比低至-15 dB以下時(shí)，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)檢測(cè)概率急劇下降，尤其當(dāng)噪聲中有未知相關(guān)高斯白噪聲與窄帶干擾時(shí)，二者的相關(guān)結(jié)果也會(huì)造成目標(biāo)誤判。因此本文的任務(wù)是尋找一種能對(duì)相關(guān)高斯白噪聲與窄帶干擾免疫的方法，提高檢測(cè)概率的同時(shí)降低誤判概率。

圖1 放電信號(hào)雙天線測(cè)試時(shí)域波形

2 基于加窗高階累量與互相關(guān)的時(shí)延估計(jì)算法的基本原理

2.1 高階累量概念

高階累積量對(duì)高斯過(guò)程不敏感，在信號(hào)分析中可有效抑制相關(guān)及非相關(guān)高斯白噪聲，因此對(duì)經(jīng)過(guò)高階統(tǒng)計(jì)的兩路待檢信號(hào)做互相關(guān)處理，能避開高斯白噪聲的干擾［16 17］。對(duì)于n維接收信號(hào)的時(shí)間序列向量X=［x1，x2，…，xn］T，其k階累量定義為

式中，k1，k2，…，kn為各序列階數(shù)，且k=k1+k2，…，kn；V=［v1，v2，…，vn］為角頻率向量；（V）為時(shí)間序列向量X的第二特征函數(shù)，是第一特征函數(shù)的對(duì)數(shù)，表示為

式中，φ（v）為第一特征函數(shù)；f（xi）為變量xi的概率密度。

由于高階運(yùn)算復(fù)雜龐大，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用四階及以下的累積量運(yùn)算方法。由式（2）可知，當(dāng)信號(hào)的概率分布函數(shù)對(duì)稱分布時(shí)，其三階累量恒為零?？紤]檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性，因此本文采用信號(hào)的四階累量進(jìn)行討論。

2.2 相干平滑變換四階累量時(shí)延估計(jì)

定義式（1）中單路信號(hào)x（t）的四階自累量為

式中，“*”為共軛運(yùn)算；D1，D2，D3為相對(duì)時(shí)間延遲；v1j（t）（j= 1，2，3，4）為窄帶噪聲干擾；四階自累量C4，x中的高斯噪聲得到抑制，在進(jìn)一步的信號(hào)處理過(guò)程中能有效避免高斯噪聲帶來(lái)的干擾；此時(shí)目標(biāo)信號(hào)只受窄帶噪聲的影響。利用自相關(guān)函數(shù)確定雙路信號(hào)的時(shí)延參量需要兩個(gè)具有時(shí)延差的四階累積量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此定義x（t）與y（t）的四階互累量為

式中，τ為源信號(hào)時(shí)延參量；τ′為窄帶噪聲的時(shí)延參量。若忽略窄帶干擾的影響，時(shí)延參數(shù)τ通過(guò)將C4，x和Cxxyy在時(shí)間上相關(guān)得到，三維相關(guān)函數(shù)定義為

時(shí)延參數(shù)τ可由Hxy（τ）峰值的時(shí)間坐標(biāo)值來(lái)確定

但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，窄帶干擾有時(shí)不可忽略。當(dāng)窄帶干擾不容忽視時(shí)，式（6）不成立。應(yīng)改寫為

式中，C表示累積量運(yùn)算函數(shù)。由式（8）可知，當(dāng)兩路信道中的窄帶干擾相關(guān)性較高時(shí)，其時(shí)延造成的相關(guān)鋒要比源信號(hào)強(qiáng)，如式（9）所示，此時(shí)就會(huì)造成檢測(cè)算法的誤判。

通過(guò)給信號(hào)做加窗處理能弱化窄帶干擾的影響，因此本文采用SC O T對(duì)四階累量做降噪處理，然后再進(jìn)行相關(guān)時(shí)延估計(jì)，相干平滑變換函數(shù)為

