CN103814304A - 定位发射信号的事件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于定位发射信号的事件的方法和装置，包括：用来测量所述信号的响应时间的一组传感器（A_i-A_m），以及用来对一方程组求解的处理模块（3），该方程组根据所述信号的传播速度和所述响应时间相对于参考时间的偏移量来定义所述传感器与所述事件之间的距离，该装置还包括：处理模块（3），用来多次重新发起对方程组的求解，每次根据局部变异来修改所述传感器中至少一个的响应时间；以及处理模块（3），用来根据从所述方程组的不同解获得的位置来确定事件的位置。

Description

定位发射信号的事件的方法

技术领域

本发明涉及使用一组传感器以定位发射信号的事件的方法。该信号可以是听觉信号、诸如无线电信号的电磁信号或者诸如来自电气装置的机电机构的振动的机电信号。待定位的事件可以是例如电气装置中的局部放电、空间中发声源的激活、管道中的压力瞬变或者其它的事件。

本发明尤其可在检测和定位电气装置或者封闭腔（例如，电力变压器或空气灭弧开关断路器）中的局部放电故障或来源的方法中使用。电气装置中的局部放电与听觉信号（通常是超声波信号）或电磁信号的发射相关联。

本发明并不限于应用到电气装置，其可以涉及许多其他的应用，例如，声纳领域、或用于定位空间中的声音源或管道的监测等。

背景技术

用于定位信号源的常规方法包括：通过一组传感器来测量信号的响应时间，以及求解将传感器与源之间的距离定义为传感器所测量到的响应时间的函数的方程组。该方程组的解给出了信号源的位置。

如果该方程组无解，常规方法则建议改变传感器的位置以得到改进的信号，然后重复计算以及重新开始移动和计算，直到求得该方程组的解为止。

然而，存在有可能无法移动传感器的情况，特别是在超高频（UHF）传感器的情况下。此外，存在即使移动传感器也难以找到源的情况，特别是对于具有很短响应时间或者不够精确的传感器，或者对于在恶劣环境（其具有例如可能延迟或者弱化信号的障碍物）中搜寻信号发射的情况。

因此，本发明的目的在于提出定位发射信号的事件的系统和方法，其不具有上述缺点，并且尤其不需要移动传感器。

发明内容

本发明由用于定位发射信号的事件的方法来限定，该方法包括：通过一组传感器测量所述信号的响应时间，以及求解一方程组，该方程组将所述传感器与所述事件之间的距离定义为所述信号的传播速度和所述响应时间相对于参考时间的偏移量的函数。如果方程组没有指示事件的位置的解，该方法包括以下步骤：

通过针对每次迭代修改所述传感器中至少一个的响应时间、向所述响应时间施加一小于确定值的百分比的增大或者减小来多次重新开始对方程组求解，其中，对方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于每个传感器，所述响应时间的小于确定值的百分比的不同增大或者减小之和接近于0为止；以及

当求得所述方程组的解时，通过计算所得到的解的平均值来确定事件的位置。

该方法能够以简单的方式求得传统方法所进行的不具有交叉点的定位的替代性解。当不可能移动传感器时，或者即使通过移动传感器也难以确定事件的位置时，该优势尤其具有重要意义。该方法也能够通过使用最小数量的传感器而得到事件发生的区域。该方法还能够给出事件位置的非常满意的逼近。此外，通过例如以随机的方式改变百分比来促进该方法的实施，从而能够舍去每个先验解，并且允许变异平均接近于0。

所述确定值可大约为30%，以及优选地为15%。

将响应时间增大或者减小介于0%至15%之间的百分比使得事件的位置能够被非常精确地确定。此外，如果没有找到结果时或者如果收敛的方程组的数量过小时，可以进行介于0%至30%之间的变异。

有利地，方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于每个传感器，产生解的响应时间的不同局部变异之和小于2%以及优选地小于1%为止。

对接近于0的局部变异进行求和使得信号事件的定位精确度得到提高。

如果所述信号的发射日期是未知的，则根据第一实施例的参考时间对应于所述一组传感器中的一个传感器所测量到的最小响应时间，以及如果所述信号的发射日期是已知的，则根据第二实施例的参考时间对应于所述发射日期。

