一种阵列信号滤波、幅值检测的方法技术领域
本发明涉及电力系统输配电行业飞行器巡线自动检测技术领域，尤其涉及一种阵
列信号滤波、幅值检测的方法。
背景技术
目前，电力公司对输电线路的维护、检测和抢修等作业，基本上依然按照区段划分
任务，依靠人工现场对线路巡情况进行检查。线路缺陷发现的及时和准确性，取决于巡线员
业务能力、责任心和班组管理人员的监察巡视的落实，不能杜绝因巡视不到位引发的各种
事故的发生。同时，有些输电线路架设在深林、湿地、高山地区，人员到达缓慢、困难、效率
低，不可能做到定期巡视维护，冰雪、地震、洪涝灾害等恶劣自然条件下巡检难度更大。目前
取代人工巡线的主要方法是采用无人机巡检作业，包括遥控巡检飞行和自主避障跟踪巡检
飞行两种作业方式，两种作业方式都需要飞行器与输电线路保持合理的距离和相对位置，
方便的线路跟踪、避障技术等。所以设计提供一种由无人飞行器搭载的，能够自动识别输电
线路空间位置，进而为飞行器提供导航、跟踪、控制信号的空中跟踪传感装置，以实现飞行
器的避障、自动跟踪巡线飞行功能，具有非常广阔的市场前景，而对空中跟踪传感装置的信
号滤波和幅值的监测，并没有响应的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种阵列信号滤波、幅值检测的方法，针对无人飞行器在线
路巡检过程中需要对线路进行识别时采集到的阵列信号进行快速、高效的滤波和幅值的监
测。
本发明采用下述技术方案：
一种阵列信号滤波、幅值检测方法，包括如下步骤：
步骤A：通过阵列扫描与采集控制器对由多个电磁感应子单元阵列设置的被动式
阵列磁感应天线装置进行控制采集：采集时，任选一个电磁感应子单元，做为采样起始，阵
列扫描与采集控制器控制高速模数转换器以频率为U的采样速率，连续对被动式阵列磁感
应天线装置进行采样，并把采集到的N个数据组成一个数据帧，把得到的数据帧依次发送到
阵列扫描与采集控制器；
步骤B：阵列扫描与采集控制器对获取的当前数据帧中的N个数据依次进行数字滤
波、阈值比对以及对其进行是否为极值点或零点的判断；
步骤C：如果当前数据帧的情况不满足极值点或零点条件，则进行下一数据帧的采
样判断；反之，当前数据帧满足极值点或者零点条件，停止接收下一数据帧；
步骤D：对满足极值点或者零点条件的数据帧的平均值进行幅值提取处理，存储幅
值，完成当前采样单元的扫描采集；
步骤E：重复步骤A-D按照采样顺序对其它采样单元进行扫描采集，直到完成设定
时间周期的所有扫描。
所述步骤D中由于是连续采样，所以在得到极值数据的同时，
也或获得了一定数量的附近点数据，理论上由极值点数据和任一附近点数据即可
得到信号幅值参数，但多个附近点数据的参与计算，
可以修正最终幅值参数误差，提高精度，所述的精度误差的修正过程包括以下步
骤：
步骤D1：被测量曲线表达式
被测量曲线极值为
步骤D2：若Yp是最大值，则Yp＝Am，Yp是实测值，得到幅值；
若Yp是最小值，则Yp＝-Am，Yp是实测值，得到幅值；
步骤D3：若Yp是零，则有结合任一邻近数据
建立方程组求解，其中只有Am和两个未知数，故也可得到幅值。
所述的被动式阵列磁感应天线装置包括包括基板，基板上设置有驱动电路、稳压
电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记为M*
N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门电
路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动电
路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一列
所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动NPN
三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导
通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈
的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二
低导通电阻开关管的发射极；
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与
所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动
NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射
极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三
极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与
所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感
线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，
同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发
射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第
一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意
一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一
个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连
接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路
的输入端相连接。
所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一电容一端与稳压电源输
出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通过低
阻开关接地。
所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608。
所述的谐振采样电路中电容为独石电容。
所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
还包括有插座，所述插座设置在基板的一侧，且谐振采样电路的各个接线均与插
座相连接。
本发明通过高频模数转换器对被动式阵列磁感应天线装置中各个电磁感应子单
元进行数据采样，并多个数据集成一个数据帧，通过对数据帧进行极值和零点的判断，来确
定数据帧是否符合极值或者零点的数据，如果不符和继续对下个数据帧进行数据判断，否
则则对当前数据帧进行幅值的提取，并保存幅值后对其余电磁感应子单元依次进行幅值提
取，整体扫描周期短，进一步的通过极值附近采集的数据可以对幅值提取精度大大提高。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明所述被动式阵列磁感应天线装置的电路原理图；
图3为本发明所述所述单个电磁感应子单元的局部接线示意图；
图4为本发明所述谐振采样电路及等效电路示意图；
图5为本发明所述正弦信号极值判断示意图。
具体实施方式
如图1-5所示，本发明包括如下步骤：
步骤A：通过阵列扫描与采集控制器对由多个电磁感应子单元阵列设置的被动式
阵列磁感应天线装置进行控制采集：任选一个电磁感应子单元，做为采样起始，阵列扫描与
采集控制器控制高速模数转换器以频率为U的采样速率(则周期为1/U)，连续对被动式阵列
磁感应天线装置进行采样，并把采集到的N个数据组成一个数据帧，把得到的数据帧依次发
送到阵列扫描与采集控制器；所述阵列磁感应天线装置包括基板，基板上设置有驱动电路、
稳压电路、谐振采样电路和多个磁感应子单元，所述多个电磁感应子单元阵列均匀设置，记
为M*N列矩阵，则驱动电路包括行总驱动电路、M路行驱动电路、N路列驱动电路和M*N个与门
电路，磁感应子单元与与门电路一一对应；所述的行总驱动电路、M路行驱动电路和N路驱动
电路均为NPN三极管，每一行所在的电磁感应子单元对应一个行NPN三极管进行驱动，每一
列所在的电磁感应子单元对应一个列NPN三极管进行驱动，行总驱动电路为一个行总驱动
NPN三极管；
所述的电磁感应子单元包括有一对电感线圈、第一低导通电阻开关管和第二低导
通电阻开关管，所述的一对电感线圈由两个正交分布的电感串联组成，所述一对电感线圈
的一端连接第二低导通电阻开关管的集电极，第一低导通电阻开关管发射极同时连接第二
低导通电阻开关管的发射极；所述的电感线圈采用螺旋管电感线圈。
所述任意一个在同一行电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极均与