式中，G4，x（ω）和G4，y（ω）分別為雙路信號(hào)的高階自功率譜，表示為

式中，C4，y為y（t）的四階累量；F為傅里葉變換運(yùn)算函數(shù)。則加窗的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)函數(shù)可表示為SCO T加權(quán)廣義高階協(xié)方差為

式中，Gxxyy（ω）為雙路信號(hào)的高階互功率譜；F-1為傅里葉逆變換運(yùn)算函數(shù)。時(shí)延參數(shù)τ可由Hxxyy（t）的峰值時(shí)間坐標(biāo)來(lái)確定，即

以上為加窗四階累量互相關(guān)算法的檢測(cè)原理。由于高斯過(guò)程的高階累量恒為零，因此高階累量運(yùn)算具有對(duì)高斯噪聲的不敏感性，這是相關(guān)、累積及其他算法所不具備的，同時(shí)加窗處理能削弱信號(hào)中存在的微弱窄帶信號(hào)，可以排除后續(xù)相關(guān)均值運(yùn)算中出現(xiàn)的零時(shí)延干擾。因此，在解決復(fù)雜電磁環(huán)境下，如相關(guān)及非相關(guān)高斯噪聲、窄帶噪聲等干擾存在時(shí)的低信噪比檢測(cè)問(wèn)題，本文提出的方法表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)越性。具體的檢測(cè)方案如圖2所示。測(cè)試信號(hào)經(jīng)兩個(gè)不同位置的接收天線接收，經(jīng)高速采集卡進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，得到兩路同源輻射信號(hào)的時(shí)間序列，首先經(jīng)采樣預(yù)處理，濾除兩序列中干擾較明顯的窄帶噪聲，如廣播、電視信號(hào)；然后對(duì)四階累量運(yùn)算后的結(jié)果進(jìn)行平滑相干加權(quán)互相關(guān)，對(duì)輸出結(jié)果的峰值時(shí)間位置進(jìn)行判別，得到時(shí)延參數(shù)τ，以此完成輻射源目標(biāo)檢測(cè)及定位。

圖2 弱瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)檢測(cè)方案

3 瞬態(tài)電磁輻射模擬信號(hào)檢測(cè)仿真

為方便仿真實(shí)驗(yàn)，擬采用雙指數(shù)衰減振蕩方程模擬電暈放電信號(hào)，其典型的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射場(chǎng)時(shí)域波形如圖3所示。圖3模擬由兩路信道接收到的來(lái)自同一放電源的時(shí)延信號(hào)s1和s2，其采樣頻率設(shè)置為1 G Hz，單次采樣時(shí)長(zhǎng)為0.5μs。生成數(shù)個(gè)等采樣時(shí)長(zhǎng)的待檢信號(hào)模擬連續(xù)采樣過(guò)程，且放電位置隨機(jī)，放電時(shí)延固定為τ=0.2μs。為模擬實(shí)際測(cè)試環(huán)境中背景噪聲干擾對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)的影響，分別給s1和s2疊加背景噪聲。在高斯白噪聲、相關(guān)高斯白噪聲、高斯白噪聲疊加窄帶干擾3種背景噪聲環(huán)境下對(duì)加窗四階累量互相關(guān)檢測(cè)方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測(cè)法、四階累量互相關(guān)法作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每次仿真結(jié)果由1 000次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)域均值得到。

