CN101865361B - 双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了锅炉承压管泄漏监测技术领域中的一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法，用于解决单个声学基阵的探测范围小、精度低、误差大和难于实现的问题。方法包括：在锅炉内布置多层测点，相邻两层传声器阵列组成双基阵，每层传声器阵列由四元传声器构成正四方阵；根据传声器阵列测得的数据，计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角；利用计算得到的泄漏位置相邻两层的四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角，求得相邻两组泄漏位置解和方差；对相邻两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理，得到双基阵的泄漏定位解。本发明利用阵列数据的冗余信息和阵列之间的相干性，实现锅炉泄漏源的精确定位。

Description

双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法

技术领域

本发明属于锅炉承压管泄漏监测技术领域，尤其涉及一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法。

背景技术

火力发电机组的锅炉四管包括：水冷壁、过热器、再热器和省煤器受热面管道。锅炉四管泄漏一直是困扰火电机组安全生产的一大难题，进行锅炉四管爆管早期预报，在其还未发展成为破坏性爆漏之前及时发现泄漏，并确定泄漏点的位置。对于妥善安排停炉、缩短检修时间、减少经济损失有重大意义。

目前，国内外(参见专利“Acoustic Leak Detection System”，US4960079、“锅炉承压管泄漏在线监测仪”，CN2253829)炉管泄漏检测装置采用大量布置测点覆盖锅炉受热面，在滤掉锅炉背景噪声后检测泄漏声的声压级大小和泄漏声的频谱特征对泄漏是否发生加以诊断。若某测点发生报警，则确定泄漏源位于该测点为圆心，10米为半径的半球空间内，所以装置的主要作用还是判断泄漏并确定泄露的受热面，并不能定位到具体的管排上。对于泄漏孔径1～4mm，检修任务则往往需要花费大量的人力和时间，其面临的重大技术难题是解决泄漏源的精确定位问题。

通过将传声器组成阵列接收泄漏信号，经过对声信号的互相关处理得出声音到达不同位置传声器的时间差，再根据目标与基元位置之间的几何关系可以确定出其泄漏位置。但是单个声学基阵的探测范围小、精度低，特别是其定距误差很大，有时几乎无法实现。

发明内容

本发明的目在于：提供一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法，实现电站锅炉四管泄漏的精确定位。

技术方方案是：一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：在锅炉内布置由多层测点组成的传声器阵列，相邻两层传声器阵列组成双基阵，每层传声器阵列由M₁、M₂、M₃和M₄四元传声器构成四元正四方阵；

步骤2：根据传声器阵列测得的数据，计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角；

步骤3：利用计算得到的泄漏位置相邻两层的四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角，求得两组泄漏位置解和方差；

步骤4：对所述两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理，得到双基阵数据融合的泄漏定位解。

所述四元正四方阵传声器阵列的传声器包括紧固在传声器前面的前置放大器。

所述计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角的具体方法是：

其中，

θ、r分别表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目标斜距；τ_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的时间迟延差，即d_ij＝SM_i-SM_j＝cτ_ij，d_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的距离差，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，4；S表示泄漏源，c为声速，L为四元正四方阵的特征尺寸。

所述求得两组泄漏位置解和方差的具体方法是：

其中，x₁、y₁、z₁，θ₁、

r₁分别泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的一层的直角坐标系和球坐标系位置；x₂、y₂、z₂，θ₂、

r₂分别泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的另一层的直角坐标系和球坐标系位置；σ表示相应方差，σ_τ表示时间迟延估计测量误差。

所述对所述两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理的具体方法是：

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}{X}_j={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1}(P_1^{-1}{X}_1+P_2^{-1}{X}_2)$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1},$

其中，P₁、P₂分别为泄漏定位解X₁、X₂的方差，

(i，j＝1，2，…，m)为k×k阶矩阵，m为四元正四方阵传声器阵列的组数。

本发明利用单四元正四方阵的方位角和俯仰角进行双基地定位，其定位精度要高于利用单四元正四方阵目标斜距、方位角进行双基地定位和单四元正四方阵定位再双基地融合时的情况。