有利地，根据二维或三维坐标系的参照系放置传感器，以使得对于至少确定的最小数量的传感器，每个传感器与单个其它传感器至多具有单个共同的坐标。

这能够提高解的精确度。

如果所述信号的发射日期是未知的，则该组传感器所包括的传感器的数量严格地大于坐标轴的数量，以及如果所述信号的发射日期是已知的，则该组传感器所包括的传感器的数量大于或者等于坐标轴的数量。因此，在三维参照系中，如果信号的发射日期是已知的，则该组传感器包括至少3个传感器，以及如果是未知的，则包括至少4个传感器。

本发明也涉及一种用于定位发射信号的事件的装置，包括：

一组传感器，用来测量所述信号的响应时间；

处理模块，用来求解一方程组，该方程组将所述传感器与所述事件之间的距离定义为所述信号的传播速度和所述响应时间相对于参考时间的偏移量的函数；

处理模块，用来多次重新开始求解方程组，每次通过将所述响应时间增大或者减小一小于确定值的百分比来修改所述传感器中至少一个的响应时间，其中，所述方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于每个传感器，所述响应时间的小于确定值的百分比的不同增大或者减小之和接近于0为止；以及

处理模块，当求得所述方程组的解时，用来通过计算所得到的解的平均值确定事件的位置。

有利地，该组传感器包括超高频传感器和/或超声波传感器。

本发明也涉及一种包括代码指令的计算机程序，所述计算机程序用于在被处理模块执行时，执行根据上述特征中的任一项所述的定位方法。

附图说明

通过参考附图阅读仅作为表示而绝非限制性地给出的示例性实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的用于定位发射信号的事件的装置，该信号起源于某种待监视的物体；

图2示意性地示出了根据本发明的用于定位起源于电气装置的源的装置；

图3示出了代表方程组的解的球体交叉点，该方程组定义了传感器位置与发射信号的事件的位置之间的关系；

图4示意性地示出了根据本发明的用于定位信号的装置，其包括4个传感器以说明信号的发射日期是未知的情况；

图5示意性地示出了根据本发明的用于定位信号的装置，其包括电气模块以测量信号的发射日期；以及

图6示出了根据本发明求解方程组时所求得的结果。

具体实施方式

本发明的基本原理为通过传感器响应时间的初始值附近的局部变异来修改该响应时间。

图1示意性地示出了根据本发明的用于定位发射信号的事件的装置或系统，该信号起源于某种待监视的物体。该定位系统包括放置在待监视物体1附近并且连接到信号处理模块3的一组传感器A_i-A_m。

应当注意，根据本发明的定位装置或系统可在二维或三维空间中使用。例如，该装置可用来设法定位在地面或者表面上发射信号的源，并且在这种情况下，根据二维坐标系的参照系将传感器放置在该表面上。根据另一个示例，该系统可用来设法定位起源于三维物体的信号，并且在这种情况下，在三维坐标系的参照系中将传感器放置在该物体的周围。

有利地，为了增加定位精确度，放置传感器A_i-A_m以使得对于至少确定的最小数量的传感器，每个传感器至多仅与单个其它传感器具有单个共同的坐标。

也就是说，每个传感器与其它传感器中的每个具有不多于一个共同的坐标，并且具有相同坐标的传感器不多于两个。传感器的确定的最小数量可以是三个或四个，这取决于空间的尺寸、传感器的类型或者定位装置的配置。

传感器可以是超声波（US）探测器或者超高频（UHF）探测器，并且被配置成测量由事件S（由小星形表示）发射的信号的响应时间，设法寻求事件的位置。应当注意，信号的响应时间是指传感器接收该信号的时间。

处理模块3包括获取模块5、存储模块7、计算模块9以及包括例如显示模块13的输出模块11。获取模块5被配置成获取和数字化由传感器所做的测量值。计算模块9连同存储模块7被配置成求解一方程组，该方程组根据信号的传播速度和响应时间相对于参考时间的偏移量来定义传感器A_i-A_m与事件S之间的距离。参考时间可以等于信号的发射日期，或者等于另一个传感器的响应时间（其中其他响应时间均是相对于该另一个传感器的响应时间而定义的）。

