特高频局放仪线阵智能终端

点击数：13112020-04-19 15:06:55　来源: 惠丰达电气

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一、机器人平台简介 2

二、阵列天线介绍和分类 3

1、线阵天线介绍 5

2、自适应天线介绍 6

三、智能传感器介绍 9

1、概述 9

2、详细讲解 10

（1）、天线介绍 10

（2）、前段采集介绍 10

（3）、信号处理单元介绍 11

（4）、模式识别介绍 15

（5）、数据传输介绍 16

（6）、性能图片展示 16

（7）、性能指标 19

四、综述 20

巡检机器人特高频搭载方案

一、机器人平台面积小、行动灵活等优点，但是要把平台面积受限

二、阵列天线介绍

天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到了传播无线电波的作用，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置。

阵列天线的定义：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。矩阵天线顾名思义就是由多个小天线列阵成矩形的形式组成的一个大的天线；每个小天线可以单独工作和控制，然后对所有小天线的数据进行分析整理，对有效信号进行跟踪定位，它能同时对多个信号由多小天线进行跟踪和定位。

就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。阵列天线就是研究的一种方向,所谓阵列天线不是将简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子,而是它的构成是阵列形式的.就发射天线来说,简单的辐射源比如点源,对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源.它们按照直线或者更复杂的形式,根据天线馈电电流,间距,电长度等不同参数来构成阵列,以获取最好的辐射方向性.这就是阵列天线的魅力所在,它可以根据需要来调节辐射的方向性能.由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线等.我们相信,在不久的将来,这些高技术含量的天线将会真正应用到我们电力设备检测和服务中来，更大限度保证电力设备的安全。

按单元排列可分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一直线上的直线阵。线阵的各单元也有不等距排列的，各单元中心也可以不排列在一直线上，例如排列在圆周上。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵，若各单元的中心排列在球面上就构成球面阵。

按辐射图形的指向可分为侧射天线阵、端射天线阵和既非侧射又非端射的天线阵。侧射天线阵是最大辐射方向指向阵轴或阵面垂直方向的天线阵。端射天线阵是最大辐射方向指向阵轴方向的天线阵。最大辐射方向指向其他方向的天线阵为既非侧射又非端射的天线阵。

按照功能可分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。

在此简要介绍线阵天线（表现形式上分为线阵天线和面阵列天线）和自适应天线（功能上自适应天线等多种）

（一）、线阵天线——二元阵天线

阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和（矢量和）。由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。

图1为最简单的二元天线阵。把功率P馈给一个天线单元时，在天线最大辐射方向足够远(距离r)的A点产生场强E0,当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵（图1）时，每个天线单元得到一半功率，它们在A点各产生相同的场，则合成场强。也就是说，总馈电功率不变，而产生的场强却增大到原来倍,即天线阵的增益增大，与一个单元相比，辐射也较集中。上述结论是在认为两天线单元间相互没有影响时得出的，这只有当两单元相距很远时才能达到。天线阵的单元数越多，天线阵的增益就可能越高，当然天线阵的尺寸也就越大。

（二）、自适应天线

对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。

一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。

　 接收用的自适应阵列能自动调整极化，对所需信号的极化衰减最小，能自动将最大接收方向调整到所需信号来波方向，能自动将零向调向干扰来波方向，所以它具有极为灵活可靠的抗干扰检测能力。发射用的自适应阵列能自动调整方向图，从而将能量射向所需的空间角域。由于具有以上良好特性，自适应阵列广泛应用于通信、雷达、射电天文等领域。

通常的阵列由若干个单元组成。调整各单元激励的幅度和相位(称为复加权，并用 1、 2、…、 n表示)，便可控制天线方向图形状。自适应阵列便是通过自适应处理系统来调整各单元的复加权，从而实时自动地得到需要的方向特性。若阵元数目为 ，则该阵列可以抗 -1个来自不同方向的干扰，并称 元阵列有 -1个空间自由度。复加权电路通常由抽头延迟线和实数乘法器组成。若抽头数为 ，则该复加权电路可以对 -1个频率形成需要的复加权，并称 个抽头的延迟线复加权电路有 -1个频率（或时间）自由度。因此，所对抗的干扰越多，频带越宽，自适应阵列结构就越复杂。