附图说明

图1是四元正四方阵传声器阵列在锅炉内分布图；

图2是四元正四方阵传声器阵列结构图；

图3是双基阵布阵与定位原理图；

图4是锅炉四管泄漏被动声测定位系统拓扑图；

图5是锅炉四管泄漏被动声测定位方法流程图；

图6是锅炉四管泄漏被动声测TDOA估计图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是四元正四方阵传声器阵列在锅炉内分布图。在图1中，采用SG-1025/17.5-M723型号的锅炉，将锅炉炉膛分为A、B、C、D、E、F层，共30个测点。根据炉膛测点分布图，任意两个相邻四元正四阵传声器阵列中心位置坐标为(x₁，y₁，0)、(x₂，y₂，0)，其中y₁＝y₂。图2是四元正四方阵传声器阵列结构图，在四元正四方阵传声器阵列中采用球坐标，M₁、M₂、M₃和M₄四个传声器构成的四元正四方阵传声器阵列；其中S表示泄漏源，M₁、M₂、M₃、M₄分别表示4个传声器，d_ij表示传声器M_i到M_j距点声源的距离差，即d_ij＝SM_i-SM_j。图3是双基阵布阵与定位原理图，双基阵系统由相邻的两个四元正四阵传声器阵列构成，采用直角坐标。假设双基阵系统中每个四元正四阵传声器阵列均可得到各自的目标斜距、方位角和俯仰角，或其中的两个参数，根据定位原理，能够在上半空间定位的只有下面三个子集：子集1(r₁，r₂，θ₁，θ₂)，子集

子集

对上面三组子集进行分析不难看出，通过每个子集均可求得两组定位解；为提高估计精度，应对每个子集的两组解进行融合处理，最后给出每个子集经过融合处理后的定位解。

四元正四方阵传声器阵列的目标斜距、方位角和俯仰角误差与时延估计误差关系为：

其中，分别表示存在时间迟延误差的单层四元正四方阵方位角，俯仰角，目标斜距(泄漏源与基阵中心的距离)的误差。

由(1)式可以看出：当时延估计误差不变时，单基阵(单层四元正四方阵)目标斜距估计误差不仅与泄漏点的方位角和俯仰角有关，还与泄漏点目标斜距的平方呈正比，与基阵的半径平方呈反比，而方位角和俯仰角的估计误差只与方位角和俯仰角有关，与泄漏点目标斜距的变化没有关系。因此在同样的时延估计精度下利用单基阵(单层四元正四方阵)方位角和俯仰角进行双基阵定位时，其定位精度要高于利用单基阵目标斜距、方位角进行双基阵定位和单基阵定位再双基阵融合时的情况，这是由于单基阵的斜距估计误差造成的。由于每个单基阵的参数估计误差均具有上述特点，采用方差加权融合处理的双基阵定位方法，也不能消除单基阵斜距估计误差对双基阵定位的影响，这就造成了利用单基阵方位角和俯仰角进行双基阵定位时的优势。

图4是锅炉四管泄漏被动声测定位系统拓扑图。传声器和紧固在传声器前面的前置放大器分别采用1/2英寸预极化驻极体测量传声器MP201(灵敏度50mV/Pa)和ICP前置放大器MA201。信号调理器提供用于传感器的ICCP供电，并可对信号进行滤波与放大。调节档分三个：1倍，10倍，100倍，BNC接头，18V直流电源供电，调理后的信号通过68针同轴接头电缆与数据采集卡连接。采用LabVIEW软件和NI PXI-6133采集卡，每通道采样速率最高可达3MS/s。设置采样频率为f_s＝102400S/s。国内某电厂8#锅炉型号为SG-1025/17.5-M723，其结构为深13.64m、宽14.022m、高74.13m，设计四元阵列的特征尺寸为12m。现场蒸汽喷气，蒸汽压力为5～8.1MPa，孔径为2mm得到ML(Maximum Likelihood，极大似然)广义互相关时间迟延估计(通道1、2)如图5所示。在采样点N＝426处检测到ML广义互相关函数非常稳定的尖锐峰值，计算