应当注意，存储模块7可以包括包括代码指令的计算机程序，该计算机程序用于在被处理模块3执行时，实现根据本发明的定位方法。

根据本发明，如果方程组没有指示事件S的位置的解，处理模块3被配置成多次重新开始求解该方程组，每次根据局部变异来修改传感器中至少一个的响应时间。局部变异被认为是指与该响应时间的初始值接近的相对较小的变异。有利地，变异的和渐进地为0。

此外，处理模块3被配置成根据从方程组的不同解得到的位置通过统计方法确定事件S的位置。

图2示意性地示出了根据本发明的用于定位起源于电气装置的源的装置。

例如，该电气装置1是电力变压器，该电力变压器通常由包含诸如油或六氟化硫的电介质流体的腔或罐21构成。

将一组传感器A_i-A_m放置在电气装置1的周围以探测与所寻求的事件S的发生（例如，起源于电气装置1的局部放电出现的时刻）相对应的信号的位置。

可以使用超声波（US）传感器或者超高频（UHF）传感器。超声波传感器是可以安装在容纳电气装置1的罐21上的压电传感器。放置在罐21的一个或者多个壁上的这些US传感器感知由起源于电气装置1的放电所产生的声波或者振动。US传感器的响应时间大约为一毫秒。

作为一种变型，超高频（UHF）传感器是探测电磁波的传感器。应当理解，罐21通常由钢制成，并且不允许电磁波穿透。因此，可以经由例如阀（未示出）将UHF传感器插入罐21，和/或将其紧靠着罐21的窗格（例如，由尼龙、聚四氟乙烯或者另一种非金属材料制成）安装。UHF传感器具有大约一纳秒的响应时间，因此其可以接收比US传感器接收的信号快1000倍的信号。

有利地，将传感器A_i-A_m放置为使得其尽可能远地彼此间隔，以及使得其两两之间不具有两个共同的坐标。

为了促进和增加解的精确度，因而有利的是，尽可能地不将传感器放置在相同的高度z上、相同的横坐标x上以及相同的纵坐标y上。特别地，在图2的示例中，4个传感器A_i-A_l两两之间只具有两个共同的坐标。例如，传感器A_i和A_j可以具有相同的横坐标，传感器A_i和A_k可以具有相同的高度，传感器A_j和A_k可以具有相同的纵坐标，传感器A_j和A_l可以具有相同的高度,传感器A_k和A_l可以具有相同的横坐标，并且其他的坐标不同。此外，为了保持传感器令人满意的接收灵敏度，将传感器放置在距离腔的边缘很近的位置，同时不具有最小或者最大坐标。当然，更大数量的传感器能够使事件的定位得到提高。可以将该组传感器的坐标（x_i,y_i,z_i），（x_j,y_j,z_j），（x_k,y_k,z_k）和（x_l,y_l,z_l）记录在存储模块7中。

附图标记S说明了与所寻求的事件对应的局部放电源。当出现该局部放电时，传感器A_i，A_j，A_k和A_l分别测量由该事件发射的信号的响应时间t_i，t_j，t_k和t_l。更具体地，由传感器A_i-A_l获得的信号经由连接线23被发送至处理模块3，处理模块3将处理这些信号以确定和显示响应时间。

传感器A_i-A_l的坐标（x_i,y_i,z_i）,（x_j,y_j,z_j）,（x_k,y_k,z_k）,（x_l,y_l,z_l）及其响应时间连同信号在所讨论的介质中的传播速度V使得处理模块3能够定义一个方程组，该方程组的解代表了事件S的位置。该方程组将传感器A_i-A_l与事件S之间的距离定义为该信号的传播速度V和该响应时间相对于参考时间的偏移量的函数。

