本發明涉及六氟化硫電氣設備放電故障檢測技術領域，特別涉及一種二氧化硫檢測方法及系統。

背景技術：

近年來，六氟化硫(SF₆)環網柜在電網配網中應用日益廣泛，其故障發生的次數也逐漸增多，并經常有有毒氣體釋放的情況。在環網柜的制備過程中，因制造工藝的不足，有可能造成金屬毛刺等突出物產生，而且在安裝運輸過程中也有引發部件松動或接觸不良等現象發生的可能，這些情況都有可能產生一系列絕緣問題，從而引發SF₆電氣設備絕緣缺陷，可能導致不同程度的局部放電，生成二氧化硫(SO₂)、二硫化碳(CS₂)、硫化氫(H₂S)、二氟化硫酰(SO₂F₂)、二氟化亞硫酰(SOF₂)等分解產物。這些分解產物可能會加劇絕緣故障，嚴重影響人身及設備安全。二氧化硫作為氣體組分的主要一員，對環網柜運行狀態的檢測具有重要意義，因此需要加強對環網柜二氧化硫組分的檢測。

在現有技術中，基于紫外差分光譜法的檢測裝置可以實現對環網柜氣體組分的檢測。差分吸收光譜技術是一種光譜監測技術,其基本原理就是利用氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分,并根據窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度.憑借其低廉且簡單的設備裝置和出色的監測能力,差分吸收光譜技術在大氣監測領域內在國外已經被廣泛應用。

目前的紫外光譜法在環網柜組分檢測中具有局限性，在光譜的獲得過程中可能會因為光源輸出不穩定、光譜儀內部儀器噪聲等一系列原因，使得獲得的光譜中包含較多的噪聲，無法將主要的分解氣體的紫外光譜進行有效的提取，因而難以得到精確的氣體檢測濃度。

技術實現要素：

本發明的發明目的在于提供一種二氧化硫檢測方法及系統，以解決由于獲取的光譜中包含較多的噪聲造成難以得到精確的氣體檢測濃度的問題。

根據本發明實施例第一方面，提供了一種二氧化硫檢測方法，包括以下步驟：

獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜，所述暗光譜為在沒有光源照射且不含吸光介質的條件下采集的光譜，所述背景光譜為在有光源照射且不含吸光介質的條件下采集的光譜，所述二氧化硫光譜為有光源照射、含吸光介質即環網柜氣樣的條件下采集的光譜；

根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；

計算紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；

比較所述參量，選取小波函數；

根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；

采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；

根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜包括：

其中，A(λ)為第一吸收光譜，I'₀(λ)為通過檢測裝置中不含吸光介質時的背景光譜，I_t(λ)為通過吸光介質的光譜，I_N(λ)為沒有光源照射且不含吸光介質的暗光譜。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比以及所第二信噪比包括：

所述第一信噪比用于評價去噪效果，計算方式為：

所述第二信噪比用于評價對原始信號保留度，計算方式為：

其中，SNR(S)為所述第一信噪比，為所述第二信噪比，m表示將所選取的紫外吸收光譜整個波段離散化后的個數，i為所述第一吸收光譜信號離散化后的第i個波段，S(i)為所述第一吸收光譜；S_n(i)為經過小波處理后的含噪光譜信號，所述含噪光譜信號由所述第一吸收光譜信號加入高斯白噪聲后疊加形成；為經過小波處理后的光譜信號。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量包括：根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算參量的方式為:

其中，η為所述參量，SNR(S)為所述第一信噪比，為所述第二信噪比。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述比較參量，選取小波函數包括：選取最大參量η對應的小波函數。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜包括：

根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，得到慢變部分及快變部分；

判斷所述快變部分是否含有噪聲信號，如果所述快變部分含有噪聲信號，則去除所述快變部分，并根據所述小波函數對所述慢變部分進行小波變換及分解，直至得到不含有噪聲信號的快變部分；

判斷所述不含有噪聲信號的快變部分是否符合光譜信號特征，如果符合光譜信號特征，則對所述不含有噪聲信號的快變部分對應的慢變部分進行小波變換及分解，在出現不符合光譜信號的快變部分之前，得到數個不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分；

對所述數個不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分求和，得到所述第二吸收光譜。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據特征峰值計算得出二氧化硫濃度包括：所述特征峰值與已有的標定濃度的峰值-濃度直線進行比對，計算得出二氧化硫的濃度。

根據本發明實施例第二方面，提供了一種二氧化硫檢測系統，所述系統用于執行所述的二氧化硫濃度檢測方法，包括：紫外光源、氣體反應池、光譜儀及數據處理器；

所述紫外光源、所述氣體反應池、所述光譜儀及所述數據處理器依次串聯；

所述紫外光源用于提供紫外光；

所述氣體反應池用于提供氣體反應空間及改變光照條件；

所述光譜儀用于采集暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；

所述數據處理器用于獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。

由以上技術方案可知，本發明提供了一種二氧化硫檢測方法及系統，包括以下步驟：獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分的進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。本發明提供了一種二氧化硫檢測系統，所述系統用于執行所述的二氧化硫濃度檢測方法，包括：紫外光源、氣體反應池、光譜儀及數據處理器；所述紫外光源、所述氣體反應池、所述光譜儀及所述數據處理器依次串聯。本發明通過對獲得二氧化硫光譜、背景光譜及暗光譜進行計算，得到提取信號光譜，能夠較為有效的去除設備在檢測過程中由于光源或檢測手段等原因引入的背景噪聲，同時選取合適的小波函數對提取的光譜信號進行小波分析，選取所需的快變部分進行重構，可以去除不需要低頻部分的信號，提高了濃度檢測的精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為根據實施例示出的一種二氧化硫檢測方法流程圖；