圖3 模擬電磁輻射信號(hào)時(shí)域波形

3.1 不相關(guān)高斯白噪聲

首先比較3種方法在背景噪聲為高斯白噪聲情況下的性能，設(shè)置信噪比SN R=-15 dB和SN R=-30 dB。由加窗四階累量廣義互相關(guān)方法、四階累量互相關(guān)以及傳統(tǒng)互相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法得到兩種信噪比條件下的時(shí)延估計(jì)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，信噪比較高時(shí)（S N R=-15 dB），3種算法得到的時(shí)延估計(jì)值都為準(zhǔn)確值。隨著信噪比降低（S N R=-30 dB），四階累量法與傳統(tǒng)互相關(guān)法的檢測(cè)效果變差，后者的檢測(cè)時(shí)延值為無(wú)效值。相對(duì)于四階累量算法，加窗后的四階累量互相關(guān)算法在較低信噪比條件下的檢測(cè)性能更優(yōu)，這是由于平滑相干加權(quán)對(duì)信號(hào)與噪聲進(jìn)行了白化處理，對(duì)互相關(guān)峰值起到了銳化的作用。

3.2 相關(guān)高斯白噪聲

考察背景噪聲含相關(guān)高斯白噪聲的情況。w1（t）為高斯白噪聲，w2（t）通過(guò)雙線性ELLIP濾波器得到，濾波器參數(shù)設(shè)置為（4，0.1，60，［50 M Hz 300 M Hz］），信噪比為-15 dB。同時(shí)相對(duì)于接收信號(hào)疊加-10 dB的非相關(guān)高斯白噪聲模擬接收設(shè)備的本底噪聲，得到圖5所示的時(shí)延估計(jì)結(jié)果。3種算法在0點(diǎn)及200 ns處都出現(xiàn)了峰值點(diǎn)，前者是相關(guān)白噪聲造成的，后者是真實(shí)目標(biāo)的時(shí)延估計(jì)。相關(guān)噪聲對(duì)前兩種算法的影響不大，且加窗的方法仍能很好的銳化相關(guān)峰值，提高信噪比。而互相關(guān)算法的結(jié)果中白噪聲呈現(xiàn)出很強(qiáng)的對(duì)稱相關(guān)性峰值，超越了真實(shí)信號(hào)的相關(guān)鋒值，成為假目標(biāo)。

圖4 疊加非相關(guān)高斯白噪聲時(shí)算法結(jié)果對(duì)比

圖5 疊加相關(guān)高斯白噪聲時(shí)算法結(jié)果對(duì)比

3.3 窄帶噪聲

考察背景噪聲中含窄帶噪聲的情況。v2（t）為3個(gè)不同頻率的混合周期信號(hào)，來(lái)模擬混頻窄帶干擾，干擾頻率設(shè)置為50 M Hz，90 M Hz，220 M Hz。信噪比為0 dB，此處的信噪比定義為ρS N R=-20lg（ds/dv），其中ds為接收信號(hào)的峰值，dv為窄帶噪聲的峰值。假設(shè)各干擾源到達(dá)兩路接收器的時(shí)延都為0，同時(shí)相對(duì)于接收信號(hào)疊加-10 dB的非相關(guān)高斯白噪聲模擬接收設(shè)備的本底噪聲，窄帶噪聲對(duì)3種時(shí)延估計(jì)算法的影響結(jié)果如圖6所示。對(duì)比3個(gè)結(jié)果可見(jiàn)，四階累量互相關(guān)與傳統(tǒng)互相關(guān)算法不能抑制窄帶噪聲干擾，在零點(diǎn)附近產(chǎn)生很強(qiáng)的對(duì)稱相關(guān)干擾，尤其是互相關(guān)算法的相關(guān)估計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)出較明顯的周期干擾特性，而加窗四階累量時(shí)延估計(jì)算法仍得到了很精確的時(shí)延參數(shù)，這說(shuō)明在抑制窄帶噪聲方面加窗四階累量相關(guān)估計(jì)法依然優(yōu)于其他兩種算法。