实际上，在三维空间中，每个方程式是球体的方程式，并且方程组的求解在于确定不同球体之间的公共点。在包括3个传感器A_i，A_j和A_k的定位装置的背景下，其如图3所示。假设t₀是发射信号的时间，以及t_i，t_j，t_k是传感器A_i-A_k的响应或者接收时间。因此，对于该信号在周围介质中的传播速度V，传感器与信号源之间的距离d_i，d_j和d_k的方程组可以定义为如下形式：

d_i=(t_i-t₀)v

d_j=(t_j-t₀)v

d_k=(t_k-t₀)v

如果响应时间和传播速度V是已知的，则有可能确定球体（或者在二维空间的情况下的圆）之间的交叉点，球体的中心为传感器A_i-A_k的位置，以及球体的半径为波在测量的响应时间内所行进的距离d_i-d_k。

图4示意性地示出了根据本发明的用于定位信号的装置，其包括4个传感器以说明信号的发射日期是未知的情况

如果信号的发射日期是未知的，则参考时间等于包括至少4个传感器的组中一个传感器所测量到的最小响应时间。也就是说，离信号源S最近的、其响应时间最短的传感器变成参考传感器。

根据该示例，4个传感器A_i，A_j，A_k和A_l被放置在电气装置1周围。这些传感器经由连接线23连接至处理模块3。信号和响应时间可以显示在包括在输出模块11中的显示模块13a-13d上。

假设在该组4个传感器A_i-A_l中，传感器A_l具有最短的响应时间，因此，这种情况下的参考传感器对应于传感器A_l（即，A_ref=A_l，x_ref=x_l，y_ref=y_l，z_ref=z_l和t_ref=t_l）。然后，对于位于待寻求的点(x，y，z)处的源，方程组具有如下形式：

f_i-f_ref-v²(t_i-t_ref)²=0

f_j-f_ref-v²(t_j-tref)²=0

f_k-f_ref-v²(t_k-t_ref)²=0

其中：

f_ref=(x-x_ref)²-(y-y_ref)²-(z-z_ref)²

f_i=(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²

f_j=(x-x_j)²+(y-y_j)²+(z-z_j)²

f_k=(x-x_k)²+(y-y_k)²+(z-z_k)².

应当注意，如果使用UHF传感器，则使用相同长度的连接线23是有利的，因为不能忽略来自传感器的信号在线中的传播速度。这将不需要计算由信号在这些线23中的传播所导致的时间，因为作为结果其对于所有4个传感器而言是相同的。

图5示意性地示出了用于定位信号的装置，其包括电气模块以测量信号的发射日期。

如果发射日期t₀是已知的，则参考日期等于该发射日期t₀，并且该组传感器仅需要包括至少3个传感器。

根据该示例，3个传感器A_i，A_j和A_k被放置在电气装置1周围并且经由3个连接线23连接至处理模块3。信号和响应时间被显示在显示模块13a-13c上。该定位装置也包括包括放电探测器25的电气模块。

放电探测器25首先被连接至电气装置1的电容性抽头27，然后经由测试电缆27被连接至处理模块3。经由电容性抽头27的电气测量值使得处理模块23能够确定信号的发射日期t₀，该发射日期t₀被显示在显示模块13e上。

应当注意，电气信号在测试电缆27中的传播时间是未知的，并且该传播时间相对于传感器A_i-A_k的响应时间不能被忽略。因此，在这种情况下，只能使用不具有相对高响应速度的US型传感器。

如果该组传感器只包括3个传感器A_i、A_j、A_k，则相应的方程组被定义如下：

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²-v²(t_i-t₀)²=0

(x-x_j)²+(y-y_j)²+(z-z_j)²-v²(t_j-t₀)²=0

(x-x_k)²+(y-y_k)²+(z-z_k)²-v²(t_k-t₀)²=0

由于各种原因，往往会发生该方程组无解的情况，也就是说，由这些方程式定义的球体没有公共点。例如，由于用户缺乏知识而导致的不准确的定时、噪声信号、信号的不足抽样、用户做出的不当近似或者许多其它失误可能让球体失去交叉点（或者在二维空间的情况下圆的交叉点），其中设法求解的正是该交叉点的等式。

