CN116027271B - 一种三维超声波阵列信号定位检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维超声波阵列信号定位检测方法和装置，采用位置固定的两个阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的三个阵元，底部共原点，且均与阵元组法线的夹角为β；预先确定每个阵元组内的每个阵元的幅值特性与该阵元的入射角的关系f；确定第一阵元和第二阵元的幅值差dA12，确定第二阵元和第三阵元的幅值差dA23；根据两个幅值差、以及夹角β，确定每个阵元的入射角，以及所述共原点和声源之间的连线上的参考点x、y、z；根据第一阵元组内的第一连线、第二阵元组内的第二连线的交点坐标，确定所述声源的位置。
Description
技术领域
本发明涉及通讯领域，特别是指一种三维超声波阵列信号定位检测方法和装置。
背景技术
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。
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。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种三维超声波阵列信号定位检测方法和装置。本发明方法采用位置固定的两个阵元组，包括第一阵元组和第二阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的三个阵元，底部共原点，且阵元的法线均与阵元组法线的夹角为β；
预先确定每个阵元组内的每个阵元的幅值特性与该阵元的入射角的关系f，包括第一阵元的入射角a，第二阵元的入射角b，第三阵元的入射角c；
确定第一阵元和第二阵元的幅值差dA12，确定第二阵元和第三阵元的幅值差dA23；根据两个幅值差、以及夹角β，确定每个阵元的入射角，以及所述共原点和声源之间的连线上的参考点x、y、z；满足以下公式约束；
dA12＝f(a)-f(b)
dA23＝f(b)-f(c)
根据第一阵元组内的第一连线、第二阵元组内的第二连线的交点坐标，确定所述声源的位置。
所述确定声源的位置的过程包括：采用以下公式确定的坐标为声源的位置：
上述坐标中：为方位角；θ为极角，是以阵元组为原点的球坐标系的参数，θ1为第一阵元组的极角，θ2为第二阵元组的极角。
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。
所述每个阵元组内的阵元的数量为四个以上，每个阵元组内，采用任意三个阵元计算每个阵元的入射波角度；用于后续的声源位置的计算。
本发明还提供一种三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，包括第一阵元组和第二阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的三个阵元，底部共原点，且均与阵元组的法线的夹角为β；
装置内具有处理器，用于执行三维超声波阵列信号定位检测的方法。
本发明的有益效果包括：上述实施例的方法和装置，可以实现，采用两组传感器阵列，利用每个阵元的幅值特性，以及超声波的入射角，定位声源的位置。可广泛应用在电网设备，用于判断电网设备内，是否有元器件被击穿。便于安装，解决了现有技术中无法做故障监测的问题。
附图说明
图1是超声波阵列信号定位检测方法流程图
图2是超声探头方向特性曲线
图3是阵元组布置示意图
图4是3个锥面无公共母线的情形
图5是3个锥面存在公共母线的情形
图6是2个阵元组确定超声源原理图
具体实施方式
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。
本发明提供一种三维超声波阵列信号定位检测方法。本实施例中包括以下步骤，如图1所示。
步骤S01，选择3个超声探头，优选采用相同规格参数的，作为阵元在同一位置构成1个阵元组，底部共原点，且均与阵元组法线的夹角为β。投射方向均发散向外。
本实施例中所用超声探头为常见的压电式超声探头，具有较强的方向性，入射角越大，其探测的信号幅值越小，该超声探头方向特性如图2所示。
本实施例中，在同一位置，采用3个相同规格的超声探头作为阵元构成1个阵元组，阵元组中的3个阵元分别朝向不同的方向，等分圆周分布，各个阵元法线之间在xy平面投影相差2π/3，与z轴方向夹角相同。如图3所示：
在球面坐标系中，以阵元组的中心为原点，3个阵元的法线单位向量分别为(1,0,β)、(1,2π/3,β)、(1,4π/3,β)，阵元组的法线单位向量为r＝1,β＝0，被测超声源位于阵元组的探测范围内，探测范围定义为以阵元中心为原点，过3个阵元法线的圆锥空间。
步骤S02，预先测量各阵元的信号幅值，计算各阵元组中各阵元之间的幅值差。建立方向特性函数f，该函数包括每个阵元在不同入射角的入射波信号下，所产生的幅值。函数f可以通过多次测量的结果拟合得到。
该步骤可以在方法实施例的任意一个步骤完成，例如在步骤S01之前。
本实施例中，确定阵元组内第一阵元和第二阵元的幅值差dA12，第二阵元和第三阵元的幅值差dA23。
