CN105765351B - 用于定位颗粒的探测方法和用于执行这种方法的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于定位至少一个在流中移动的颗粒的探测方法，所述探测方法具有：通过发送器发出发送信号，通过接收器接收被反射的、与发送信号相比经过频率和相位调制的接收信号，并且紧接着将接收信号与至少一个表示共轭的、被估计的通道脉冲响应的核卷积成被重建的颗粒位置函数，以及根据所述被重建的颗粒位置函数确定颗粒的位置，以便改进用于颗粒测量的系统的空间分辨能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分所述的用于定位至少一个在流（Stroemung）中移动的颗粒的探测方法。此外，本发明还涉及一种按照专利权利要求10的前序部分所述的探测设备。
背景技术
在各种各样的情况下，对流中的颗粒的探测和定位以及对流中的浓度提高的颗粒聚集的探测和定位起重要的作用。示例性的问题情境在对燃烧过程的监视和控制中被找到。这里，对于最优的燃烧过程，所输送的材料的在时间上均匀的质量浓度在空气流中是必要的。然而，力学的和流动动态的效应定期地导致非均匀性、即所谓的颗粒股（Partikelstraehne）的形成，而且因此导致质量流的不均匀的分布。为了可能引入对策，这样的非均匀性必须被识别，而且理想地，所述非均匀性的位置必须被确定。
为了在不直接将测量仪器引进到空气流中的情况下测量体积流或质量流，基于超声传感器和微波传感器的系统是常见的。在此，关于体积分布和质量分布的信息从被吸收的信号功率与被反射的信号功率之比或者（在多个相干的（kohaernet）传感器的情况下）从被吸收的信号功率与被发射的功率之比获得，以及从渡越时间测量（Laufzeitmessung）获得。在此，尤其是微波系统通常以功率测量为依据。在这种情况下，在例如通过股形成引起的不均匀的材料浓度出现时，测量误差增加地出现。
发明内容
本发明的任务是改进用于颗粒测量的系统、尤其是微波系统的空间分辨能力。
按照本发明，该任务通过一种按照独立专利权利要求所述的方法和设备来解决。有利的实施形式由从属专利权利要求、说明书和附图得到。
按照本发明的用于定位至少一个在流中移动的颗粒的探测方法包括如下步骤：通过发送器发出发送信号并且通过接收器接收被反射的、与发送信号相比经过频率和相位调制的接收信号。这里，为了改进空间分辨能力而规定：紧接着执行将接收信号与至少一个表示共轭的、被估计的通道脉冲响应的核（Kernel）或者（积分）核卷积（Falten）成被重建的颗粒位置函数，而且根据所述被重建的颗粒位置函数确定颗粒的位置。相反地，因此核或者积分核与理想的颗粒位置函数的卷积描述了接收信号。在下文，术语“核、芯和积分核”同义地被使用。尤其是，发送和接收信号可以是微波信号。所描述的方法的重要的优点是所使用的确定性的（deterministisch）信号模型，所述信号模型使得对不同情况的高的可适配性（Anpassbarkeit）成为可能。也可以有针对性地“照明”流中的各个位置、即有针对性地将要与某个位置相匹配的核用于卷积。因此，亦即可以有针对性地而且精确地分析确定的空间区域并且相对应地探测被定位在那里的颗粒。另一优点是：所述处理直接归属于位置坐标的具体的映射（Abbild），使得人工的、视觉上的解释也是可能的。如果多个传感器被用于多维的定位或者简单地被用于提高探测可靠性或者探测精确度，那么传感器的相位或者频率精确的相干性和借此传感器彼此间的校准（Justieren）不是必要的，因为该方法仅仅分析利用了各一个单个传感器的数据。因此，将该方法扩展了额外的传感器或扩展了额外的传感器的数据是简单地可执行的。此外，该方法不以特定的发送信号形式或者传感器架构为前提。单频率的单通道传感器足够，所述单通道传感器是利用微小的电路花费并且借此成本有利地可实现的。而在更复杂的架构、例如具有调频连续波（frequency-modulatedcontinuous-wave（FMCW））信号形式的传感器的情况下同样可以应用该方法。接着，由于信号处理的额外的可能性要期望相对应更高的工作能力、也就是说更低的误差和错误探测率和更高的定位精确度。此外还有利的是：所必需的卷积运算可以紧凑地在频域中被示出并且有效地以对数复杂度被执行。
