定位發射信號的事件的方法
2023-05-10 19:21:11
定位發射信號的事件的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於定位發射信號的事件的方法和裝置，包括：用來測量所述信號的響應時間的一組傳感器（Ai-Am），以及用來對一方程組求解的處理模塊（3），該方程組根據所述信號的傳播速度和所述響應時間相對於參考時間的偏移量來定義所述傳感器與所述事件之間的距離，該裝置還包括：處理模塊（3），用來多次重新發起對方程組的求解，每次根據局部變異來修改所述傳感器中至少一個的響應時間；以及處理模塊（3），用來根據從所述方程組的不同解獲得的位置來確定事件的位置。
【專利說明】定位發射信號的事件的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用一組傳感器以定位發射信號的事件的方法。該信號可以是聽覺信號、諸如無線電信號的電磁信號或者諸如來自電氣裝置的機電機構的振動的機電信號。待定位的事件可以是例如電氣裝置中的局部放電、空間中發聲源的激活、管道中的壓力瞬變或者其它的事件。
[0002]本發明尤其可在檢測和定位電氣裝置或者封閉腔(例如，電力變壓器或空氣滅弧開關斷路器)中的局部放電故障或來源的方法中使用。電氣裝置中的局部放電與聽覺信號(通常是超聲波信號)或電磁信號的發射相關聯。
[0003]本發明並不限於應用到電氣裝置，其可以涉及許多其他的應用，例如，聲納領域、或用於定位空間中的聲音源或管道的監測等。
【背景技術】
[0004]用於定位信號源的常規方法包括:通過一組傳感器來測量信號的響應時間，以及求解將傳感器與源之間的距離定義為傳感器所測量到的響應時間的函數的方程組。該方程組的解給出了信號源的位置。
[0005]如果該方程組無解，常規方法則建議改變傳感器的位置以得到改進的信號，然後重複計算以及重新開始移動和計算，直到求得該方程組的解為止。
[0006]然而，存在有可能無法移動傳感器的情況，特別是在超高頻(UHF)傳感器的情況下。此外，存在即使移動傳感器也難以找到源的情況，特別是對於具有很短響應時間或者不夠精確的傳感器，或者對於在惡劣環境(其具有例如可能延遲或者弱化信號的障礙物)中搜尋信號發射的情況。
[0007]因此，本發明的目的在於提出定位發射信號的事件的系統和方法，其不具有上述缺點，並且尤其不需要移動傳感器。
【發明內容】
[0008]本發明由用於定位發射信號的事件的方法來限定，該方法包括:通過一組傳感器測量所述信號的響應時間，以及求解一方程組，該方程組將所述傳感器與所述事件之間的距離定義為所述信號的傳播速度和所述響應時間相對於參考時間的偏移量的函數。如果方程組沒有指示事件的位置的解，該方法包括以下步驟:
[0009]通過針對每次迭代修改所述傳感器中至少一個的響應時間、向所述響應時間施加一小於確定值的百分比的增大或者減小來多次重新開始對方程組求解，其中，對方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於每個傳感器，所述響應時間的小於確定值的百分比的不同增大或者減小之和接近於O為止；以及
[0010]當求得所述方程組的解時，通過計算所得到的解的平均值來確定事件的位置。
[0011]該方法能夠以簡單的方式求得傳統方法所進行的不具有交叉點的定位的替代性解。當不可能移動傳感器時，或者即使通過移動傳感器也難以確定事件的位置時，該優勢尤其具有重要意義。該方法也能夠通過使用最小數量的傳感器而得到事件發生的區域。該方法還能夠給出事件位置的非常滿意的逼近。此外，通過例如以隨機的方式改變百分比來促進該方法的實施，從而能夠捨去每個先驗解，並且允許變異平均接近於O。
[0012]所述確定值可大約為30%，以及優選地為15%。
[0013]將響應時間增大或者減小介於0%至15%之間的百分比使得事件的位置能夠被非常精確地確定。此外，如果沒有找到結果時或者如果收斂的方程組的數量過小時，可以進行介於0%至30%之間的變異。
[0014]有利地，方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於每個傳感器，產生解的響應時間的不同局部變異之和小於2%以及優選地小於1%為止。