圖2為根據實施例示出不同濃度的二氧化硫紫外吸收光譜圖；

圖3為根據實施例示出Symlets小波函數紫外波段下第一信噪比及第二信噪比結果；

圖4為根據實施例示出Daubechies小波函數在紫外波段下第一信噪比及第二信噪比結果；

圖5為根據實施例示出不同小波光譜在紫外波段參量結果；

圖6為根據實施例示出第一吸收光譜小波變換及分解結果；

圖7為根據實施例示出第二吸收光譜圖；

圖8為根據實施例示出第二吸收光譜FFT圖；

圖9為根據實施例示出的一種二氧化硫檢測系統結構示意圖。

圖示說明：

其中，1-濃度為1μL/L的二氧化硫吸收光譜，2-濃度為2μL/L的二氧化硫吸收光譜，3-濃度為5μL/L的二氧化硫吸收光譜，4-濃度為10μL/L的二氧化硫吸收光譜，5-濃度為20μL/L的二氧化硫吸收光譜，10-紫外光源，20-氣體反應池，30-光譜儀，40-數據處理器。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1，本發明提供了一種二氧化硫檢測方法，包括以下步驟：

步驟S1、獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；

所述暗光譜為在沒有光源照射且不含吸光介質的條件下采集的光譜，所述背景光譜為在有光源照射且不含吸光介質的條件下采集的光譜，所述二氧化硫光譜為有光源照射、含吸光介質即環網柜氣樣的條件下采集的光譜；

步驟S2、根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；

步驟S3、計算紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；

步驟S4、比較所述參量，選取小波函數；

步驟S5、根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；

步驟S6、采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；

步驟S7、根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。

由以上技術方案可知，本發明提供了一種二氧化硫檢測方法，包括以下步驟：獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。本發明通過對獲得二氧化硫光譜、背景光譜及暗光譜進行計算，得到提取信號光譜，能夠較為有效的去除設備在檢測過程中由于光源或檢測手段等原因引入的背景噪聲，同時選取合適的小波函數對提取的光譜信號進行小波分析，選取所需的快變部分進行重構，可以去除不需要低頻部分的信號，提高了濃度檢測的精度。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜包括：

其中，A(λ)為第一吸收光譜，I'₀(λ)為通過檢測裝置中不含吸光介質時的背景光譜，I_t(λ)為通過吸光介質的光譜，I_N(λ)為沒有光源照射且不含吸光介質的暗光譜。

請參閱圖2，圖2為不同濃度二氧化硫的紫外吸收光譜圖。

通過對獲得二氧化硫光譜、背景光譜及紫外差分光譜進行計算得到提取信號光譜，能夠較為有效的去除設備在檢測過程中由于光源或檢測手段等原因引入的背景噪聲，提高了二氧化硫濃度檢測的精度。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述計算紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比以及所述第二信噪比包括：

所述第一信噪比用于評價去噪效果，計算方式為：

所述第二信噪比用于評價對原始信號保留度，計算方式為：

其中，SNR(S)為所述第一信噪比，為所述第二信噪比，m表示將所選取的紫外吸收光譜整個波段離散化后的個數，i為所述第一吸收光譜信號離散化后的第i個波段，S(i)為所述第一吸收光譜；S_n(i)為經過小波處理后的含噪光譜信號，所述含噪光譜信號由所述第一吸收光譜信號加入高斯白噪聲后疊加形成；為經過小波處理后的光譜信號。

請參閱圖3和圖4，以1μL/L濃度的二氧化硫第一吸收光譜為例，計算Daubechies小波和Symlets小波在紫外波段下的第一信噪比及第二信噪比。Daubechies小波函數組和Symlets小波函數組對原始光譜信號處理效果較好，能夠過濾噪聲信號，將吸收光譜更好地分解。

進一步地，所述二氧化硫檢測方法中，所述根據第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量包括：根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算參量的方式為：

其中，η為所述參量，SNR(S)為所述第一信噪比，為所述第二信噪比。

為得到更干凈，更接近原始光譜信號的處理光譜信號，此時的SNR(S)應越大越好，但不因過分的追求去噪而造成原始有效信號的丟失。因此，為評價小波函數對原始信號的保留情況，采用相同的小波函數，得出第二信噪比為保證原始信號盡可能的保留，也應該越大越好。因此，引入參量η來綜合評價所選小波函數對噪聲的處理能力以及對原始信號保留度，參量η的值越大，小波函數的綜合處理效果越好。