在优选的实施形式中规定：多次地、更确切地说分别与核族（Kernelschar）的每一个不同的核的卷积被执行，其中所述族的核对应于每一个不同的被期望的颗粒位置函数，并且出于被重建的颗粒位置函数的所获得的族来进行位置的确定。这有如下优点：不仅可以分析流中的各个位置，而且可以分析多个位置，或者也可以有针对性地将某些位置隐去、即不分析某些位置。此外，核函数的数目和形式是可变的并且所述核本身以分离的形式存在，使得该方法视所希望的分辨能力和可支配的计算效率而定也可以被缩放并且被并列（parallelisieren）。
这里，在另一实施形式中规定：所述核分别被关联给分别描述了颗粒位置的颗粒位置函数，所述颗粒位置在流中沿着颗粒的主移动方向分布，尤其是至少基本上与颗粒的主移动方向平行地分布。这有如下优点：以颗粒股的形式沿着流中的颗粒的主移动方向被构造的所期望的非均匀性可以特别有效地被标识。
在另一实施形式中规定：位置的确定包含被重建的颗粒位置函数的叠加，尤其是包含将被重建的颗粒位置函数叠加成位置坐标中的二维或者三维的图像。这有如下优点：基于这种图像的自动的颗粒探测是简单地可导出的而且是任意地可扩展的。为此，图像处理和模式识别的各种各样的方法、更确切地说统计学上的以及也确定性的方法是可设想的并且是有意义的。当然，特别简单地，人工的、视觉上的解释也是可能的。
在特别有利的实施形式中规定：所述探测方法被应用到颗粒流、即多个在流中移动的颗粒上，并且在确定所述颗粒流的颗粒的位置之后进行对所述颗粒的这些由于被假定的、预先被确定的统计学上相关的分布而属于同一整体的位置的提取，而且所述位置被映射到概率函数上。这里，重要的优点是：除了对不同情况的高的可适配性之外，所使用的确定性的信号模型也使得能够推断出现有的颗粒分布的特性。如果颗粒分布遵循纯随机过程，那么与特意被限定的、确定性的模型的偏差在本方法的结果中显然是可识别的。如果在该方法中制成位置坐标中的具体的映射，那么基于所述图像的对流中的股状的非均匀性的探测简单地利用图像处理和模式识别的各种各样的方法也是可执行的。
这里，尤其是可以规定：依据概率函数进行确定是否在颗粒流之内存在颗粒的不均匀的分布，并且如果是这种情况，则依据概率函数的至少一个最大值、尤其是绝对的最大值来进行对非均匀性的定位。这有如下优点：对非均匀性或颗粒股的定位是特别简单地可自动化的并且是相对应地有效地可执行的。
按照另一实施形式规定：接收信号和/或核（即卷积核（Faltungskern））以复值的形式（komplexwertig）被选择。这有如下优点：颗粒的虚拟位置的数目减少，也就是说在有很多颗粒的情况下在不同的函数之间的通过卷积被感应的干扰的数量针对基于图像的后处理明显被减小、也就是说是更好地可掌控的。这里，微粒的虚拟的位置因此被理解为“假的”微粒位置，在所述“假的”微粒位置上，即使在那里什么也没有，该方法也招致了微粒的存在，即所谓的“假阳性”。
在另一实施形式中规定：进行接收信号或者核的每一次频谱上的变细（Verjuengen）。这有如下优点：卷积结果的通过对调制的频带限制所引起的波动性被减小。这再次减小了虚拟的颗粒位置或者虚拟的点的数目或在位置坐标中的二维或者三维的图像中出现的可能的颗粒位置，并且在颗粒的移动方向上显著地改进了在这种图示中的颗粒能见度。
这里，可以附加地规定：在变细之后进行接收信号和/或核的高通滤波。这有如下优点：这样，在垂直于颗粒的移动方向的方向上的分辨能力被改进。