[0015]對接近於O的局部變異進行求和使得信號事件的定位精確度得到提高。
[0016]如果所述信號的發射日期是未知的，則根據第一實施例的參考時間對應於所述一組傳感器中的一個傳感器所測量到的最小響應時間，以及如果所述信號的發射日期是已知的，則根據第二實施例的參考時間對應於所述發射日期。
[0017]有利地，根據二維或三維坐標系的參照系放置傳感器，以使得對於至少確定的最小數量的傳感器，每個傳感器與單個其它傳感器至多具有單個共同的坐標。
[0018]這能夠提高解的精確度。
[0019]如果所述信號的發射日期是未知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數量嚴格地大於坐標軸的數量，以及如果所述信號的發射日期是已知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數量大於或者等於坐標軸的數量。因此，在三維參照系中，如果信號的發射日期是已知的，則該組傳感器包括至少3個傳感器，以及如果是未知的，則包括至少4個傳感器。
[0020]本發明也涉及一種用於定位發射信號的事件的裝置，包括:
[0021]一組傳感器，用來測量所述信號的響應時間；
[0022]處理模塊，用來求解一方程組，該方程組將所述傳感器與所述事件之間的距離定義為所述信號的傳播速度和所述響應時間相對於參考時間的偏移量的函數；
[0023]處理模塊，用來多次重新開始求解方程組，每次通過將所述響應時間增大或者減小一小於確定值的百分比來修改所述傳感器中至少一個的響應時間，其中，所述方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於每個傳感器，所述響應時間的小於確定值的百分比的不同增大或者減小之和接近於O為止；以及
[0024]處理模塊，當求得所述方程組的解時，用來通過計算所得到的解的平均值確定事件的位置。
[0025]有利地，該組傳感器包括超高頻傳感器和/或超聲波傳感器。
[0026]本發明也涉及一種包括代碼指令的電腦程式，所述電腦程式用於在被處理模塊執行時，執行根據上述特徵中的任一項所述的定位方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]通過參考附圖閱讀僅作為表示而絕非限制性地給出的示例性實施例的描述，將更好地理解本發明，其中:
[0028]圖1示意性地示出了根據本發明的用於定位發射信號的事件的裝置，該信號起源於某種待監視的物體；[0029]圖2示意性地示出了根據本發明的用於定位起源於電氣裝置的源的裝置；
[0030]圖3示出了代表方程組的解的球體交叉點，該方程組定義了傳感器位置與發射信號的事件的位置之間的關係；
[0031 ] 圖4示意性地示出了根據本發明的用於定位信號的裝置，其包括4個傳感器以說明信號的發射日期是未知的情況；
[0032]圖5示意性地示出了根據本發明的用於定位信號的裝置，其包括電氣模塊以測量信號的發射日期；以及
[0033]圖6示出了根據本發明求解方程組時所求得的結果。
【具體實施方式】
[0034]本發明的基本原理為通過傳感器響應時間的初始值附近的局部變異來修改該響應時間。
[0035]圖1示意性地示出了根據本發明的用於定位發射信號的事件的裝置或系統，該信號起源於某種待監視的物體。該定位系統包括放置在待監視物體I附近並且連接到信號處理模塊3的一組傳感器A1-A1^
[0036]應當注意，根據本發明的定位裝置或系統可在二維或三維空間中使用。例如，該裝置可用來設法定位在地面或者表面上發射信號的源，並且在這種情況下，根據二維坐標系的參照系將傳感器放置在該表面上。根據另一個示例，該系統可用來設法定位起源於三維物體的信號，並且在這種情況下，在三維坐標系的參照系中將傳感器放置在該物體的周圍。
[0037]有利地，為了增加`定位精確度，放置傳感器A1-Am以使得對於至少確定的最小數量的傳感器，每個傳感器至多僅與單個其它傳感器具有單個共同的坐標。
[0038]也就是說，每個傳感器與其它傳感器中的每個具有不多於一個共同的坐標，並且具有相同坐標的傳感器不多於兩個。傳感器的確定的最小數量可以是三個或四個，這取決於空間的尺寸、傳感器的類型或者定位裝置的配置。
