CN105917244B - 将脉冲源定位在色散介质中的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由至少一对传感器(1,2)在色散介质(5)中定位脉冲(s1,s2)的源(7)的方法，所述方法包括以下步骤：在每个传感器(1,2)的级别处，检测源自所述源(7)的脉冲(s1,s2)；针对所述脉冲中的每个脉冲，根据N个向量来构建相位图，所述N个向量的坐标与所述脉冲(s1,s2)在采样时刻ti的幅度相对应；且针对每对传感器，通过公式I计算在每个传感器与所述源的距离L1与L2之间的比率，其中，(II)和(III)是与由所述传感器(1,2)检测到的所述脉冲相对应的所述相位图的向量(IV)和(V)的范数。

Description

将脉冲源定位在色散介质中的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求通过引用并入的法国专利申请N°14/50348的优先权。
技术领域
本公开内容涉及用于将脉冲源定位在色散介质中的方法。
背景技术
在载波线路中，例如，针对电能量、水或数据，不同的现象可能导致在线路中的一个点处生成脉冲。之后期望检测并定位该脉冲源自于其的区域。
作为示例，在电缆中，在线缆隔离中的缺陷可以导致寄生放电的发生，每个放电引发具有大致短于1μs的持续时间或宽度的脉冲的生成。
对脉冲源进行定位使得能够定位缺陷并且因此使得能够更换或使得能够修复受缺陷影响的线缆区段。关于脉冲源的精确位置的误差可能导致在错线缆部分上采取动作并且导致必须重复维护操作。
图1示意性地示出了能够在线路上定位脉冲源的设备。
两个传感器1和2被布置在电缆5上、被布置在电脉冲源7的任一侧上。每个传感器与通信装置(未示出)相关联且与信号处理单元(未示出)相关联。
已知的线缆长度L将传感器1与传感器2分开。期望已知将源7分别与传感器1和与传感器2分开的线缆长度L1和L2。
当在源7的级别处发生放电10时，脉冲s1和s2一直传播到传感器1和2。在示出的示例中，长度L1大于长度L2，在脉冲s2已经被传感器2接收之后的时间Δt，脉冲s1被传感器1接收。间隔Δt与在线缆中的脉冲传播速度成反比并且与在长度L1与L2之间的差成比例。通过测量Δt，在已知在传感器之间的速度和线缆的长度L，L1或L2的情况下，并且由此计算线缆5上的源7的位置。
为了测量Δt，传感器1和2应当借助于诸如GPS(“全球定位系统”)模块、无线电调制解调器或光纤的系统来同步。在传感器1与2之间的同步延迟引发关于Δt的误差并且因此引发关于源7的精确位置的误差。作为示例，针对传播速度v＝1.6*108m.s-1，关于Δt的值的160-ns的误差引发关于源位置的等于25.6m的误差。
文献“IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY,IEEE SERVICE CENTER,纽约,NY,US,第26卷,n°1,2011年1月1日(2011-01-01),第33-41页”、DE 10 2010 013613、WO 2005/073752和“INFORMATION SCIENCE,SIGNAL PROCESSING AND THEIR APPLICATIONS(ISSPA),2012 11TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON,IEEE,7月2日，2012(2012-07-02)，第1141-1146页”描述各种缺陷定位系统。
发明内容
本文期望减少在源位置方面的误差。
因此，实施例提供一种借助于至少一对传感器在色散介质中定位脉冲源的方法，该方法包括以下步骤：在每个传感器的级别处，检测源自源的脉冲；针对所述脉冲中的每个脉冲，根据N个向量来构建相位图，N个向量的坐标与脉冲在连续采样时间ti的幅度相对应；以及针对每对传感器，利用以下公式来计算在每个传感器到源的距离L1与L2之间的比率：
其中，和是与由传感器检测到的脉冲相对应的相位图的向量和的范数。
根据实施例，色散介质是导向介质。
根据实施例，源由一对传感器定位，在传感器之间的距离L是已知的。
根据实施例，色散介质是电缆。
根据实施例，相位图的向量的坐标与三个连续采样时间相对应。
根据实施例，在每个传感器的级别处检测脉冲包括以下步骤：将由传感器接收到的信号划分成相同持续时间的部分；利用具有不同中心频率fj的M多个带通滤波器来对每个部分进行滤波；计算与部分的每个频率fj相关联的平均能级；计算在第一连续部分与第二连续部分之间的谱距离DW/W+1；以及将谱距离DW/W+1与阈值进行比较。
根据实施例，在先前校准步骤期间设置阈值。