此外，本发明还包含用于定位至少一个在流中移动的颗粒的探测设备，所述探测设备具有用于发出发送信号和用于检测接收信号的传感器并且具有分析单元，其中接收信号的频率和相位借助于分析单元是可检测的，以及借助于所述分析单元，接收信号与至少一个表示共轭的、被估计的通道脉冲响应的核可卷积成被重建的颗粒位置函数，而且颗粒的位置根据所述被重建的颗粒位置函数是可确定的。这里，尤其是微波传感器可投入使用。
附图说明
本发明的其它的特征从对本发明的优选实施例的如下描述中以及依据附图得到。在此：
图1示出了针对按照本发明的方法的实施变型方案的应用的示例性的情况；
图2示出了示例性的对应于在图1中被示出的情况的经过频率和相位调制的接收信号；
图3示出了关于按照本发明的方法的具有多个被使用的核的实施例的示意性概况；
图4示出了针对颗粒流的模拟结果，其中可以利用本发明的一个实施形式定位非均匀性；和
图5示出了从图4中的例子被提取的概率函数。
在这些附图中，相同的或者功能相同的要素被配备有相同的参考符号。
具体实施方式
在图1中示出了针对按照本发明的方法的实施变型方案的典型的应用情况的示例性的情况。这里，在流动通道10中，颗粒1平行于通过箭头被象征性地表现的主流动方向3地在传感器5旁边移过。在此，该颗粒1依次占据不同的位置2，所述不同的位置2在所示出的例子中全部平行于主流动方向3地分布。这里，除了颗粒1的目前的位置x2之外，还有颗粒1的两个以前的位置x0和x1分开地被标记。这里，位置x0因此被颗粒1在时间上在位置x1之前被占据，所述位置x1又在目前的位置x2之前被占据。在颗粒1占据的所有位置中，该颗粒1都朝传感器5的方向反射接收信号4。颗粒相对于例如是微波传感器的传感器5移动的径向部分由于多普勒效应而产生所反射的接收信号4的频率偏移。利用颗粒1在主流动方向3上的前进的移动，相对于传感器5的方位角被改变，并且因此相对于传感器5的速度的径向分量被改变，以及结果，最终得到的多普勒偏移被改变。在颗粒1“飞过（Vorbeiflug）”期间，所反射的接收信号4因此经历了连续的频率和相位调制（参见图2），所述频率和相位调制针对颗粒1的经过的（zurueckgelegt）轨迹、即颗粒1的全部之前被占据的位置2以及该颗粒1的目前的位置是独特的并且是唯一的。
图2示出了示例性的对应于在图1中被示出的情况的经过频率和相位调制的接收信号4。这里在x轴上绘制的是接收信号4的实部。如在图1中要看到的那样，x轴平行于主流动方向3地被取向。要简单地被识别的是，在对应于在图1中被示出的位置x0、x1和x2的三个位置x0、x1和x2中分别存在不同的相位和频率调制。因此，以数学方式观察，通过将通道脉冲响应或者脉冲响应与颗粒位置函数卷积形成所述接收信号4。这里，为了重建颗粒1的位置x0、x1、x2等等，逆问题被解决，更确切地说通过与由核示出的共轭的、被估计的脉冲响应的去卷积被解决。
通过目标移动引起的多普勒调制的所基于的原理是公知的，并且与成像方法相关联地例如经常在海军和空军的领域中在名称“逆合成孔径雷达（Inverse SyhthetischeApertur-Radar）”下被重新找到。然而，目标位置在那里被假设为已知的或明确地被测量，被观察的对象的尺寸此外在那里处于显然更大的、原则上更适合于例如微波的大小中，使得完全另外的问题在那里起作用。
图3示出了关于按照本发明的方法的在使用多个核的情况下的实施例的示意性的概况。