自适应处理系统是自适应阵列的心脏。它的功能是适应客观环境和需要，给出正确调整复加权的控制信息。自适应处理系统有两个重要的问题，一是准则，二是算法。

自适应处理系统所追求的目标和在什么意义上逼近目标，称为自适应准则。通常可以按以下几种意义逼近目标：均方误差最小准则、似然比最大准则和信噪比最大准则等。准则是设计自适应处理系统的出发点。

自适应过程是一个不断逼近目标的过程。它所遵循的途径以数学模型表示，称为自适应算法。通常采用基于梯度的算法,其中最小均方误差算法（即LMS算法）尤为常用。

自适应算法可以用硬件(处理电路)或软件（ 程序控制）两种办法实现。前者依据算法的数学模型设计电路，后者则将算法的数学模型编制成程序并用计算机实现。算法有很多种，它的选择很重要，它决定处理系统的性能质量和可行性。

自适应阵列的性能质量主要有四个方面。①收敛速率：即适应过程的快慢；②稳态失调量：自适应完成后阵列性能与最优极限之间的差距；③稳定性：适应结果是否稳定单值；④可行性：实现自适应的硬件或软件是否可以实现或造价是否太贵。这几个方面往往是矛盾的，必须采取折衷设计。

无论是线阵列天线（二元阵列天线）还是自适应天线首先需要有足够大的空间，还需要高端的硬件支撑和庞大的数据运算处理才能发挥阵列天线的最大优势。所以对于目前机器人搭载阵列天线的可行性不大，或者说几乎为0。基于以上现实情况，建议更换成如下方案：一种类似于线阵列天线（二元阵列的天线方案）示意图如下：

三、智能传感器概述：

系统介绍：他是有两个智能传感器终端组成，以机器人中心线为对称轴对称摆放，根据机器人离设备的水平距离和设备本体离底面的高度，粗略计算出传感器摆放的仰角角度，尽可能的使天线的接受面对准设备本体。在机器人缓慢巡检途中对电气设备的局放进行检测，通过线阵天线中两个智能传感器接受信号的强弱大致识别放电的设备。

二、智能传感器介绍：他是一款集信号采集、检波、运算处理、存储和传输于一体的高集成化、高智能化的智能终端。

1、信号天线接受器：由双天线构成的方向性天线，表面采用镀银工艺、传感器接受面和前端处理模块采取全金属密封屏蔽方式。这样即保证了传感器宽频范围的高灵敏度也能区别放电源在不同范围时接受到信号的强弱有明显的差异，从而实现初略的定位。（等效高度≥10mm；传感器的中心频率1GHz。）

2、采集调理模块：基于ZYNQ集成芯片实现高速采样，采样率达到400MHz；基于窄带采样检测技术，尽最大可能排除外来干扰。以50M带宽为间隔，可以通过扫频选择最优中心频率进行检测。

3、信号处理单元：以美国赛灵思ZYNQ28nm主频高达800M最新一代芯片为核心，他是FPGA+ARM的集合，为庞大的数据运算和图像处理提供完美的解决方案。

芯片介绍：

ZYNQ是Xilinx推出的一款全可编程片上系统（All Programmable SoC），该芯片集成了ARM Cortex A9双核与FPGA，所以ZYNQ是一款SoPC芯片。其架构如下图：

图中的Processing System（一般简称为PS）即为处理器（ARM Cortex A9 MPCore）部分，里面资源非常的丰富，具体可参看Xilinx官方文档。