然而，尽管存在方程组无解的情况，但是本发明允许在二维或三维空间中，通过多次修改传感器的响应时间以及每次重新开始求解该方程组来求得解。

在信号的发射日期是已知的或未知的二维或三维空间中，如果方程组无解，则处理模块3将因此多次重新开始求解该方程组，每次通过局部变异修改传感器A_i-A_l中至少一个的响应时间。

更具体地，当该方程组中的一个被得到并且其无解时，处理模块通过局部变异修改传感器中至少一个的响应时间，该局部变异对应于将响应时间增大或者减小一小于确定值n%的百分比，n%可以大约是30%，并且优选地大约是15%。

在实践中，这可以通过给传感器的时间偏移量（即，响应时间相对于参考时间的偏移量）部分增加一个新的“Δ”参数来完成。将Δ计算为对应响应时间的值的函数以使得这些值保持在同一数量级内。

然后每次使用不同的Δ多次重新计算包括这个新参数的方程组。有利地，要求对于每个传感器这些Δ之和为0或者接近于0。可以通过使用在每次迭代p中（即，在每次计算方程组时）都会被改变的变量n来计算这些Δ。变量n可优选地在0至15之间变化，但是如果通过这些值无法求得结果或者收敛的方程组的数量过小时，变量n可以更大。

为了得到作为传感器的响应时间的初始值的百分比的Δ的值，例如，有可能在迭代p中计算Δ如下：

Δ_ip=±(nt_i)/100

Δ_jp=±(nt_j)/100

Δ_kp=±(nt_k)/100

Δ_lp=±(nt_l)/100

为了舍掉每个先验解，并且允许变异平均接近于0，有利地，可以使用随机方法来计算Δ。

对于3个传感器A_i-A_k，当信号的发射日期已知时，迭代p中的方程组因此变为：

(x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²-v²(t_i-t₀+Δi_p)²=0

(x-x_j)²+(y-y_j)²+(z-z_j)²-v²(t_j-t₀+Δ_jp)²=0

(x-x_k)²+(y-y_k)²+(z-z_k)²-v²(t_k-t₀+Δ_kp)²=0

相反地，在4个传感器A_i-A_l的情况下，当信号的发射日期未知时，迭代p中的方程组因此变为：

f_i-f_ref-v²(t_i-t_ref+Δ_ip)²=0

f_j-f_ref-v²(t_j-t_ref+Δ_jp)²=0

f_k-f_ref-v²(t_k-t_ref+Δ_kp)²=0

有利地，方程组的求解重新开始于每次迭代p直到对每个传感器，产生解的响应时间的不同局部变异之和小于初始响应时间的2%以及优选地小于1%为止。

也就是说，在每次迭代中计算方程组，以及当在迭代q中求得解时，在迭代q中所使用的Δ的值Δ_iq、Δ_jq、Δ_kq被记录或者存储在存储模块7中。计算产生解的这些Δ之和，并且当该和为0或者接近于0时，停止该过程：

∑_qΔ_iq=0或∑_qΔ_iq≤r_i

∑_qΔ_jq=0或∑_qΔ_jq≤r_j

∑_qΔ_kq=0或∑_qΔ_kq≤r_k

其中，r_i，r_j和r_k接近于0；这些指数越接近于0，结果将越可靠。

实际上，图6示出了所使用的Δ的值Δ_iq、Δ_jq、Δ_kq之和接近于0的情况。在这种情况下，求得的结果（由小圆表示）集合在一起，并且这些结果的中心位于接近于信号源S的实际位置的区域。

而且，假设完成的迭代的总次数为p，并且得到的解的数量为Q；则比例Q/P给出了求得的结果的精确度的指示。例如，如果Q/P大于70%，则结果将非常精确。相反地，如果Q/P小于30%，则结果将非常分散，并且在这种情况下，优选地，应当使用新的Δ值重复整个计算，直到Q（即，有解的方程组的数量）例如大于50为止。