在所示出的实施形式中，基于核函数或者核7的族设计了经过信号适配的滤波器组，所述核函数或者卷积核7对应于所期望的颗粒径迹的子集（Teilmenge）、也就是说对应于所期望的颗粒位置函数和相对应的经过相位调制的接收信号4。为此，流动通道10首先被分成多个区段6，所述区段6在所示出的例子中全部在y方向上、即垂直于主流动方向3地都具有等大的伸展。同时，在所示出的例子中，每个区段6在x方向上、即平行于主流动方向3地都分别覆盖了完整的流动通道10。然而，这里在原则上可以任意地选择所述区段6。重要的是核7的正确的关联，如所述核7在图3的中间被示出的那样。在那里，看到多个核7，所述核7分别对应于要直接在它们的左边看到的区段6。这些核7分别与在本例中的接收信号4被卷积成颗粒位置函数。所述卷积的各个结果在所示出的例子中被拼合成二维图像8。在此，将结果按照区段6或核7的布局分类，由此得到颗粒位置函数的位置可靠的（ortsgetreu）的映像。在所示出的例子中，被重建的颗粒位置函数的高的数值明亮地被示出，被重建的颗粒位置函数的低的数值黑暗地被示出。在此，得到两条线9，所述两条线9的交点确定了颗粒的位置。在本情况下，用坐标xp和yp给该位置打上标记。因此，在流之内形成了不同的卷积核或者核7，而且全部的卷积结果被关联给相对应的源位置并且相互叠加，使得在位置坐标中形成例如二维的图像。在该图像中，单个颗粒通常产生x形的卷积结果。这里，对于所实现的分辨决定性的是核7中的调制函数的调制宽度和精确的复制。这里，卷积结果的最大值表示颗粒在x方向上、即朝主流动方向3的方向的位置，在核7中的被选择的调制函数本身确定了在y方向上的、即垂直于主流动方向3的方向。这里，实际的脉冲响应与被估计的脉冲响应的相位中心的偏差在结果在x方向上的错移中被表现出来，实际的脉冲响应与被估计的脉冲响应的调制函数的偏差在结果（即颗粒位置函数）在y方向上的错移中被表现出来。
在图4中示出了针对颗粒流的模拟结果，其中可以利用本发明的一个实施形式定位非均匀性。这里，被示出的是多条交叉的线9，所述线9被绘制在x和y方向上的位置坐标上。为了更好的取向，传感器5的位置同样被记入。这里，颗粒流因此平行于x方向地在传感器5旁边流过，这里，所述颗粒流的颗粒1被检测并且以图形的方式被示出。流中的均匀的颗粒分布遵循随机过程。然而，这里在非均匀性、也就是尤其是股形成的情况下，尤其是在y方向上形成如下颗粒1的统计学上的关系：所述颗粒1形成所述股。按照在图3中所示出的相互关系，这种股的调制信号由各个颗粒1的全部的频率和相位贡献的叠加构成。在股11的情况下，如其在这里所示出的那样，在被重建的图像中得到线9的交点的连贯起来。在此，在存在很多颗粒1的情况下也形成了很多交叉的线对，所述交叉的线对不是通过物理微粒引起。这些线对也被称为虚拟的交点或者虚拟的颗粒。现在可能的是：通过适当的预处理和后处理步骤标识并且消除所述虚拟的颗粒。为此，因为卷积需要脉冲响应的共轭，所以以复值的形式选择接收信号4和核7例如是适宜的。虽然颗粒1利用实值的基本信号也是可探测的，但是虚拟的颗粒的数目或“卷积干扰”的数量在很多颗粒1的情况下对于基于图像的后处理来说显然要更困难地被掌控。也例如有意义的是，进行接收信号4和核7的频谱上的变细，以减少卷积结果的通过调制的频带限制所引起的波动性。这显然减少了虚拟的颗粒的数目并且显著地改进了在这种图示中的在横向、即x方向上的颗粒能见度。最后，例如可以进行接收信号4和核7的高通滤波，以便再次改进该方法在y方向上的分辨能力，所述方法在y方向上的分辨能力例如由于事先进行的将权重朝向稳态分量偏移的变细已经被恶化，或者以便在没有事先进行的变细的情况下也做到这一点。接着，在所示出的例子中，例如可以利用所述方法标识沿着位置Y的股11。因此，如果涉及在例如用于火力发电厂中的燃烧炉的输送管道（Zuleitung）中的流动通道10，那么例如可以执行与股无关的质量流确定，探测空气煤尘混合物中的非均匀性并且引入对策，以便再次制造均匀的混合。