Programmable Logic（一般简称为PL）即可编程部分（FPGA），该部分的资源随SoC芯片级别高低不同而不同，最低的是Artix-7（Zynq-7010和Zynq-7020），最高的是Kintex-7（Zynq-7030和Zynq-7045）。当然，后续可能SoC中的FPGA会使用更高的Virtex系列，这个就不得而知了。

PS和PL的关系：PS的实质就是一个ARM Cortex A9 MPcore，所以如果我们不使用可编程部分，我们完全可以只使用PS部分。也就是说，对于ZYNQ芯片，PS部分可以完全独立使用，不依赖PL部分。

PL部分的实质是Xilinx FPGA。在ZYNQ中，我们可以把PL看成是PS的另一个具有可重配置特点的“外设”，它可以作为PS部分的一个从设备，受ARM处理器控制。比如ARM（PS）的串口数量不够时，以太网接口不够时，或者需要视频接口时都可以用PL部分扩展。当然我们也可以把PL部分看成一个不受ARM处理器控制，与ARM处理器对等的主设备，主动完成与外部芯片、接口的数据交互。更甚至PL部分也可以作为整个系统的主设备，主动从APU部分的存储器中获取、存储数据，并可控制ARM处理器的运算。所以，理论上PL部分也可以像PS部分那样独立运行。但限制是必须使用JTAG接口对PL部分进行配置。如果没有JTAG接口，就无法独立运行，因为ZYNQ的PS部分和PL部分都必须依靠PS来完成芯片的初始化配置。

随着嵌入式系统越来越复杂，功能越来越强大，往往在设计中既需要非常灵活的FPGA，又需要处理器去做一些控制，以及配合操作系统使用。传统的方法是使用一个FPGA芯片和一个处理器芯片，比如FPGA+ARM这种模式。不过在这种模式中，FPGA和ARM之间的通信往往会成为系统的瓶颈。但在ZYNQ7000中，将FPGA和ARM集成在一个芯片内部，两者之间的通信使用AXI_HP、AXI_GP、AXI_ACP三种接口通信，带宽可达G比特，基本上不会存在二者通信带宽不足的问题。

当然，传统上也有在FPGA上实现一个软核（比如Altera 的 Nios II，Xilinx的Picoblaze 、Micoblaze等），这样对于一些对处理器要求不高的场合是可以胜任的，但如果对于处理器要求比较高的场景，这种软核的性能往往是捉襟见肘。而且软核会占用一部分PFGA的资源。所以ZYNQ系列实现FPGA和硬核的集成，对于嵌入式开发设计可以说是具有里程碑意义的一件事。

Xilinx为ZYNQ的开发提供了三个主要软件：PlanAhead、Xilinx Platform Studio（XPS）、Xilinx Software Development Kit（SDK）。当然，关于这三个软件的定位以及作用，Xilinx以及网上都有很详细很官方的说明，我就不赘述了。我们可以理解为PlanAhead就是做整个硬件环境搭建，系统集成的。XPS可以从PlanAhead直接调用，主要用于处理器部分的开发设计。SDK是Xilinx对Eclipse的改装，主要用于软件部分的设计。

在此芯片的基础上搭载了采集、窄带检测等电路完成了原始数据累积的工作，再通过XPS对原始数据进行运算和分析识别出故障类型，最后通过SDK开发包实现信号转换将数字信号转化成直观的图片信息——PRPD和PRPS。

4、模式识别：在庞大实验室数据的支撑为前提，集合国内外近二十年现场实测解体案例、结合高速采集后的运算处理，基于神经网络的指纹分析和小波计算相结合准确识别放电类型。后台实时显示PRPD和PRPS谱图。

简述：模式识别是对表征事物或现象的各种形式的信息进行处理和分析，来对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程。该技术以贝叶斯概率论和申农的信息论为理论基础，对信息的处理过程更接近人类大脑的逻辑思维过程。现在有两种基本的模式识别方法，即统计模式识别方法和结构模式识别方法。人工神经网络是模式识别中的常用方法，近年来发展起来的人工神经网络模式的识别方法逐渐取代传统的模式识别方法。经过多年的研究和发展，模式识别已成为当前比较先进的技术，被广泛应用到文字识别、语音识别、指纹识别、遥感图像识别、人脸识别、手写体字符的识别、工业故障检测、精确制导等方面。

