[發明專利]基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法

在審

• 申請號: 202010798535.3
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN112130115A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 劉力卿;王偉;張弛;王楠;魏菊芳;馮軍基;馬昊;姚創;段明輝;季洪鑫
• 申請（專利權）人: 國網天津市電力公司電力科學研究院;國網天津市電力公司;國家電網有限公司
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22;G01S5/18
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王來佳

1.一種基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、構建變壓器微型機器魚定位系統；

步驟2、將微型機器魚的三維定位模型轉變成二維定位模型；

步驟3、采用窄帶超聲波束形成方法獲得微型機器魚在二維定位模型上的位置圖像。

2.根據權利要求1所述的基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：所述變壓器微型機器魚定位系統包括微型機器魚內置傳感系統和微型機器魚外置傳感系統，所述內置傳感系統放置在微型機器魚體上，包括深度檢測傳感器和超聲發射探頭；外置傳感系統放置在變壓器油中，包括超聲接收傳感陣列和信號處理單元。

3.根據權利要求1所述的基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：所述步驟2采用計算微型機器魚的深度信息來實現三維定位模型與二維定位模型的轉變，其深度信息的計算方法為：

通過微型機器魚定位系統中深度檢測傳感器采集壓強信息，利用以下公式實現壓強和深度的換算，獲得微型機器魚的深度信息；

上式中，h為微型機器魚的深度，P為壓強，ρ為變壓器油的密度，g為重力加速度。

4.根據權利要求3所述的基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：所述深度檢測傳感器采用壓強計或液壓計。

5.根據權利要求1所述的基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：所述步驟3的具體實現步驟包括：

①超聲信號發射：微型機器魚上安裝有超聲發射探頭，發射調制的超聲信號；

②超聲接收傳感陣列接收信號：變壓器上的超聲接收傳感陣列接收超聲發射探頭發射的超聲信號；所述超聲接收傳感陣列共有4組，分別布置于變壓器的四個角，每組超聲接收傳感陣列中包含10個超聲傳感器，每個超聲傳感器間距為1-2cm；

③超聲信號窄帶濾波：在信號處理單元中采用數字濾波器對超聲接收傳感陣列接收的超聲信號進行窄帶濾波，使獲得的窄帶信號滿足下面的條件，即信號經過超聲接收傳感陣列的時間遠小于信號帶寬的倒數；

其中，τ為陣列的時間，W_B為信號帶寬；

④陣列信號波束形成處理：

將每組超聲接收傳感陣列中的第一個超聲傳感器作為參考超聲傳感器，計算超聲接收傳感陣列中其他超聲傳感器與參考超聲傳感器之間的信號時間差，其公式為：

其中，θ為來波角度，c為超聲波的聲速,d為陣元間距。

假設參考超聲傳感器接收的信號為s(t)，則陣列中其它超聲傳感器接收的信號表示為：

其中，n_i(t)為噪聲，j為虛部，ω為信號的角頻率。

因此，整個超聲接收傳感陣列接收的信號表示為：

其中，a_θ表示陣列的方向導向向量，根據超聲接收傳感陣列的布局計算得到；

計算陣列的輸出功率Q，其公式為：

Q＝a_θE{s(t)s(t)^T}W^T+E{n(t)n(t)^T}＝a_θR_ssW^T+R_nn

其中W為權向量，R_ss和R_nn分別為信號和噪聲的協方差矩陣，根據超聲接收傳感陣列接收的信號計算得到；E為期望算子，T為矩陣轉至算子。

⑤根據在二維定位模型中的不同位置與超聲接收傳感陣列形成的來波角度，重復步驟④中的公式計算不同權向量W對應的超聲接收傳感陣列輸出功率，輸出功率最高的位置即微型機器魚的位置。

6.根據權利要求5所述的基于窄帶超聲波束形成的變壓器微型機器魚定位成像方法，其特征在于：所述調制的超聲信號為中心頻率500kHz——1MHz的正弦波或方波，信號時長為5-10周期。