[0039]傳感器可以是超聲波(US)探測器或者超高頻(UHF)探測器，並且被配置成測量由事件S (由小星形表示)發射的信號的響應時間，設法尋求事件的位置。應當注意，信號的響應時間是指傳感器接收該信號的時間。
[0040]處理模塊3包括獲取模塊5、存儲模塊7、計算模塊9以及包括例如顯示模塊13的輸出模塊11。獲取模塊5被配置成獲取和數位化由傳感器所做的測量值。計算模塊9連同存儲模塊7被配置成求解一方程組，該方程組根據信號的傳播速度和響應時間相對於參考時間的偏移量來定義傳感器A1-Am與事件S之間的距離。參考時間可以等於信號的發射日期，或者等於另一個傳感器的響應時間(其中其他響應時間均是相對於該另一個傳感器的響應時間而定義的)。
[0041]應當注意，存儲模塊7可以包括包括代碼指令的電腦程式，該電腦程式用於在被處理模塊3執行時，實現根據本發明的定位方法。
[0042]根據本發明，如果方程組沒有指示事件S的位置的解，處理模塊3被配置成多次重新開始求解該方程組，每次根據局部變異來修改傳感器中至少一個的響應時間。局部變異被認為是指與該響應時間的初始值接近的相對較小的變異。有利地，變異的和漸進地為O。
[0043]此外，處理模塊3被配置成根據從方程組的不同解得到的位置通過統計方法確定事件S的位置。
[0044]圖2示意性地示出了根據本發明的用於定位起源於電氣裝置的源的裝置。
[0045]例如，該電氣裝置I是電力變壓器，該電力變壓器通常由包含諸如油或六氟化硫的電介質流體的腔或罐21構成。
[0046]將一組傳感器A1-Am放置在電氣裝置I的周圍以探測與所尋求的事件S的發生(例如，起源於電氣裝置I的局部放電出現的時刻)相對應的信號的位置。
[0047]可以使用超聲波(US)傳感器或者超高頻(UHF)傳感器。超聲波傳感器是可以安裝在容納電氣裝置I的罐21上的壓電傳感器。放置在罐21的一個或者多個壁上的這些US傳感器感知由起源於電氣裝置I的放電所產生的聲波或者振動。US傳感器的響應時間大約為一毫秒。
[0048]作為一種變型，超高頻(UHF)傳感器是探測電磁波的傳感器。應當理解，罐21通常由鋼製成，並且不允許電磁波穿透。因此，可以經由例如閥(未示出)將UHF傳感器插入罐21，和/或將其緊靠著罐21的窗格(例如，由尼龍、聚四氟乙烯或者另一種非金屬材料製成)安裝。UHF傳感器具有大約一納秒的響應時間，因此其可以接收比US傳感器接收的信號快1000倍的信號。
[0049]有利地，將傳感器A1-Am放置為使得其儘可能遠地彼此間隔，以及使得其兩兩之間不具有兩個共同的坐標。
[0050]為了促進和增加解的精確度，因而有利的是，儘可能地不將傳感器放置在相同的高度Z上、相同的橫坐標X上以及相同的縱坐標I上。特別地，在圖2的示例中，4個傳感器A1-A1兩兩之間只具有兩個共 同的坐標。例如，傳感器Ai和Aj可以具有相同的橫坐標，傳感器Ai和Ak可以具有相同的高度，傳感器Aj和Ak可以具有相同的縱坐標，傳感器Aj和A1可以具有相同的高度，傳感器Ak和A1可以具有相同的橫坐標，並且其他的坐標不同。此外，為了保持傳感器令人滿意的接收靈敏度，將傳感器放置在距離腔的邊緣很近的位置，同時不具有最小或者最大坐標。當然，更大數量的傳感器能夠使事件的定位得到提高。可以將該組傳感器的坐標(Xi, Yi, Zi), (X」，Yj, Zj), (xk, yk, zk)和(X1, y1； Z1)記錄在存儲模塊7中。
[0051]附圖標記S說明了與所尋求的事件對應的局部放電源。當出現該局部放電時，傳感器Ai, Ap Ak和A1分別測量由該事件發射的信號的響應時間ti; tj; tk和tlt)更具體地，由傳感器A1-A1獲得的信號經由連接線23被發送至處理模塊3，處理模塊3將處理這些信號以確定和顯示響應時間。
[0052]傳感器A1-A1 的坐標(Xi, yi; Zi), Cxj, Yj, Zj), (xk, yk, zk), (X1, y!，Z1)及其響應時間連同信號在所討論的介質中的傳播速度V使得處理模塊3能夠定義一個方程組，該方程組的解代表了事件S的位置。該方程組將傳感器A1-A1與事件S之間的距離定義為該信號的傳播速度V和該響應時間相對於參考時間的偏移量的函數。