4 檢測(cè)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證檢測(cè)算法的性能，設(shè)計(jì)檢測(cè)概率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同噪聲環(huán)境不同信噪比條件下3種算法的單次放電信號(hào)檢測(cè)概率，來(lái)驗(yàn)證加窗四階累量互相關(guān)時(shí)延算法的優(yōu)越性。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：采用對(duì)周天線，工作頻段為180 M Hz～1.5 G Hz；放電信號(hào)由高壓放電源產(chǎn)生，高壓源直流高壓為+30 kV；測(cè)試距離為100 m；放電源到達(dá)雙天線的時(shí)延差約為200 ns；采集終端采樣頻率為1 GS/s，采集得到某次放電的時(shí)域信號(hào)如圖7所示，如上文所述為典型的衰減振蕩瞬態(tài)信號(hào)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)個(gè)不同頻率的周期窄帶干擾，頻率為分別為50 M Hz，90 M Hz，220 M Hz，峰值為0.5 m V，相關(guān)高斯噪聲與非相關(guān)高斯噪聲由后期信號(hào)處理過(guò)程中疊加。

圖6 疊加窄帶噪聲時(shí)算法結(jié)果對(duì)比

圖7 雙路天線接收信號(hào)時(shí)域波形

采用蒙特卡羅方法，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)概率進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真步驟如下：

步驟1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。悍烹娫刺幱诠ぷ鳡顟B(tài)時(shí)對(duì)源信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采集，然后進(jìn)行分段檢測(cè)，分段步長(zhǎng)為4μs。未加噪聲前選取某一段時(shí)間序列進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，取該次的時(shí)延估計(jì)值為準(zhǔn)確參考值，計(jì)為τ。相關(guān)與非相關(guān)高斯白噪聲序列由MATLAB指令生成，然后疊加至采集信號(hào)；窄帶噪聲背景由周期信號(hào)發(fā)生器模擬得到。

步驟2 判別標(biāo)準(zhǔn)確定：對(duì)3種噪聲背景、不同信噪比條件下的待檢信號(hào)進(jìn)行時(shí)延值提取，以時(shí)延參數(shù)的提取值來(lái)判斷檢測(cè)準(zhǔn)確度，參考采樣頻率選取判別精度為5 ns，若提取值落在［τ-5 ns，τ+5 ns］區(qū)間內(nèi)，則認(rèn)為目標(biāo)信號(hào)判斷正確，若提取值不在區(qū)間內(nèi)，則為誤判

步驟3 檢測(cè)概率獲取：對(duì)提取值的準(zhǔn)確值進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為Md，則檢測(cè)概率為Pd=Md/N。

為使仿真結(jié)果更接近真實(shí)狀態(tài)，N的值要足夠大，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取N=5 000，不斷降低信噪比，得到不同信噪比條件下檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)概率的蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖8所示。

圖8 檢測(cè)概率的蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)結(jié)果

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)加窗處理的四階累量時(shí)延估計(jì)法在3種噪聲條件下都能提高系統(tǒng)檢測(cè)性能，在高斯噪聲背景條件，信噪比為-30 dB時(shí)，加窗前后的四階累量算法單步長(zhǎng)檢測(cè)概率都高于50%，若在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)信號(hào)做時(shí)間累積及時(shí)域均值處理（如第4節(jié)中處理方法）檢測(cè)概率更能大大提到。對(duì)于窄帶噪聲，在周期信號(hào)強(qiáng)度較弱或能與目標(biāo)信號(hào)相比時(shí)，加窗四階累量時(shí)延算法的檢測(cè)概率較高，當(dāng)周期信號(hào)較大時(shí)，其抑制作用會(huì)受到限制，該問(wèn)題可通過(guò)信號(hào)預(yù)處理對(duì)強(qiáng)度較高的窄帶干擾進(jìn)行濾波處理來(lái)解決。

通過(guò)比較3種算法的檢測(cè)原理、仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，加窗四階累量時(shí)延估計(jì)算法雖然在計(jì)算量和復(fù)雜度上較其他兩種算法有所增加，但是在均值樣本總量不超過(guò)一千的情況下，對(duì)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)效率影響不大。且在復(fù)雜噪聲環(huán)境下，其最低檢測(cè)信噪比、檢測(cè)概率及虛警率等檢測(cè)性能指標(biāo)都表現(xiàn)出很明顯的優(yōu)勢(shì)，因此計(jì)算量和復(fù)雜度問(wèn)題就成為次要矛盾。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)背景噪聲的復(fù)雜程度，兼顧檢測(cè)性能和檢測(cè)效率來(lái)選擇相應(yīng)的檢測(cè)算法。