根据实施例，谱距离DW/W+1基于以下公式来计算：
其中XW+1(fi)和XW+1(fi)是分别与第一部分的频率fj和第二部分的频率fj相对应的平均能级。
根据实施例，部分的持续时间处于从5μs到15μs的范围中。
根据实施例，将两个连续采样时间分开的间距处于从1ns到50ns的范围中。
附图说明
将在结合附图对具体实施例的下面的非限制性描述中详细讨论前述和其他特征和优点，在附图之中：
先前描述的图1示意性地示出了能够在线缆上定位电脉冲源的设备；
图2示意性地示出了用于在线缆上定位电脉冲源的设备的实施例；
图3示出了在图2的传感器的级别处检测到的脉冲的形状；
图4示出了图2的设备的脉冲检测的模式；
图5A和图5B分别示出与该脉冲相对应的脉冲和相位图；以及
图6A和图6B分别是两个脉冲的相位图和在图的平面上的投影。
为清楚起见，相同的元件已经在不同附图中利用相同的附图标记来指代。
具体实施方式
在下文中详细描述的实施例旨在对与在电缆中的一个点处的放电相对应的电脉冲的源进行定位。更一般地，该方法适用于对任何类型的脉冲源在任何类型的色散介质中的定位，无论该色散介质是否为导向的。导向色散介质的另一示例是水管。在这种情况下，要被检测的脉冲不是电脉冲而是超压脉冲。在非导向色散介质的情况下，至少三个传感器被使用并且脉冲源的位置通过三角测量法基于在从源到传感器中的每个传感器的距离之间的比率来确定。非导向色散介质的示例是期望定位其中的内部破损区域的有压力的机械零件，传感器则为振动传感器或声音传感器。
图2示意性地示出了用于检测电缆中的电脉冲的源的设备的实施例。
该设备包括在电脉冲7的源的任一侧上的被布置在电缆5上的距离彼此距离L处的两个传感器1和2。每个传感器与信号处理单元12相关联并且与通信装置14相关联。该设备还包括与通信装置14相关联的计算单元16。计算单元16从传感器接收数据。通信装置14可以为有线装置或无线装置，例如为光纤或电力线通信连接。
期望已知将源7与传感器1和2分开的线缆长度L1和L2。当放电10发生在源7的级别处时，最初相同的脉冲s1和s2分别朝向传感器1和朝向传感器2传播。
图3示出了彼此相对放置的脉冲s1和s2的形状。脉冲s1比脉冲s2衰减得更多并且变形得更多。这是脉冲s1的传播距离L1大于脉冲s2的传播距离L2的事实和线缆5为色散介质的事实的结果。
本文提供根据脉冲s1与s2的形状差异而非根据在这些脉冲之间的传播时间差来确定距离L1和L2。因此，无需一起同步图2的传感器1和2。因此无需将这些传感器与如关于图1描述的昂贵的或复杂的装置相关联。
发明人已经示出在长度L1与L2之间的比率等于脉冲s1的相位图的向量的范数的和与脉冲s2的相位图的向量的范数的和之间的比率。
本文提供检测脉冲s1和s2，并且之后重建它们的相位图并且计算上述比率。
图4示意性地示出了瞬态信号检测方法的示例。
在步骤20处，将由传感器1或2接收到的信号22拆分成相同持续时间的部分(…W,W+1,W+2,…)。作为示例，为了检测具有小于或等于1μs的宽度的脉冲，部分的持续时间处于从5μs到25μs的范围中，例如为15μs。
在步骤26处，通过M个带通滤波器的组件来将滤波应用到每个部分W，每个带通滤波器具有不同中心频率fj，j处于从1到M的范围中。
在步骤28处，针对每个部分W的每个频率fj计算平均级别XW(fj)。该平均能级可以通过将积分器电路与M个滤波器中的每个滤波器相关联来获得。
在步骤30处，针对任何一对的连续部分W和W+1，谱距离DW/W+1基于以下公式来计算：
在步骤32处，将谱距离DW/W+1与在先前校准阶段中设置的阈值β进行比较。能够根据DW/W+1变得大于β的事实来推导部分W+1包含除了噪声(脉冲)之外的信号。
图5A和图5B示出了根据(图5A中示出的)脉冲的幅度构建(图5B中示出的)相位图。根据信号构建相位图被公开在由剑桥大学出版社于2004年出版的Holger Kantz和ThomasSchrieber著作的图书“Non-linear Time Series Analysis”的第二版的第3章第30页到第46页处。
图5A示出了脉冲39随时间t的幅度A。脉冲39是以间距τ在具有与连续时间ti相对应的幅度a(ti)的连续时间ti处定期采样。
图5B示出了具有轴X、Y和Z的正交坐标系40。参考图5A，向量可以与每个采样时间ti相关联，使得向量沿三个轴X、Y和Z的坐标与a(ti)、a(ti+τ)和a(ti+2τ)相对应，即与在采样时间ti、ti+τ和ti+2τ处的脉冲39的幅度相对应。该组向量在坐标系40中形成脉冲39的相位图42。作为示例，为了确定具有小于或等于1μs的宽度的脉冲的相位图，采样脉冲τ处于从1ns到50ns的范围中，例如为20ns(即，50-MHz采样频率)。