[0053]實際上，在三維空間中，每個方程式是球體的方程式，並且方程組的求解在於確定不同球體之間的公共點。在包括3個傳感器Ai, Aj和Ak的定位裝置的背景下，其如圖3所示。假設h是發射信號的時間，以及tptptk是傳感器A1-Ak的響應或者接收時間。因此，對於該信號在周圍介質中的傳播速度V，傳感器與信號源之間的距離C^dj和dk的方程組可以定義為如下形式:
[0054]di=(ti-t0)v[0055]
【權利要求】
1.一種用於定位發射信號的事件的方法，包括:通過一組傳感器(A1-Am)測量所述信號的響應時間，以及對一方程組求解，該方程組將所述傳感器與所述事件(S)之間的距離定義為所述信號的傳播速度和所述響應時間相對於參考時間的偏移量的函數，其特徵在於，如果該方程組沒有指示所述事件的位置的解，該方法包括以下步驟: 通過針對每次迭代，修改所述傳感器(A1-Am)中至少一個的響應時間、給所述響應時間施加一小於確定值的百分比的增大或者減小量，來多次重新開始求解該方程組，其中，對所述方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於每個傳感器(A1-Am),所述響應時間的小於確定值的百分比的不同增大或者減小量之和接近於O為止；以及 當求得所述方程組的解時，通過計算所得到的解的平均值來確定所述事件的位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述確定值大約為30%，以及優選地大約為15%。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其中，對所述方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於每個傳感器(A1-Am),已產生解的響應時間的不同局部變異之和小於2%以及優選地小於1%為止。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，如果所述信號的發射日期是未知的，則參考時間等於所述一組傳感器中的一個傳感器所測量到的最小響應時間，以及如果所述信號的發射日期是已知的，則所述參考時間等於所述發射日期。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，根據二維或三維坐標系的參照系放置所述傳感器(A1-Am),以使得對於至少確定的最小數量的傳感器，每個傳感器至多與單個其它傳感器具有單個共同的坐標。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，如果所述信號的發射日期是未知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數量嚴格地大於坐標軸的數量，以及如果所述信號的發射日期是已知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數量大於或者等於坐標軸的數量。
7.一種用於定位發射信號的事件的裝置，包括:用來測量所述信號的響應時間的一組傳感器(A1-Am),以及對一方程組求解的處理模塊(3)，該方程組將所述傳感器與所述事件之間的距離定義為所述信號的傳播速度和所述響應時間相對於參考時間的偏移量的函數，其特徵在於，該裝置還包括: 處理模塊(3)，用來多次重新開始對該方程組求解，每次通過將所述響應時間增大或者減小一小於確定值的百分比來修改所述傳感器中至少一個的響應時間，其中，對所述方程組的求解重新開始於每次迭代，直到對於所述傳感器(A1-Am)中的每個，所述響應時間的小於確定值的百分比的不同增大或者減小量之和接近於O為止；以及 處理模塊(3)，用來在求得所述方程組的解時，通過計算所得到的解的平均值來確定所述事件的位置。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，該組傳感器包括超高頻傳感器和/或超聲波傳感器。
9.一種包括代碼指令的電腦程式，該電腦程式用於在被處理模塊執行時，實現根據權利要求1至6中任一項所述的定位方法。
【文檔編號】G01S5/00GK103814304SQ201280045794
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年9月19日 優先權日:2011年9月20日
【發明者】R·賴布萊頓 申請人:阿爾斯通技術有限公司