所在行对应行NPN三极管的集电极相连接；其中M-1个行NPN三极管的发射极均与行总驱动
NPN三极管的集电极相连接，剩余一个行NPN三极管的发射极与行总驱动NPN三极管的发射
极相连接，行总驱动NPN三极管的发射极接地连接，所述M个行NPN三极管和行总驱动NPN三
极管的基极均为驱动电路输入端；
所述任意一个在同一列电磁感应子单元中第一低导通电阻开关管的发射极均与
所在列对应列NPN三极管的发射极相连接，同时由下到上，下方电磁感应子单元中一对电感
线圈的另一端与与其相邻的上方电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的发射极相连，
同一列最上方的电磁感应子单元中一对电感线圈的另一端与所在列对应列NPN三极管的发
射极相连接；
所述任意一个行NPN三极管的基极同时与所在行中任意一个电磁感应子单元中第
一低导通电阻开关管的基极和所在行中任意一个与门电路的第一输入端相连接；所述任意
一个列NPN三极管的基极分别与所在列中任意一个与门电路的第二输入端相连接，任意一
个与门电路的输出端与与其对应的电磁感应子单元中第二低导通电阻开关管的基极相连
接；
所述N个列NPN三极管的集电极相互连接后分别与稳压电路的输出端和采样电路
的输入端相连接；所述的谐振采样电路包括多个电容和低阻开关，其中第一一端与稳压电
源输出端相连，另一端接地，其余电容一端也与稳压电源输出端相连，其余电容的另一端通
过低阻开关接地。所述的谐振采样电路中电容为独石电容。谐振采样电路是由可控连接的
多个并联电容组成，不同的扫描采集工作模式，谐振采样等效电容对应的容值不同，以匹配
不同的谐振等效电感。如图4所示，本发明实施例中，谐振采样电路包括多个电容和低阻开
关，其中电容C3一端与稳压电源输出端相连，另一端接地，C4和C5电容一端也与稳压电源输
出端相连，另一端通过低阻开关接地。谐振采样电路获取的数据组经由阵列扫描与采集控
制器，按照设计的算法进行幅值判别处理与存储，由此可将50HZ交流信号每单周期的幅值
采样时间缩短至小于5ms。某单元(或某列，或某行)选通、采样、幅值判别处理与存储后，依
次进行下一单元(下一列，下一行)的重复操作，直至完成全部单元的操作，此为一个完整的
扫描采样周期。传感阵列组件在阵列扫描与采集控制器的控制下，按照上述过程循环往复
的持续工作。进一步等效后的电路，其中等效电容C取决于谐振电容选择控D12和D13，D12和D13
的不同组合与阵列扫描工作模式相对应，如下表1所示。
表1
所述的低阻开关，采用双路低导通电阻模拟开关器件MAX4608；C3，C4，C5电容器采
用独石电容。
对于50HZ的工频信号，由谐振频率的计算公式可知
其中f0＝50HZ，则有
应用例中选L＝100MH，带入上式可计算出
C＝101.32pF
取C＝100pF，根据不同的扫描工作模式，对应上表和电路图，即可计算出C3，C4和
C5。
传感阵列装置作为输电线周围磁场信息探测、检测环节，由扫描采集控制环节控
制，实现磁场分布状态与强度信息的采集，再由后续数据信号处理环节解算出被探测目标
(高压输电线路)的位置、距离等信息。
步骤B：阵列扫描与采集控制器对获取的当前数据帧中的N个数据依次进行数字滤
波、阈值比对以及对其进行是否为极值点或零点的判断；
步骤C：如果当前数据帧的情况不满足极值点或零点条件，则进行下一数据帧的采
样判断；反之，当前数据帧满足极值点或者零点条件，停止接收下一数据帧；
步骤D：对满足极值点或者零点条件的数据帧的平均值进行幅值提取处理，存储幅
值，完成当前采样单元的扫描采集；
步骤E：重复步骤A-D按照采样顺序对其它采样单元进行扫描采集，直到完成设定
时间周期的所有扫描。
所述步骤D中由于是连续采样，所以在得到极值数据的同时，也或获得了一定数量
的附近点数据，理论上由极值点数据和任一附近点数据即可得到信号幅值参数，但多个附
近点数据的参与计算，可以修正最终幅值参数误差，提高精度，所述的精度误差的修正过程
包括以下步骤：
步骤D1：被测量曲线表达式
被测量曲线极值为
步骤D2：若Yp是最大值，则Yp＝Am，Yp是实测值，得到幅值；
若Yp是最小值，则Yp＝-Am，Yp是实测值，得到幅值；
步骤D3：若Yp是零，则有结合任一邻近数据
建立方程组求解，其中只有Am和两个未知数，故也可得到幅值。
包括有插座，所述插座设置在基板的一侧，且谐振采样电路的各个接线均与插座
相连接。所述的插座为24线，其中连接列驱动电路10根线、行驱动电路11根线、1路地线、1路
电源线、1路信号输出线。
本发明中通过阵列扫描与采控制器可设定、转换多种扫描和采样工作模式，以适