在所描述的示例中，向量具有三维度。一般地，向量可以与在D维坐标系中的采样时间的数量D相关联，D≥2。
图6A示出了分别与脉冲s1和s2相关联的两个相位图44和46。相位图44由根据脉冲s1确定的N个向量形成。相位图46由根据脉冲s2确定的N个向量形成。相位图46实质上为相位图44的放大。
在图6B中，相位图44和46已经被投影在图6A的平面XY上以更好地突出以下事实：相位图46实质上为相位图44的放大。
如先前所指示的，在距离L1与L2之间的比率等于脉冲s1的相位图的向量的范数的和与脉冲s2的相位图的向量的范数的和之间的比率。换言之：
其中和是向量和的范数。
实验测试已经由发明人执行并且示出这种方法使得能够比在基于在传感器的级别处的脉冲的到达的时间的差异的方法的情况下更好的准确度来定位脉冲源。作为示例，当传感器被布置在同轴线缆上、彼此相距300m远时，脉冲源的位置被确定仅仅有1.024m的误差，而非在如在图1的情况下的25.6m。
已经描述了具体实施。本领域技术人员将进行各种更改和修改。具体地，尽管已经在电脉冲在电缆中传播的情况下描述了实施例，但是应当注意该方法适用于任何类型的色散介质，无论该色散介质是否为导向的，并且适用于不同性质的信号。在非导向色散介质的情况下，在至少三个传感器的级别处检测到的脉冲的相位图使得能够计算在从源到传感器的对中的每个的距离之间的比率。源的精确位置能够之后通过三角测量法根据这种比率来推导。
另外，已经在传感器被定位在脉冲源的任一侧上的情况下描述了该方法。它们还可以被布置在源的相同侧上。

Claims (10)

1.一种利用至少一对传感器(1,2)在色散介质(5)中定位脉冲(s1,s2)的源(7)的方法，所述方法包括以下步骤：
在每个传感器(1,2)的级别处，检测源自所述源(7)的脉冲(s1,s2)；
针对所述脉冲中的每个脉冲，根据N个向量来构建相位图(44,46)，所述N个向量的坐标与所述脉冲(s1,s2)在采样时间ti和在紧接着的连续采样时间(ti+τ,ti+2τ)的幅度相对应；且
针对每对传感器，利用以下公式来计算在从每个传感器到所述源的距离L1与L2之间的比率：
其中，是与由传感器(1)检测到的所述脉冲相对应的第一相位图(44)的向量的范数并且是与由传感器(2)检测到的所述脉冲相对应的第二相位图(46)的向量的范数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述色散介质(5)是导向介质。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述源(7)由一对传感器(1,2)定位，在传感器之间的距离L是已知的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述色散介质(5)是电缆。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一相位图(44)和所述第二相位图(46)的向量的坐标与三个连续采样时间(ti,ti+τ,ti+2τ)相对应。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在每个传感器(1,2)的级别处检测脉冲(s1,s2)包括以下步骤：
将由所述传感器(1,2)接收到的信号(22)划分(20)成相同持续时间的部分；
利用具有不同中心频率fj的M多个带通滤波器来对每个部分进行滤波(26)；
计算(28)与部分的每个频率fj相关联的平均能级；
计算(30)在第一连续部分(W)与第二连续部分(W+1)之间的谱距离DW/W+1；且
将谱距离DW/W+1与阈值(β)进行比较。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在先前采样状态期间设置所述阈值(β)的值。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，谱距离DW/W+1基于以下公式来计算：
其中XW(fj)和XW+1(fj)是分别与所述第一部分(W)的频率fj和所述第二部分(W+1)的频率fj相对应的所述平均能级。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，部分的持续时间处于从5μs到15μs的范围中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，将两个连续采样时间(ti,ti+τ)分开的步长(τ)处于从1ns到50ns的范围中。
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