图5是锅炉四管泄漏被动声测定位方法流程图。图5中，本发明的实施过程是：

步骤1：如图1所示，在锅炉内布置由多层测点组成的传声器阵列，相邻两层传声器阵列组成双基阵，每层传声器阵列由M₁、M₂、M₃和M₄四元传声器构成四元正四方阵。

步骤2：根据传声器阵列测得的数据，计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角。

计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角的具体方法是：

其中，

θ、r分别表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目标斜距；τ_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的时间迟延差，即d_ij＝SM_i-SM_j＝cτ_ij，d_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的距离差，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，4；S表示泄漏源，c为声速，L为正四方阵的特征尺寸。

步骤3：利用计算得到的泄漏位置相邻两层的四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角，求得包含参数

和θ₁，θ₂的两组泄漏位置解和方差。

求得包含参数

和θ₁，θ₂的两组泄漏位置解和方差的具体方法是：相邻两层的四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角分别为：

为例以由上式得

对上式求微分，得双基阵定位误差方程

令

$C=\left(\begin{array}{ccc}-\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{l_0\sin {\mathrm{\θ}}_2}& \frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{l_0\sin {\mathrm{\θ}}_2}& 0\\ -\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{l_0\sin {\mathrm{\θ}}_1}& \frac{\cos {\mathrm{\θ}}_2\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}{l_0\sin {\mathrm{\θ}}_1}& 0\\ \frac{z{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{l_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+z^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}& \frac{z{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\sin {\mathrm{\θ}}_1}{{l_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+z^2{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_2\right)}& -\frac{l_0\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)\sin {\mathrm{\θ}}_2}{{l_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+z^2{\sin }^2({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)}\\ & \mathrm{dV}=\mathrm{CdX}& \end{array}\right.$

可得泄漏位置矢量为：

dX＝C^-1dV

泄漏位置误差与测量误差成线性关系，泄漏位置误差dX～N(0，σ²)定位误差协方程矩阵为

P_dX＝E[dXdX^T]＝C^-1{E[dVdV^T]}

式中

定义

$P_{\mathrm{dX}}=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_x^2& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\σ}}_y^2& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xz}}& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yz}}& {\mathrm{\σ}}_z^2\end{array}\right)$

其中

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^2={{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\τ}}}}^2$

根据式(1)得

同理

其中，x₁、y₁、z₁，θ₁、

r₁分别泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的一层的直角坐标系和球坐标系位置；x₂、y₂、z₂，θ₂、r₂分别泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的另一层的直角坐标系和球坐标系位置；σ表示相应方差，σ_τ表示时间迟延估计测量误差。

假设四元正四方阵传声器阵列共有m组，设第j组测量子集对应的目标位置及其误差分别为X_j和dX_j，(j＝1，2，…m)，则m个测量子集对应的目标位置矢量与误差之间的关系可表示如下：

$\tilde{X}=\mathrm{HX}+V$

式中

$\tilde{X}={[X_1^T,\·\·\·,X_m^T]}^T$

H＝[I₁，…，I_m]^T

$V={[d{X}_m^T,\·\·\·,d{X}_m^T]}^T$

其中I_i(i＝1，2，…，m)为与矢量X同维的单位矩阵；

V～N(0，B)，B为km×km阶矩阵，k为目标位置矢量的维数。

$B=E\left[{\mathrm{VV}}^T\right]=\begin{array}{c}\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{dX}}_{1}d{X}_1^T& {\mathrm{dX}}_1{\mathrm{dX}}_2^T& \·\·\·& {\mathrm{dX}}_1{\mathrm{dX}}_m^T\\ & d{X}_2{\mathrm{dX}}_2^T& \·\·\·& {\mathrm{dX}}_1{\mathrm{dX}}_m^T\\ & & \·\·\·& \·\·\·\\ & & & {\mathrm{dX}}_m{\mathrm{dX}}_m^T\end{array}\right)\end{array}$

