定位發(fā)射信號的事件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于定位發(fā)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(yīng)時(shí)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(jù)所述信號的傳播速度和所述響應(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)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(fā)起對方程組的求解，每次根據(jù)局部變異來修改所述傳感器中至少一個(gè)的響應(yīng)時(shí)間；以及處理模塊（3），用來根據(jù)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(fā)射信號的事件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用一組傳感器以定位發(fā)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(jī)電機(jī)構(gòu)的振動(dòng)的機(jī)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(fā)聲源的激活、管道中的壓力瞬變或者其它的事件。
[0002]本發(fā)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(guān)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(fā)射相關(guān)聯(lián)。
[0003]本發(fā)明并不限于應(yīng)用到電氣裝置，其可以涉及許多其他的應(yīng)用，例如，聲納領(lǐng)域、或用于定位空間中的聲音源或管道的監(jiān)測等。
【背景技術(shù)】
[0004]用于定位信號源的常規(guī)方法包括:通過一組傳感器來測量信號的響應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間的函數(shù)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(guī)方法則建議改變傳感器的位置以得到改進(jìn)的信號，然后重復(fù)計(jì)算以及重新開始移動(dòng)和計(jì)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(dòng)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(dòng)傳感器也難以找到源的情況，特別是對于具有很短響應(yīng)時(shí)間或者不夠精確的傳感器，或者對于在惡劣環(huán)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(fā)射的情況。
[0007]因此，本發(fā)明的目的在于提出定位發(fā)射信號的事件的系統(tǒng)和方法，其不具有上述缺點(diǎn)，并且尤其不需要移動(dòng)傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明由用于定位發(fā)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)間的偏移量的函數(shù)。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(gè)的響應(yīng)時(shí)間、向所述響應(yīng)時(shí)間施加一小于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于每次迭代，直到對于每個(gè)傳感器，所述響應(yīng)時(shí)間的小于確定值的百分比的不同增大或者減小之和接近于O為止；以及
[0010]當(dāng)求得所述方程組的解時(shí)，通過計(jì)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(tǒng)方法所進(jìn)行的不具有交叉點(diǎn)的定位的替代性解。當(dāng)不可能移動(dòng)傳感器時(shí)，或者即使通過移動(dòng)傳感器也難以確定事件的位置時(shí)，該優(yōu)勢尤其具有重要意義。該方法也能夠通過使用最小數(shù)量的傳感器而得到事件發(fā)生的區(qū)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(jī)的方式改變百分比來促進(jìn)該方法的實(shí)施，從而能夠舍去每個(gè)先驗(yàn)解，并且允許變異平均接近于O。
[0012]所述確定值可大約為30%，以及優(yōu)選地為15%。
[0013]將響應(yīng)時(shí)間增大或者減小介于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(jié)果時(shí)或者如果收斂的方程組的數(shù)量過小時(shí)，可以進(jìn)行介于0%至30%之間的變異。
[0014]有利地，方程組的求解重新開始于每次迭代，直到對于每個(gè)傳感器，產(chǎn)生解的響應(yīng)時(shí)間的不同局部變異之和小于2%以及優(yōu)選地小于1%為止。
[0015]對接近于O的局部變異進(jìn)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(fā)射日期是未知的，則根據(jù)第一實(shí)施例的參考時(shí)間對應(yīng)于所述一組傳感器中的一個(gè)傳感器所測量到的最小響應(yīng)時(shí)間，以及如果所述信號的發(fā)射日期是已知的，則根據(jù)第二實(shí)施例的參考時(shí)間對應(yīng)于所述發(fā)射日期。
[0017]有利地，根據(jù)二維或三維坐標(biāo)系的參照系放置傳感器，以使得對于至少確定的最小數(shù)量的傳感器，每個(gè)傳感器與單個(gè)其它傳感器至多具有單個(gè)共同的坐標(biāo)。
[0018]這能夠提高解的精確度。
[0019]如果所述信號的發(fā)射日期是未知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數(shù)量嚴(yán)格地大于坐標(biāo)軸的數(shù)量，以及如果所述信號的發(fā)射日期是已知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數(shù)量大于或者等于坐標(biāo)軸的數(shù)量。因此，在三維參照系中，如果信號的發(fā)射日期是已知的，則該組傳感器包括至少3個(gè)傳感器，以及如果是未知的，則包括至少4個(gè)傳感器。
[0020]本發(fā)明也涉及一種用于定位發(fā)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)間的偏移量的函數(shù)；
