一种二维超声波阵列信号定位检测方法、装置

1.本发明涉及通讯领域，特别是指一种二维超声波阵列信号定位检测方法、装置。


背景技术：

2.在电力领域，大型的电力设备内，通常有些元器件在高压状态下，如电抗器的内部元器件，长时间工作会导致疲劳，当电压或电流出现波动的时候，出现击穿现象。
3.现有技术在检测这类情况时，通常采用的检测设备依靠电磁检测，存在检测效果差，不容易准确定位击穿位置的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明在于提供一种二维超声波阵列信号定位检测方法、装置，以解决上述现有技术不容易确定击穿位置的问题。
5.为解决上述问题，本发明提供一种二维超声波阵列信号定位检测方法，包括：
6.采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；
7.预先确定每个阵元组内的阵元的幅值特性关系曲线f，包括：声源的入射波与每个阵元组的法线之间的入射波角度α，满足-θ《α《θ，所述入射波所对应的组内每个阵元检测信号的幅值，以及组内的两个阵元在同一个入射波角度α所对应的幅值差da；
8.且符合约束公式da＝f(α-θ)-f(α-(-θ))；
9.通过每个阵元组的两个阵元各自检测的信号幅值确定幅值差da，以及所述第一阵元的夹角θ，第二阵元的夹角-θ；确定第一阵元组的入射波角度α1和第二阵元组的入射波角度α2；
10.采用以下公式计算超声波的信号源的坐标：
[0011][0012]
优选的，还包括：所述阵元组的数量为三个以上，任意两个阵元组确定出一个坐标；
[0013]
将多个坐标进行整合，确定出准确的坐标位置。
[0014]
优选的，还包括：每个阵元组内的阵元的数量为三个以上，每个阵元组内，任意两个阵元计算出一个入射波角度α；
[0015]
每个阵元组内的多个入射波角度α整合，确定出唯一一个，用于后续的声源的坐标计算。
[0016]
本发明的实施例还提供一种二维超声波阵列信号定位检测装置，采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，
第二阵元的夹角为-θ；
[0017]
与所述阵元组连接的处理器，用于执行上述权利要求任一项所述的方法。
[0018]
(1)本发明阵元间距与超声波波长无约束关系，可方便的应用于空气中；
[0019]
(2)本发明只需要测量超声信号的幅值，不需要相位信息，因此各阵元无需做到同步采样，采样率也可降低，成本较低。
[0020]
(3)本发明不仅可以获得入射波的入射角，还可确定声源的位置坐标。
附图说明
[0021]
图1是本发明实施例的流程图；
[0022]
图2是本发明实施例的一个阵元组的检测示意图；
[0023]
图3是本发明实施例中的幅值函数关系的示意图；
[0024]
图4a、图4b是本发明实施例中的两个阵元组的声源信号的定位示意图；
[0025]
图5是本发明实施例中检测的阵元波形图。
具体实施方式
[0026]
为清楚说明本发明中的方案，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。
[0027]
本发明的实施例提供一种二维超声波阵列信号定位检测方法，包括：
[0028]
s11：采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；如图2和图4所示，每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；
[0029]
在实施例的步骤执行之前，或步骤执行中，预先确定每个阵元组内的阵元的幅值特性关系曲线f，如图3所示，包括：声源的入射波与每个阵元组的法线之间的入射波角度α，满足-θ《α《θ，所述入射波所对应的组内每个阵元检测信号的幅值，以及组内的两个阵元在同一个入射波角度α所对应的幅值差da；
[0030]
且符合约束公式da＝f(α-θ)-f(α-(-θ))；
[0031]
设阵元传感器的方向特性函数为f(λ)，该函数为偶函数，入射角在阵元法线的逆时针方向为负，顺时针方向为正，设入射波对阵元1和阵元2的入射角分别为λ1和λ2，1个入射波对于2个阵元的入射角不同，两个阵元之间的距离很近，对于该入射波而言，波源到2个阵元的距离相同，因此两个阵元的幅值差异来自于入射角的不同。阵元1的幅值与阵元2的幅值差为da＝f(λ1)-f(λ2)；特性函数的曲线通过多个测量数据拟合而成；
[0032]
设入射波对阵元组的入射角为α，则根据图2的角度关系，λ1＝α-θ，λ2＝α-(-θ)，
[0033]
λ1位于作为对称轴的法线左侧、λ2位于对称轴右侧；
[0034]
故有幅值差da以下的关系：
[0035]
da＝f(α-θ)-f(α-(-θ))推导得出，da＝f(α-θ)-f(α+θ)；
[0036]
s12：通过每个阵元组的两个阵元各自检测的信号幅值确定幅值差da，以及所述第一阵元的夹角θ，第二阵元的夹角-θ；确定第一阵元组的入射波角度α1和第二阵元组的入射波角度α2；
[0037]
s13：采用以下公式计算超声波的信号源的坐标：通过上述确定的两个阵元组的入射波角度，以及距离，采用几何原理，通过公式可以确定声源的坐标位置。
[0038][0039]
上述的坐标位置，可以参考图4，其中交汇点位置p的坐标同时满足公式，从而得出，