在图5中示出了从图4中的图像提取的概率函数12。在这种情况下绘制的是在y方向、即在垂直于主流动方向3的方向上的相对概率P。显然要识别的是在位置Y上的最大值，所述在位置Y上的最大值如在图4中所示出的那样是股11的位置。因此，所述股11的位置Y可以简单地也自动地被识别。这里，所示出的概率函数12已经被制成，其方式是线9的那些交点首先利用适当的图像处理的方法已经被提取并且所述交点紧接着已经被映射到概率函数12上，其中所述交点由于它们的被假定的统计学上相关的分布而属于同一整体。接着，所述概率用作针对股11的探测的判断基础。因为交点的提取基于位置坐标，所以股11或在所述股11中含有的颗粒1的间距是直接已知的。如果股11现在应该例如在三维空间中被定位，那么借助于具有相同的处理方法的其它的分散地布置的传感器并且例如通过间距的三角测量可以在三维空间中唯一地确定股11的位置。
Claims (12)
1.用于定位至少一个在流中的流动通道（10）中平行于主流动方向（3）移动的颗粒（1）的探测方法，其具有如下步骤：
－ 通过发送器（5）发出发送信号；
－ 通过接收器接收被反射的、与发送信号相比经过频率和相位调制的接收信号（4）；
其特征在于：紧接着，
－ 将接收信号（4）与至少一个表示流动通道（10）的共轭的、被估计的通道脉冲响应的核（7）卷积成被重建的颗粒位置函数，并且
－ 根据所述被重建的颗粒位置函数确定颗粒（1）的位置（x0、x1、x2）。
2.根据权利要求1所述的探测方法，
其特征在于，
－ 多次与核族的每一个不同的核（7）的卷积被执行，其中所述族的核（7）对应于每一个不同的所期望的颗粒位置函数，并且
－ 出于被重建的颗粒位置函数的所获得的族来进行对所述位置（x0、x1、x2）的确定。
3.根据权利要求2所述的探测方法，
其特征在于，
所述核（7）分别被关联给分别描述了颗粒（1）的位置（x0、x1、x2）的颗粒位置函数，所述颗粒（1）的位置（x0、x1、x2）沿着所述主流动方向（3）分布。
4.根据权利要求2或3所述的探测方法，
其特征在于，
所述位置（x0、x1、x2）的确定包含被重建的颗粒位置函数的叠加。
5.根据权利要求4所述的探测方法，
其特征在于，
所述位置（x0、x1、x2）的确定包含将被重建的颗粒位置函数叠加成位置坐标中的二维或者三维的图像。
6.根据权利要求1至3之一所述的探测方法，
其特征在于，
所述探测方法被应用到颗粒流上，并且在确定所述颗粒流的颗粒（1）的位置（x0、x1、x2）之后进行对所述颗粒（1）的这些由于被假定的、预先被确定的统计学上相关的分布而属于同一整体的位置（x0、x1、x2）的提取，而且所述位置（x0、x1、x2）被映射到概率函数（12）上。
7.根据权利要求6所述的探测方法，
其特征在于，
依据所述概率函数（12）进行确定是否在颗粒流之内存在颗粒（1）的不均匀的分布，并且如果是这种情况，则依据概率函数（12）的至少一个最大值来进行对非均匀性的定位。
8.根据权利要求6所述的探测方法，
其特征在于，
依据所述概率函数（12）进行确定是否在颗粒流之内存在颗粒（1）的不均匀的分布，并且如果是这种情况，则依据概率函数（12）的绝对的最大值来进行对非均匀性的定位。
9.根据权利要求1至3之一所述的探测方法，
其特征在于，
接收信号（4）和/或核（7）每次都以复值的形式被选择。
10.根据权利要求1至3之一所述的探测方法，
其特征在于，
进行接收信号（4）和/或核（7）的每一次频谱上的变细。
11.根据权利要求10所述的探测方法，
其特征在于，
在所述变细之后进行接收信号（4）和/或核（7）的高通滤波。
12.用于定位至少一个在流中的流动通道（10）中平行于主流动方向（3）移动的颗粒（1）的探测设备，其具有用于发出发送信号并且用于检测接收信号（4）的传感器，而且所述探测设备具有分析单元，
其特征在于，
借助于所述分析单元，所述接收信号（4）的频率和相位能被检测，所述接收信号（4）能与至少一个表示流动通道（10）的共轭的、被估计的通道脉冲响应的核（7）被卷积成被重建的颗粒位置函数，而且颗粒的位置（x0、x1、x2）能根据所述被重建的颗粒位置函数而被确定。
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