[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(yīng)時(shí)間增大或者減小一小于確定值的百分比來修改所述傳感器中至少一個(gè)的響應(yīng)時(shí)間，其中，所述方程組的求解重新開始于每次迭代，直到對于每個(gè)傳感器，所述響應(yīng)時(shí)間的小于確定值的百分比的不同增大或者減小之和接近于O為止；以及
[0024]處理模塊，當(dāng)求得所述方程組的解時(shí)，用來通過計(jì)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(fā)明也涉及一種包括代碼指令的計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序用于在被處理模塊執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行根據(jù)上述特征中的任一項(xiàng)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(shí)施例的描述，將更好地理解本發(fā)明，其中:
[0028]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位發(fā)射信號的事件的裝置，該信號起源于某種待監(jiān)視的物體；[0029]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位起源于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(diǎn)，該方程組定義了傳感器位置與發(fā)射信號的事件的位置之間的關(guān)系；
[0031 ] 圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位信號的裝置，其包括4個(gè)傳感器以說明信號的發(fā)射日期是未知的情況；
[0032]圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位信號的裝置，其包括電氣模塊以測量信號的發(fā)射日期；以及
[0033]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明求解方程組時(shí)所求得的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明的基本原理為通過傳感器響應(yīng)時(shí)間的初始值附近的局部變異來修改該響應(yīng)時(shí)間。
[0035]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位發(fā)射信號的事件的裝置或系統(tǒng)，該信號起源于某種待監(jiān)視的物體。該定位系統(tǒng)包括放置在待監(jiān)視物體I附近并且連接到信號處理模塊3的一組傳感器A1-A1^
[0036]應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的定位裝置或系統(tǒng)可在二維或三維空間中使用。例如，該裝置可用來設(shè)法定位在地面或者表面上發(fā)射信號的源，并且在這種情況下，根據(jù)二維坐標(biāo)系的參照系將傳感器放置在該表面上。根據(jù)另一個(gè)示例，該系統(tǒng)可用來設(shè)法定位起源于三維物體的信號，并且在這種情況下，在三維坐標(biāo)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以使得對于至少確定的最小數(shù)量的傳感器，每個(gè)傳感器至多僅與單個(gè)其它傳感器具有單個(gè)共同的坐標(biāo)。
[0038]也就是說，每個(gè)傳感器與其它傳感器中的每個(gè)具有不多于一個(gè)共同的坐標(biāo)，并且具有相同坐標(biāo)的傳感器不多于兩個(gè)。傳感器的確定的最小數(shù)量可以是三個(gè)或四個(gè)，這取決于空間的尺寸、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，并且被配置成測量由事件S (由小星形表示)發(fā)射的信號的響應(yīng)時(shí)間，設(shè)法尋求事件的位置。應(yīng)當(dāng)注意，信號的響應(yīng)時(shí)間是指傳感器接收該信號的時(shí)間。
[0040]處理模塊3包括獲取模塊5、存儲(chǔ)模塊7、計(jì)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(shù)字化由傳感器所做的測量值。計(jì)算模塊9連同存儲(chǔ)模塊7被配置成求解一方程組，該方程組根據(jù)信號的傳播速度和響應(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)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(shí)間可以等于信號的發(fā)射日期，或者等于另一個(gè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間(其中其他響應(yīng)時(shí)間均是相對于該另一個(gè)傳感器的響應(yīng)時(shí)間而定義的)。
[0041]應(yīng)當(dāng)注意，存儲(chǔ)模塊7可以包括包括代碼指令的計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序用于在被處理模塊3執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的定位方法。
[0042]根據(jù)本發(fā)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(jù)局部變異來修改傳感器中至少一個(gè)的響應(yīng)時(shí)間。局部變異被認(rèn)為是指與該響應(yīng)時(shí)間的初始值接近的相對較小的變異。有利地，變異的和漸進(jìn)地為O。
[0043]此外，處理模塊3被配置成根據(jù)從方程組的不同解得到的位置通過統(tǒng)計(jì)方法確定事件S的位置。
[0044]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的用于定位起源于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(zhì)流體的腔或罐21構(gòu)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(fā)生(例如，起源于電氣裝置I的局部放電出現(xiàn)的時(shí)刻)相對應(yīng)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(gè)或者多個(gè)壁上的這些US傳感器感知由起源于電氣裝置I的放電所產(chǎn)生的聲波或者振動(dòng)。US傳感器的響應(yīng)時(shí)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(yīng)當(dāng)理解，罐21通常由鋼制成，并且不允許電磁波穿透。因此，可以經(jīng)由例如閥(未示出)將UHF傳感器插入罐21，和/或?qū)⑵渚o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制成)安裝。UHF傳感器具有大約一納秒的響應(yīng)時(shí)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放置為使得其盡可能遠(yuǎn)地彼此間隔，以及使得其兩兩之間不具有兩個(gè)共同的坐標(biāo)。