5 結(jié) 論

瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)放電時(shí)間很短，頻率能到達(dá)G Hz以上，同時(shí)具有比較明顯的非平穩(wěn)性、隨機(jī)性和非周期性特征，因此很難捕捉。針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下微弱瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題，本文提出利用雙天線測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)雙路信號(hào)進(jìn)行四階累量運(yùn)算，然后做相干平滑加權(quán)的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)，將低信噪比條件下非周期微弱放電信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為周期性時(shí)延參數(shù)的估計(jì)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以雙指數(shù)衰減振蕩模型模擬電暈放電信號(hào)，仿真加窗四階累量、四階累量及傳統(tǒng)互相關(guān)算法在不同噪聲背景不同信噪比條件下的檢測(cè)效果；同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以高壓放電源產(chǎn)生的電暈放電為源信號(hào)，對(duì)比3種時(shí)延算法的檢測(cè)概率。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)加窗處理的四階累量時(shí)延估計(jì)算法在3種噪聲條件下的檢測(cè)性能都優(yōu)于其他兩種方法，通過(guò)加窗能銳化相關(guān)峰值，提高信噪比，且對(duì)于預(yù)處理過(guò)程中難以去除的微弱窄帶信號(hào)具有一定的抗干擾能力。由此可見(jiàn)，基于加窗四階累量的互相關(guān)時(shí)延估計(jì)的微弱瞬態(tài)電磁輻射信號(hào)檢測(cè)方法在電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)故障檢測(cè)、飛行器飛行過(guò)程中的空間位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等的判定方面具有很大的應(yīng)用前景。

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Weak transient electromagnetic signal detection based on windowing forth-order cumulants and cross correlation time-delay estimation

ZHANG Yue，LIU Shang-he，LIU Wei-dong，Hu Xiao-feng
（Institute of Electrostatic and Electromagnetic Protection，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To investigate the remote detecting approaches of transient electro magnetic signals，the detecting method based on windowing forth-order cu mulants and cross correlation time-delay estimation algorith mis proposed.For theinterference fro m Gaussian noise and narrow-band noise，smoothed coherence transform（SC O T）forth-order cumulants of signal and the cross correlation algorithm for time-delay estimation areintroduced.The signal detection of weak non-periodic discharge is translated to the estimation of periodic time-delay parameters. The detecting performances of the three methods，windowing forth-order cumulants，forth-order cumulants and conditional cross correlation，are analyzed by simulation and experiments.The results show that the windowing forth-order cumulants time-delay estimation method is superior to the other two approaches in the three noise conditions，so the pulse accumulation is suitable for remote detection of partial discharge source.

transient electro magnetic；weak signal；forth-order cu mulants；smoothed coherence transform （SC O T）；signal detection

T M 937

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.06

1001-506 X（2016）03-0512-07

2015-02-10；

2015-04-21；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-07-27。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：//w w w.cnki.net/kcms/detail/11.2422.T N.20150727.1626.012.html

國(guó)家自然科學(xué)基金（61172035）資助課題

張 悅（1988-），女，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論與防護(hù)方面的研究。

E-mail：Lforty@163.com

劉尚合（1937-），男，院士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殪o電與電磁防護(hù)理論與技術(shù)、靜電放電和電磁兼容測(cè)試研究。

E-mail：liushh@cae.cn

劉衛(wèi)東（1983-），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)殪o電放電和電磁兼容測(cè)試。

E-mail：liu wd_83@163.com

胡小鋒（1977-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)殪o電與電磁防護(hù)理論。

E-mail：snowfox2270@163.com