贝叶斯计算公式：设，...，为样本空间S的一个划分，如果以表示事件发生的概率，且。对于任一事件，，则有：

5、数据传输：数据分析处理和模式识别完成后，结合设备本体和传感器的距离对结果进行放大处理。再将最终的处理结果以4G、WiFi、光纤或网口的形式上传至后台。

6、性能图片展示

7、主要技术指标：

特高频局放无线智能终端参数特性表
名称	参数指标
检测方式	窄带检测(国内外首创)
检测带宽	50MHz（可配置）
频率中心	300MHz~2GHz（可配置、可自动扫频）
检测频带	300MHz~2GHz
脉冲分辨率	2us
采样率	400MHz（国内外领先）
采样精度	12bit
通道数	单通道
灵敏度	≤0.2V/m（≤-80dBm ）（国内外领先）
动态范围	80dB（国内外领先）
等效高度	≥10mm
响应有效距离	>15m
谱图	PRPS/PRPD谱图、放电趋势图、放电个数谱图
无线相位	50Hz~1000Hz
同步方式	支持广域GPS同步、局域无线同步、RS485有线同步
通信方式	光纤、4G、WiFi
EMC等级	GB17626，四级
防护等级	IP67
工作温度	-40℃~60℃
尺寸	166*109*116mm
重量	2kg
电源	AC220V，50Hz 电池≥6小时

四、总结综述

就深圳供电局所提到的矩形阵列天线，主要是考虑到阵列天线对信号的跟踪和定位有优越的性能，是单一天线无法媲美的。但是结合现场情况和现有技术手段上看存在以下问题不能实现

1、阵列对场景的要求：要求足够大的空间

2、结合特高频的信号特点（带宽300M到2G），阵列天线要想实现对信号的跟踪和还原便于分析和定位，对硬件的要求极高，单说采样要求单通道要到达5G的速率，成本极高。

3、使用难度大、可操作性差。用现有工具（高速示波器、频谱仪等高精密仪器）对每一个阵列单元进行跟踪测试对使用人员要求极高（多通道的空间定位——时域和频域的分析）。

4、由于高速的采样而数据量巨大，对信号的传输和处理难度极高，以现有的技术水平无法实现对信号的运算处理；阵列对信号的跟踪和定位计算量及其复杂，耗子巨大的人力、物力和财力不一定取得应有的效果（军用领域的雷达定位采用相控阵列）。

基于以上现状，我们建议采取双智能传感器组成线阵列的方式，利用方向性天线，通过明显幅值差异实现初定位：

1、天线采用一面镀银一面镀绝缘层，解决方向性的问题。在天线接受面的正向所接受的信号最强，而另外一只天线与它对称放置，接受的信号强度会大大减弱，从而实现初略定位。

2、基于机器人平台场地的局限性，要求天线设计的小型化、集成化。我们在传统局放仪的基础上采用集成芯片方式大大节省了空间；

3、以美国赛灵思ZYNQ集成芯片（FPGA+ARM）为基础，在它身上集成了硬件平台的搭建（采集）、信号数据的读取与运算（处理）和信号的转换（数据信号转化为二位和三维的图片格式）。

4、实现了高达400M的采样，保证了样本的真实性和普遍性；利用50带宽为单位，进行扫频，根据扫描结果确定最佳的检测带宽，从而最大限度的排除现场干扰

5、28nm工艺主频高达800M的高速处理芯片保证了对信号运算的及时性和准确性；

6、基于神经网络结合小波计算相结合保证模式识别的精准程度；

7、SDK开发包保证的操作人员对信号观察的直观性和便捷性。