方程组的Q个解之后得到的结果或者位置（x_q，y_q，z_q）被记录在存储模块中，并且被该处理模块用以确定信号源的位置。

信号源的位置将特别接近于这些点的中心（x_c, y_c, z_c）。因此，在停止方程组的求解迭代只有（即，上述精确度标准令人满意之后），处理模块3将通过求取在方程组的不同解得到的位置（x_q, y_q, z_q）的平均值来计算事件的位置（x_c, y_c,z_c）：

$x_C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_q{x}_q}{Q},y_C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_q{y}_q}{Q},z_C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_q{z}_q}{Q}$

因此，本发明能够求得在利用传统方法时无交叉点的位置的替代性解。当不可能移动传感器时，或者即使通过移动传感器也难以找到源时，该优势尤其具有重要意义。

根据本发明的方法可以用作与已失败的第一种定位相容的另一种定位途径。因此，当第一次定位成功时，该方法不造成任何时间损失，它允许在由于没有得到结果而被迫（如果可用的话）“盲目”改变传感器的位置之前，获取近似的结果。

当只使用4个传感器时（考虑到装置的技术复杂性，其为该技术经常适用的情况），可以看到另一个值得注意的优势。在这种方式中，只可能有单个交叉点，因此，鉴于这种情况下测量传感器的响应时间所要求的精确度，得到方程组的解的可能性非常小。然而，根据本发明的方法能够得到发射源位于其中的近似区域。

本发明的进一步优势在于求解简单易于实现。

Claims (9)

1.一种用于定位发射信号的事件的方法，包括：通过一组传感器（A_i-A_m）测量所述信号的响应时间，以及对一方程组求解，该方程组将所述传感器与所述事件（S）之间的距离定义为所述信号的传播速度和所述响应时间相对于参考时间的偏移量的函数，其特征在于，如果该方程组没有指示所述事件的位置的解，该方法包括以下步骤：

通过针对每次迭代，修改所述传感器（A_i-A_m）中至少一个的响应时间、给所述响应时间施加一小于确定值的百分比的增大或者减小量，来多次重新开始求解该方程组，其中，对所述方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于每个传感器（A_i-A_m），所述响应时间的小于确定值的百分比的不同增大或者减小量之和接近于0为止；以及

当求得所述方程组的解时，通过计算所得到的解的平均值来确定所述事件的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述确定值大约为30%，以及优选地大约为15%。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于每个传感器（A_i-A_m），已产生解的响应时间的不同局部变异之和小于2%以及优选地小于1%为止。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述信号的发射日期是未知的，则参考时间等于所述一组传感器中的一个传感器所测量到的最小响应时间，以及如果所述信号的发射日期是已知的，则所述参考时间等于所述发射日期。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据二维或三维坐标系的参照系放置所述传感器（A_i-A_m），以使得对于至少确定的最小数量的传感器，每个传感器至多与单个其它传感器具有单个共同的坐标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，如果所述信号的发射日期是未知的，则该组传感器所包括的传感器的数量严格地大于坐标轴的数量，以及如果所述信号的发射日期是已知的，则该组传感器所包括的传感器的数量大于或者等于坐标轴的数量。

7.一种用于定位发射信号的事件的装置，包括：用来测量所述信号的响应时间的一组传感器（A_i-A_m），以及对一方程组求解的处理模块（3），该方程组将所述传感器与所述事件之间的距离定义为所述信号的传播速度和所述响应时间相对于参考时间的偏移量的函数，其特征在于，该装置还包括：

处理模块（3），用来多次重新开始对该方程组求解，每次通过将所述响应时间增大或者减小一小于确定值的百分比来修改所述传感器中至少一个的响应时间，其中，对所述方程组的求解重新开始于每次迭代，直到对于所述传感器（A_i-A_m）中的每个，所述响应时间的小于确定值的百分比的不同增大或者减小量之和接近于0为止；以及

处理模块（3），用来在求得所述方程组的解时，通过计算所得到的解的平均值来确定所述事件的位置。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该组传感器包括超高频传感器和/或超声波传感器。

9.一种包括代码指令的计算机程序，该计算机程序用于在被处理模块执行时，实现根据权利要求1至6中任一项所述的定位方法。

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