设阵元的方向特性函数为f(λ)，λ≥0，可以为a、b、或c等不同入射角的角度，设阵元之间的幅值差为如下式(1)：
dA12＝f(a)-f(b)
dA23＝f(b)-f(c)
式中，a、b、c分别为第一阵元、第二阵元、第三阵元的入射角。
步骤S03，根据3个阵元计算的两个幅值差、以及夹角β，确定每个阵元的入射角，以及所述共原点和声源之间的连线上的参考点x、y、z。
根据阵元组内各阵元的幅值差，根据f(λ)曲线查表试探3个阵元的入射角。以阵元组原点为顶点，分别以各阵元法线为对称轴，以a、b、c为母线与法线的夹角，做3个圆锥面，由于共原点的圆锥面交线为直线，则3个圆锥面最多可得6条交线，如图4所示。根据式(1)的约束，在f(λ)曲线上调整a、b、c的取值，使3个锥面相交于同一条直线L，该直线L即为声源射向该阵元组的入射路径，即超声波的入射方向，如图5所示。
L同时满足如下方程，如下式(2)：
其中，xyz分别为直线L上的一个参考点的坐标，共原点和声源之间的连线与直线L重合。
步骤S04，在空间中，布置2个阵元组，超声源位于各阵元组探测范围内。
步骤S05，根据第一阵元组内的第一连线、第二阵元组内的第二连线的交点坐标，确定所述声源的位置。第一连线、第二连线，即步骤S03中的直线L。
根据步骤S01-S03得到超声源对于2个阵元组的入射方向，2个方向的交点即为声源的空间位置，如图6所示，第一阵元组的坐标为(-d,0,0)，第二阵元组的坐标为(d,0,0)。
L1的方向向量：
L2的方向向量：
其中：为方位角；θ为极角，是以阵元组为原点的球坐标系的参数，θ1为第一阵元组的极角，θ2为第二阵元组的极角。
以上公式为L1和L2的球面坐标，转化为直角坐标为：
L1的方向向量：
L2的方向向量：则L1方程式为：
＝cosθ1t
其中，t是直线参数方程的参变量
L2方程式为：
＝cosθ2t
由L1L2相交，得出交点坐标：
由此得出超声源的坐标如下式(3)所示：
本发明还可以提供一个实施例，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。
本发明还可以提供一个实施例，每个阵元组内的阵元的数量为四个以上，还可以是6个或9个，3的倍数，每个阵元组内，采用任意三个阵元计算每个阵元的入射波角度；用于后续的声源位置的计算。如采用序号1、4、7的阵元一组，2、5、8的阵元一组，3、6、9的阵元一组等。
基于以上三维超声波阵列信号定位检测方法，本实施例提供一种三维超声波阵列信号定位检测装置，本装置采用位置固定的两个阵元组，包括第一阵元组和第二阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的至少三个阵元，底部共原点，且均与法线的夹角为β。两个阵元组的夹角β可以不同，也可以相同。内置有处理器，用于执行上述三维超声波阵列信号定位检测的方法。处理器可以放置在电子装置内，连接超声波的阵列，用于检测电网设备的超声信号，确定故障位置。
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。
Claims (5)
1.一种三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，包括第一阵元组和第二阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的三个阵元，底部共原点，且均与阵元组法线的夹角为β；
预先确定每个阵元组内的每个阵元的幅值特性与该阵元的入射角的关系f，包括第一阵元的入射角a，第二阵元的入射角b，第三阵元的入射角c；
确定第一阵元和第二阵元的幅值差dA12，确定第二阵元和第三阵元的幅值差dA23；根据两个幅值差、以及夹角β，确定每个阵元的入射角，以及所述共原点和声源之间的连线上的参考点x、y、z；满足以下公式约束；
根据第一阵元组内的第一连线、第二阵元组内的第二连线的交点坐标，确定所述声源的位置。
2.根据权利要求1所述的三维超声波阵列信号定位检测方法，其特征在于，所述确定声源的位置的过程包括：采用以下公式确定的坐标为声源的位置：
上述坐标中：为方位角；θ为极角，是以阵元组为原点的球坐标系的参数，θ1为第一阵元组的极角，θ2为第二阵元组的极角。
3.根据权利要求1所述的三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。
4.根据权利要求1所述的三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四个以上，每个阵元组内，采用任意三个阵元计算每个阵元的入射波角度；用于后续的声源位置的计算。
5.一种三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，包括第一阵元组和第二阵元组，二者的距离为2d，每个阵元组内具有三个等分设置的三个阵元，底部共原点，且均与阵元组法线的夹角为β；
处理器，用于执行上述权利要求1～4任一项所述的方法。
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