請參閱圖5，對Daubechies小波和Symlets小波在紫外波段下的參量進行計算。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述比較參量，選取小波函數包括：選取最大參量η對應的小波函數。

請參閱圖5，對Daubechies小波和Symlets小波在不同階數下的參量進行比較，得到Sym14小波計算后的η值最大，因此選擇Sym14作為小波函數。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜包括：

根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，得到慢變部分及快變部分；

判斷所述快變部分是否含有噪聲信號，如果所述快變部分含有噪聲信號，則去除所述快變部分，并根據所述小波函數對所述慢變部分進行小波變換及分解，直至得到不含有噪聲信號的快變部分；

判斷所述不含有噪聲信號的快變部分是否符合光譜信號特征，如果符合光譜信號特征，則對所述不含有噪聲信號的快變部分對應的慢變部分進行小波變換及分解，在出現不符合光譜信號的快變部分之前，得到數個不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分；

對所述數個不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分求和，得到所述第二吸收光譜。

請參閱圖6和圖7，圖6對所述小波變換后第一吸收光譜進行分層分解，可以獲得光譜信號的低頻部分(可稱為慢變部分)和高頻部分(可稱為快變部分)，其中快變部分通常情況包含頻率較高的噪聲信號，因此需要去除；進一步的，對低頻部分(慢變部分)進行第二次小波變換，獲得分解后的第二層慢變部分和第二層快變部分，以此類推進行n次分層。其中每一層的快變部分是上一層慢變部分經過小波變換分解得到的。選取含有光譜信息的快變部分進行重構后，得到第二吸收光譜。低頻分解中，分解層數越多，其對應的頻率越低。圖6中左側為低頻重構的尺度細節，顯然a4部分重構結果頻率變化緩慢，屬于慢變光譜特征，將a4部分重構得到慢變部分。圖6中右側為高頻重構的尺度細節，其中d1、d2部分的重構信號變換無序，且幅值較小，可判定為噪聲信號，應予以去除，而d5部分重構的信號無明顯的谷峰特性，也不符合光譜信號的特征，d3和d4不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分，選取出d3和d4快變部分進行重構，對d3和d4進行逆小波變換處理，求和，如圖7所示，獲得所述第二吸收光譜。

進一步地，所述二氧化硫濃度檢測方法中，所述根據特征峰值計算得出二氧化硫濃度包括：所述特征峰值與已有的標定濃度的峰值-濃度直線進行比對，計算得出二氧化硫的濃度。

請參閱圖8，將第二吸收光譜進行快速傅里葉變換，在頻域找到對應的特征頻率峰值，如圖8所示，特征峰值與二氧化硫濃度呈正比，所以將該峰值與已經標定的濃度-峰值曲線對比，確定所測二氧化硫氣樣的濃度。

由以上技術方案可知，本發明提供了一種二氧化硫檢測方法，包括以下步驟：獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。本發明通過對獲得二氧化硫光譜、背景光譜及暗光譜進行計算，得到提取信號光譜，能夠較為有效的去除設備在檢測過程中由于光源或檢測手段等原因引入的背景噪聲，同時選取合適的小波函數對提取的光譜信號進行小波分析，選取所需的快變部分進行重構，可以去除不需要低頻部分的信號，提高了濃度檢測的精度。

請參閱圖9，本發明提供了一種二氧化硫檢測系統，所述系統用于執行所述的二氧化硫濃度檢測方法，包括：紫外光源10、氣體反應池20、光譜儀30及數據處理器40；

所述紫外光源10、所述氣體反應池20、所述光譜30儀及所述數據處理器40依次串聯；

所述紫外光源10用于提供紫外光；

所述氣體反應池20用于提供氣體反應空間及改變光照條件；

所述光譜儀30用于采集暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；

所述數據處理器40用于獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在紫外波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。

由以上技術方案可知，本發明提供了一種二氧化硫檢測方法及系統，包括以下步驟：獲取暗光譜、背景光譜及二氧化硫光譜；根據所述暗光譜、所述背景光譜及所述二氧化硫光譜計算得出第一吸收光譜；計算不同小波在不同波段下所述第一吸收光譜的第一信噪比及第二信噪比，根據所述第一信噪比及所述第二信噪比計算得出參量；比較所述參量，選取小波函數；根據所述小波函數對所述第一吸收光譜進行小波變換及分解，選取不含有噪聲信號且符合光譜信號特征的快變部分進行重構，得到第二吸收光譜；采用快速傅里葉分析方法分析所述第二吸收光譜，得到特征峰值；根據所述特征峰值計算得出二氧化硫濃度。本發明通過對獲得二氧化硫光譜、背景光譜及暗光譜進行計算，得到提取信號光譜，能夠較為有效的去除設備在檢測過程中由于光源或檢測手段等原因引入的背景噪聲，同時選取合適的小波函數對提取的光譜信號進行小波分析，選取所需的快變部分進行重構，可以去除不需要低頻部分的信號，提高了濃度檢測的精度。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐這里公開的發明后，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理并包括本發明未公開的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正范圍和精神由下面的權利要求指出。

應當理解的是，本發明并不局限于上面已經描述并在附圖中示出的精確結構，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發明的范圍僅由所附的權利要求來限制。