[0050]為了促進(jìn)和增加解的精確度，因而有利的是，盡可能地不將傳感器放置在相同的高度Z上、相同的橫坐標(biāo)X上以及相同的縱坐標(biāo)I上。特別地，在圖2的示例中，4個(gè)傳感器A1-A1兩兩之間只具有兩個(gè)共 同的坐標(biāo)。例如，傳感器Ai和Aj可以具有相同的橫坐標(biāo)，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(biāo)，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(biāo)，并且其他的坐標(biāo)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(shí)不具有最小或者最大坐標(biāo)。當(dāng)然，更大數(shù)量的傳感器能夠使事件的定位得到提高?？梢詫⒃摻M傳感器的坐標(biāo)(Xi, Yi, Zi), (X」，Yj, Zj), (xk, yk, zk)和(X1, y1； Z1)記錄在存儲(chǔ)模塊7中。
[0051]附圖標(biāo)記S說明了與所尋求的事件對應(yīng)的局部放電源。當(dāng)出現(xiàn)該局部放電時(shí)，傳感器Ai, Ap Ak和A1分別測量由該事件發(fā)射的信號的響應(yīng)時(shí)間ti; tj; tk和tlt)更具體地，由傳感器A1-A1獲得的信號經(jīng)由連接線23被發(fā)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(yīng)時(shí)間。
[0052]傳感器A1-A1 的坐標(biāo)(Xi, yi; Zi), Cxj, Yj, Zj), (xk, yk, zk), (X1, y!，Z1)及其響應(yīng)時(shí)間連同信號在所討論的介質(zhì)中的傳播速度V使得處理模塊3能夠定義一個(gè)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(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)間的偏移量的函數(shù)。
[0053]實(shí)際上，在三維空間中，每個(gè)方程式是球體的方程式，并且方程組的求解在于確定不同球體之間的公共點(diǎn)。在包括3個(gè)傳感器Ai, Aj和Ak的定位裝置的背景下，其如圖3所示。假設(shè)h是發(fā)射信號的時(shí)間，以及tptptk是傳感器A1-Ak的響應(yīng)或者接收時(shí)間。因此，對于該信號在周圍介質(zhì)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(quán)利要求】
1.一種用于定位發(fā)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(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)間的偏移量的函數(shù)，其特征在于，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(gè)的響應(yīng)時(shí)間、給所述響應(yīng)時(shí)間施加一小于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于每次迭代，直到對于每個(gè)傳感器(A1-Am),所述響應(yīng)時(shí)間的小于確定值的百分比的不同增大或者減小量之和接近于O為止；以及 當(dāng)求得所述方程組的解時(shí)，通過計(jì)算所得到的解的平均值來確定所述事件的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述確定值大約為30%，以及優(yōu)選地大約為15%。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，對所述方程組的求解重新開始于每次迭代，直到對于每個(gè)傳感器(A1-Am),已產(chǎn)生解的響應(yīng)時(shí)間的不同局部變異之和小于2%以及優(yōu)選地小于1%為止。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，如果所述信號的發(fā)射日期是未知的，則參考時(shí)間等于所述一組傳感器中的一個(gè)傳感器所測量到的最小響應(yīng)時(shí)間，以及如果所述信號的發(fā)射日期是已知的，則所述參考時(shí)間等于所述發(fā)射日期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，根據(jù)二維或三維坐標(biāo)系的參照系放置所述傳感器(A1-Am),以使得對于至少確定的最小數(shù)量的傳感器，每個(gè)傳感器至多與單個(gè)其它傳感器具有單個(gè)共同的坐標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，如果所述信號的發(fā)射日期是未知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數(shù)量嚴(yán)格地大于坐標(biāo)軸的數(shù)量，以及如果所述信號的發(fā)射日期是已知的，則該組傳感器所包括的傳感器的數(shù)量大于或者等于坐標(biāo)軸的數(shù)量。
7.一種用于定位發(fā)射信號的事件的裝置，包括:用來測量所述信號的響應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)間相對于參考時(shí)間的偏移量的函數(shù)，其特征在于，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(yīng)時(shí)間增大或者減小一小于確定值的百分比來修改所述傳感器中至少一個(gè)的響應(yīng)時(shí)間，其中，對所述方程組的求解重新開始于每次迭代，直到對于所述傳感器(A1-Am)中的每個(gè)，所述響應(yīng)時(shí)間的小于確定值的百分比的不同增大或者減小量之和接近于O為止；以及 處理模塊(3)，用來在求得所述方程組的解時(shí)，通過計(jì)算所得到的解的平均值來確定所述事件的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，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計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序用于在被處理模塊執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)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(yōu)先權(quán)日:2011年9月20日
【發(fā)明者】R·賴布萊頓 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司