[0040][0041]
本发明阵元间距与超声波波长无约束关系，可方便的应用于空气中；只需要测量超声信号的幅值，不需要相位信息，因此各阵元无需做到同步采样，采样率也可降低，成本相应较低。通过入射波的入射角，可准确确定声源的位置坐标。
[0042]
优选的，本发明的实施例为了提升每个阵元组的入射波角度的检测，还包括：每个阵元组内的阵元的数量为三个以上，每个阵元组内，任意两个阵元计算出一个入射波角度α；阵元组内的所有阵元的法线平行。采用偶数个阵元，根据阵元的正负夹角，任选2个作为阵元组检测入射波角度的一个集合，例如有6个阵元，则可以测算至少9个坐标，通过实施例的整合过程，可以确定出更准确的一个入射波角度α，用于后续的声源的坐标计算。
[0043]
优选的，本发明的实施例为了提升测量精度，还包括：所述阵元组的数量为三个以上，任意两个阵元组确定出一个坐标；将多个坐标进行整合，确定出准确的坐标位置。整合的过程，可以采用去掉最大、最小值，取坐标的平均值的方式。例如，采用4组、5组等，确定出多个坐标位置。
[0044]
通过上述的方式，在阵元组的角度整合，以及通过阵元组的整合，采用两方面提升声源定位的精度。可以实现更准确的定位。
[0045]
本发明还提供一种二维超声波阵列信号定位检测装置，采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；对于本发明的优选的实施例的硬件方案，本发明的装置也可以实现定位检测。
[0046]
与所述阵元组连接的处理器，用于执行上述实施例中的所述的方法。
[0047]
在本发明的一个实例中，设置信号源坐标为(290cm,300cm)，阵元组1的坐标为(-10cm,0),阵元组2的坐标为(10cm,0)，d为10；
[0048]
2个阵元组中，以阵元2的幅值为0db，则阵元1的幅值分别为-23.201db和-22.962db，如图5所示；通过拟合的幅值函数f，计算出α1和α2,在计算出信号源的坐标为(286.1,301.4)，与设置的信号源位置相差不足10cm，可以满足工程需要。如下表所示：
[0049]
信号源坐标阵元1.1阵元1.2阵元2.1阵元2.2α1α2计算坐标(290,300)-23.201db0-22.962db044.542.5(286.1,301.4)
[0050]
对于本发明各个实施例中所阐述的方案，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种二维超声波阵列信号定位检测方法，其特征在于，包括：采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；预先确定每个阵元组内的阵元的幅值特性关系曲线f，包括：声源的入射波与每个阵元组的法线之间的入射波角度α，满足-θ<α<θ，所述入射波所对应的组内每个阵元检测信号的幅值，以及组内的两个阵元在同一个入射波角度α所对应的幅值差da；且符合约束公式da＝f(α-θ)-f(α-(-θ))；通过每个阵元组的两个阵元各自检测的信号幅值确定幅值差da，以及所述第一阵元的夹角θ，第二阵元的夹角-θ；确定第一阵元组的入射波角度α1和第二阵元组的入射波角度α2；采用以下公式计算超声波的信号源的坐标：2.根据权利要求1所述的一种二维超声波阵列信号定位检测方法，其特征在于，还包括：所述阵元组的数量为三个以上，任意两个阵元组确定出一个坐标；将多个坐标进行整合，确定出准确的坐标位置。3.根据权利要求1所述的一种二维超声波阵列信号定位检测方法，其特征在于，还包括：每个阵元组内的阵元的数量为三个以上，每个阵元组内，任意两个阵元计算出一个入射波角度α；每个阵元组内的多个入射波角度α整合，确定出唯一一个，用于后续的声源的坐标计算。4.一种二维超声波阵列信号定位检测装置，其特征在于，采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；与所述阵元组连接的处理器，用于执行上述权利要求1～3任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种二维超声波阵列信号定位检测方法、装置，包括：采用位置固定的两个阵元组，且二者的距离为2d；每个阵元组内具有两个阵元，且每个阵元组内的所有阵元的法线在同一个平面，每个阵元的法线与阵元组的法线之间呈夹角θ；第一阵元的夹角为θ，第二阵元的夹角为-θ；预先确定每个阵元组内的阵元的幅值特性关系曲线f，通过每个阵元组的两个阵元各自检测的信号幅值确定幅值差dA，以及所述第一阵元的夹角θ，第二阵元的夹角-θ；确定第一阵元组的入射波角度α1和第二阵元组的入射波角度α2；计算超声波的信号源的坐标。本发明阵元间距与超声波波长无约束关系，可方便的应用于空气中；不需要相位信息定位，降低了采样成本。降低了采样成本。降低了采样成本。


技术研发人员：周秀 田天 白金 马奎 罗艳 陈彪 何宁辉 徐玉华 张庆平 于家英 张恒 马云龙 董天宇 李小伟 岳利强
受保护的技术使用者：国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 国网宁夏电力有限公司固原供电公司 西安交通大学
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/25