应不同应用要求。高精度稳压电路为天线装置提供高稳定度的直流电源，阵列扫描与采集
控制器控制列驱动电路和行驱动电路，可以按照设定顺序依次选通n×m矩阵诸单元、或逐
列、或逐行、或全部单元，被选通的电磁感应线圈和谐振采样等效电容组成谐振信号采集
器，采集到的电磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器对其进行高速采样。
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说
明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
所述10×10矩阵型电磁场传感阵列有100个磁感应单元按照10行、10列分布，
本发明的磁感应单元，每个磁感应单元由2个电感线圈和2个低导通电阻开关管组
成，两个电感量L1＝L2＝50mH、外形9×12mm的线圈分别安装在电路板的正反面，成正交分
布。列驱动和行驱动有效时(高电平)，对应单元的电感被选通(L1和L2)，与谐振电容C组成并
联谐振采样电路，在低导通电阻开关管的控制下扫描和采样工作模式不同，对应C的取值不
同，工作于逐列扫描采集模式C＝C3、逐点扫描采集模式C是C3和C4的并联、逐行扫描采集模
式C是C3和C4及C5三者并联，谐振采样电路对磁感应信号进行采集。与此同时，Q3处于截止状
态，当列驱动有效而行驱动无效时，Q3处于导通状态而将本单元的电感短路，此时处于同列
其它行(非本行)单元的采样时段。其中第i行、第j列的单元电路如图3所示。需要说明的是，
为了便于描述单元电路的特点与工作原理，对本单元周边的电路做了简化或等效处理。概
括的描述，本发明中单元电路与外部的连接信号有六类九处：
A点，接列控制信号Lj，高电平有效，QLj导通，选通该列；反之QLj截止。
B、C点，C接下一列对应的列驱动管，B接列上一列对应的列驱动管直到谐振采样电
路，各列是并联关系。BC通道也称为列选择通道。
D点，接行控制信号Hi，高电平有效，QHi导通，选通该行，通过行控制管QH10接地(逐
点扫描和逐行扫描工作模式时，H10为低电平，行控制管QH10导通)，或通过QH9接地(逐列扫描
和面扫描工作模式时，H10为高电平，QH10截止；而此时H10为高电平，QH9导通，各列的串联信号
经QH9接地)。
E点，接行控制管QH10(除最后行外)后到地。逐点扫描和逐行扫描工作模式时，QH10
导通；逐列扫描和面扫描工作模式时，QH10截止。
F点，接下一行对应的与门。
G点，接下一行对应的电感。
K点，为0～9个信号，逐行信号数量递减，每个信号连接本列后面各单元的短接管
Q’ij。
S点，接前一列的行选择通道，由行驱动管QHi控制该通道与地线的“通”与“断”。
L，单元电感，由两个电感L1和L2串联组成，取L1＝L2，采用9X12-50MH 电感(定制)。
对输电线路、阵列扫描与采集控制电路、采样与姿态数据处理器组成，其中核心部
分是阵列扫描与采集控制电路中的扫描与采集控制方式，以及采样与姿态数据处理器中的
幅值判别提取方法，系统应用原理框图如图1所示。阵列扫描与采集控制电路，作为输电线
路的位置与距离的感知和检测环节，实时感知输电线的存在与否。感知飞行器相对输电线
的距离信息和位置角度信息，为后续信号处理电路提供判别依据。阵列扫描与采集控制电
路按照一定方式控制被动式阵列磁感应天线装置，实现快速扫描驱动和信号采集，并将信
息传输给后面的姿态与数据处理器。
阵列扫描与采集控制电路作为扫描和采样的控制环节，按照设定的工作方式(可
通过DIP开关拨码选择)，输出列驱动、行驱动信号，依次选通某磁感应单并元与谐振等效电
容组成谐振选频电路，谐振电路输出的采样信号经由滤波调理电路初步出理，由高速模数
转换器进行高速采集和转换，高速转换频率远高于输电线路交流电的50HZ，为后续的倍频
数据处理奠定硬件基础。阵列扫描与采集控制器除负责按时间顺序输出列、行驱动选通信
号外，在每个单元的采样时段内，还要进行采样数据的数值滤波、过零判别、幅值提取、存储
操作，并在全部单元n×m个完成扫描和采样后，将数据组通过高速数据口传输给姿态与数
据处理器，然后重复下一周期的扫描、采样、处理、传输操作，循环往复以致无穷。
通过非限定性的举例对本发明的优选实施方法作进一步说明。高压输电线路通常
沿与地面平行方向架空敷设，依据电压等级不同线路与地面的距离是固定的某确定值(斜
坡、丘陵地带也是如此)，本发明针对被动式阵列磁感应天线装置采用10×10矩阵阵列，阵