$\underset{=}{\mathrm{\Δ}}{\left[B_{\mathrm{ij}}\right]}_{m\×m}$

$B_{\mathrm{ij}}\underset{=}{\mathrm{\Δ}}E\left[{\mathrm{dX}}_i{\mathrm{dX}}_j^T\right],$ (i，j＝1，2，…，m)为k×k阶矩阵。

故m组测量子集对应的目标位置数据采用WLS算法进行线性组合后，得到的目标位置估计值及其误差协方差矩阵分别为

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(H^T{B}^{-1}H\right)}^{-1}{H}^T{B}^{-1}\tilde{X}$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(H^T{B}^{-1}H\right)}^{-1}$

令 $B^{-1}\underset{=}{\mathrm{\Δ}}G={\left[G_{\mathrm{ij}}\right]}_{m\×m}$

G_ij(i，j＝1，2，…，m)为k×k阶矩阵，则

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ij}}\right)}^{-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ij}}{X}_j$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{ij}}\right)}^{-1}$

若m组测量子集之间不相关，且不考虑基阵尺寸误差的影响，即

B＝diag[B₁₁，…，B_mm]

$G=\mathrm{diag}[B_{11}^{-1},\·\·\·,B_{\mathrm{mm}}^{-1}]$

则

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}{X}_j$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}$

步骤4：对相邻两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理，得到双基阵数据融合的泄漏定位解。其具体方法是：

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}{X}_j={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1}(P_1^{-1}{X}_1+P_2^{-1}{X}_2)$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1}$

其中，P₁、P₂分别为泄漏定位解X₁、X₂的方差，

(i，j＝1，2，…，m)为k×k阶矩阵，m为四元正四方阵传声器阵列的组数。

图6是锅炉四管泄漏被动声测TDOA估计图。其中，(a)和(b)为通道峰值显示图，(c)为全互相关图，(d)为半互相关图。图6表明ML(最大似然)时间迟延估计能够取得稳定和尖锐的峰值，从而利用双基阵数据融合算法进行定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：在锅炉内布置由多层测点组成的传声器阵列，相邻两层传声器阵列组成双基阵，每层传声器阵列由M₁、M₂、M₃和M₄四元传声器构成四元正四方阵；

步骤2：根据传声器阵列测得的数据，计算泄漏位置对应于四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角，具体方法是：

其中，

θ、r分别表示泄漏位置的方位角、俯仰角和目标斜距；τ_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的时间迟延差，即d_ij＝SM_i-SM_j＝cτ_ij，d_ij表示传声器M_i到M_j距泄漏源的距离差，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，4；S表示泄漏源，c为声速，L为四元正四方阵的特征尺寸；

步骤3：利用计算得到的泄漏位置对应于相邻两层的四元正四方阵传声器阵列的方位角和俯仰角，求得两组泄漏位置解和方差，具体方法是：

其中，x₁、y₁、z₁，θ₁、

r₁分别表示泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的一层的直角坐标系和球坐标系位置；x₂、y₂、z₂，θ₂、

r₂分别表示泄漏源在相邻两层的四元正四方阵传声器阵列中的另一层的直角坐标系和球坐标系位置；σ表示相应方差，σ_τ表示时间迟延估计测量误差；

步骤4：对所述两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理，得到双基阵数据融合的泄漏定位解；

所述对所述两组泄漏位置解和方差进行加权最小二乘法融合处理的具体方法是：

${\hat{X}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}{X}_j={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1}(P_1^{-1}{X}_1+P_2^{-1}{X}_2)$

${\hat{P}}_{\mathrm{WLS}}={\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ii}}^{-1}\right)}^{-1}={(P_1^{-1}+P_2^{-1})}^{-1},$

其中，P₁、P₂分别为泄漏定位解X₁、X₂的方差，

(i，j＝1，2，…，m)为k×k阶矩阵，m为四元正四方阵传声器阵列的组数。

2.根据权利要求1所述的一种双基阵数据融合电站锅炉四管泄漏被动声测定位方法，其特征是所述四元正四方阵传声器阵列的传声器包括紧固在传声器前面的前置放大器。

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