列扫描与采集控制电路阵列扫描与采集控制器控制列驱动电路和行驱动电路，可以按照设
定顺序依次选通10×10矩阵诸单元。
被选通单元的电磁感应线圈和谐振采样电路组成谐振信号采样电路，采集到的电
磁感应信号经滤波调理电路处理后，由高速模数转换器以高于50HZ一个数量级以上的频
率，对其进行高频采样，并实时传送给阵列扫描与采集控制器。
阵列扫描与采集控制器对每一单元采样一组数据，并逐一进行比对处理，寻找交
流信号的过极值点，并按照设计的算法进行幅值判别处理与存储，同时以极值点为标记启
动下一单元数据组采样，由此可将50HZ交流信号每单周期的幅值采样时间缩短至小于等于
5ms。
每单元选通、采样、幅值判别处理与存储后，依次进行下一单元的重复操作，直至
完成全部单元的操作，此为一个完整的扫描采样周期。传感阵列组件在阵列扫描与采集控
制电路的控制下，按照上述过程循环往复的持续工作。
以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说
明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
高速采样环节由高速模数转换器AD9223和外部基准电路组成。AD9223是12位、单
点源供电转换器，采样速率1.5MSPS、3.0MSPS、10MSPS可选，本应用设定为(周期为
0.0015ms)。阵列扫描与采集控制器采用STM32F104，主频72M，指令平均执行速度是
1.25MIPS/Mhz(STM32有三级流水线，指令周期不定的，arm给出的是1.25MIPS/Mhz，一个平
均执行速度。)，所以平均一条指令的执行周期是1/(72×1.25M)＝0.011μs，完全满足高速
数据采集与处理的要求。由于STM32F104的运算速度远远高于AD9223的采样速率，所以，阵
列扫描与采集控制器对每一单元采样一组数据的时间Tx，主要取决于AD9223的采样速率。
以逐点扫描采集工作方式为例，分析计算如下：
阵列扫描与采集控制器(后面简称：控制器)发出指令，启动某循环单元1～单元
100的扫描驱动与采集，周期为T；
每单元幅值采集处理时间记为Tx(x＝1,2,3,…,100)，通常对50HZ交流信号的幅值
采样需要在不少于一个周期(20ms)时间内进行一定间隔的连续采样，获取一组采样值，从
中比较、筛选出最大值作为幅值信号，如此方法获取一个单元的幅值信号的时间不低于
20ms，完成100个单元的幅值采集处理时间不会少于2s，速度太慢，应用受限。本发明采用方
法是：从单元采样起始，控制器控制AD9223按照1.5MSPS采样速率(周期为0.667μs)，连续采
样并传输10个点的数据，10个数据组成一个数据帧，然后控制器对获取的10个数据进行数
字滤波、阈值比对、极值点和零点(统称：极值)判断处理，如果没有发现极值点或零点，则重
复进行下一数据帧的采样传输；否则，经条件确认后停止下一个数据帧采集传输，转而执行
50HZ交流信号的幅值计算处理，根据极值点或零点，对固定频率信号采用查表计算法，至此
本单元的扫描采集完成，转而顺序进行下一单元的扫描采集。由于AD9223的采样周期和
STM32F104指令周期远小于50HZ交流信号20ms，低1～2个数量级，在交流信号1/4周期5ms内
可采集多于700个数据帧，足于保正极值点和零点的识别与幅值计算的精度要求，即有
工作方式控制：
极值判断描述：
所谓极值，包含最大值、最小值和零点。对于已知频率和波形的被测信号，只要得
到极值点数据(幅值与时间)和若干附件点的数据(幅值与时间)，即可依据波形函数表达式
求出信号幅值参数。
以正弦信号为例，要保证采集到极值三者之一，除采样间隔足够小以满足测量精
度要求外，连续采样持续的时间通常不大于1/4信号周期，在特殊情况下，有可能需要1/4信
号周期，图5中的t1→t2时间段，此时，要么获得最大值(或最小值)，要么获得零点，或同时获
得两个值。由于是连续采样，所以在得到极值数据的同时，也或获得了一定数量的附近点数
据，理论上由极值点数据和任一附近点数据即可得到信号幅值参数，但多个附近点数据的
参与计算，可以修正最终幅值参数误差，提高精度。基本计算如下：
被测量曲线表达式
被测量曲线极值为
若Yp是最大值，则Yp＝Am，Yp是实测值，得到幅值；
若Yp是最小值，则Yp＝-Am，Yp是实测值，得到幅值；
若Yp是零，则有结合任一邻近数据
建立方程组求解，其中只有Am和两个未知数，故也可得到幅值。
阵列扫描与采集控制器对获取的当前数据帧中的N个数据依次进行数字滤波、阈
值比对以及对其进行是否为极值点或零点的判断。