阅读说明：本技术 一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法 (Ultrasonic wave flight time estimation method for power station boiler temperature measurement system ) 是由 王免免 刘文红 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法,包括：1)建立信号噪声模型,假定接收到的两个信号x<Sub>1</Sub>(n)和x<Sub>2</Sub>(n)可以满足：x<Sub>1</Sub>(n)＝s(n)+v<Sub>1</Sub>(n),x<Sub>2</Sub>(n)＝λs(n-D)+v<Sub>2</Sub>(n)的离散信号模型；2)对于接收到的信号x<Sub>1</Sub>(n)和x<Sub>2</Sub>(n)求出互共变序列R<Sub>C12</Sub>(m),x<Sub>1</Sub>(n)的自共变R<Sub>c11</Sub>(m),其中R<Sub>c12(m)</Sub>＝E{x<Sub>1</Sub>(n)x<Sub>2</Sub>[(n+m)]}<Sup>(p-1)</Sup>＝R<Sub>css</Sub>(m+D),R<Sub>c11(m)</Sub>＝E{x<Sub>1</Sub>(n)x<Sub>1</Sub>[(n+m)]}<Sup>(p-1)</Sup>＝R<Sub>css</Sub>(m)+C<Sub>C</Sub>δ(m),原始序列经过自共变和互共变后,自共变序列可以看作是互共变序列经过移位并加入一个干扰而得到的；3)将R<Sub>C12</Sub>(m)、R<Sub>c11</Sub>(m)当作等效的时间序列作为LMPFTDE算法的输入信号,在LMPFTDE算法中,用一个系数为sinc采样函数的滤波器来拟合时间延迟。(The invention provides an ultrasonic wave flight time estimation method for a power station boiler temperature measurement system, which comprises the following steps: 1) modeling the signal noise, assuming two received signals x 1 (n) and x 2 (n) may satisfy: x is the number of 1 (n)＝s(n)+v 1 (n)，x 2 (n)＝λs(n‑D)+v 2 (n) the discrete signal model; 2) for received signal x 1 (n) and x 2 (n) obtaining a covariant sequence R C12 (m)，x 1 (n) self-covariant R c11 (m) wherein R c12(m) ＝E{x 1 (n)x 2 [(n+m)]} (p‑1) ＝R css (m+D)，R c11(m) ＝E{x 1 (n)x 1 [(n+m)]} (p‑1) ＝R css (m)+C C (m), after the original sequence is subjected to self-covariation and mutual covariation, the self-covariation sequence can be regarded as the mutual covariation sequence which is obtained by shifting and adding an interference;3) r is to be C12 (m)、R c11 (m) as an equivalent time series as the input signal to the LMPFTDE algorithm, where a filter with coefficients of sinc sampling functions is used to fit the time delay.)

一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法

技术领域

本发明涉及电站锅炉温度测量技术，尤其涉及一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法。

背景技术

目前对大型锅炉内动力场的监测主要采用飘带法、探针等气力式测速装置，这种接触式的方法就要求工作人员在炉膛通风的条件下长时间在炉内工作，而炉内环境恶劣会危害到工作人员的健康，同时还浪费人力，工作效率低下。一些新兴的测速装置如借助声学、光学等的非接触式装置尚在理论阶段，且不能准确测得声波飞渡时间，基本没有投入使用。

大型电站锅炉结构复杂、体积庞大，声学测温信号在锅炉内存在严重的衰减，并且存在大量噪声，大大影响了了测量的精度，并且目前研究的人员很少，存在许多问题没有被解决。对于传统的接触式测温方法，难以适应高温、腐蚀、多尘等环境，需要耗费大量的人力物力，且会对操作人员带来一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法，包括：

1)建立信号噪声模型，假定接收到的两个信号x₁(n)和x₂(n)可以满足：x₁(n)＝s(n)+v₁(n)，x₂(n)＝λs(n-D)+v₂(n)的离散信号模型，其中，λ为衰减因子(为了简便通常取λ＝1)，λs(n-D)是s(n)的时延信号，v₁(n)和v₂(n)是两个接收端收到的噪音，服从α稳定分布；假定信号与信号、噪声与噪声是相互独立的，信号与噪声是统计独立的，两路噪声也是统计独立的。

2)对于接收到的信号x₁(n)和x₂(n)求出互共变序列R_C12(m)，x₁(n)的自共变R_c11(m)，其中R_c12(m)＝E{x₁(n)x₂[(n+m)]}^(p-1)＝R_css(m+D)，R_c11(m)＝E{x₁(n)x₁[(n+m)]}^(p-1)＝R_css(m)+C_Cδ(m)，原始序列经过自共变和互共变后，自共变序列可以看作是互共变序列经过移位并加入一个干扰而得到的。

3)将R_C12(m)、R_c11(m)当作等效的时间序列作为LMPFTDE算法的输入信号，在LMPFTDE算法中，用一个系数为sinc采样函数的滤波器来拟合时间延迟。

LMPFTDE算法的代价函数为多峰函数，直接进行迭代算法可能不收敛，迭代值在D-0.5和D+0.5之间(D为时延真值)，代价函数是单峰的，所以用相关法时延估计对R_c11、R_c21先进行时延估计值整数位估计，将得到的估计值作为LMPFTDE算法时延迭代初值，最后进行自适应时延估计，从而求出时延估计值。

在实际的应用中，由于大型电站锅炉运行的特殊环境，会产生大量的非高斯信号和噪声，这就使得一些基于高斯假定的时延估计存在一定的误差，有的甚至不能正常工作，在本方案中基于大型锅炉测温中的噪声情况，用α稳定分布建模噪声，可以在一定程度上改进由于忽略噪声而带来的时间延迟估算的误差。α稳定分布是唯一的一类满足广义中心极限定理的分布，它的概率密度函数存在且连续。

在声源信号的选择中选择了频率发生变化的连续正弦波信号，也就是扫频信号，其频率间隔越大，扫描周期越短越好，是比较合适的声源信号。

用一个系数为sinc函数采样的FIR滤波器来拟合时延，可以得到采样间隔为非整数情况下的时延真值。在实际的应用中，信号和噪声的统计特性和其信噪比等都可能随时间而发生变化，自适应滤波器的权系数是输入信噪比与时延真值的二元函数。如果考虑时延和信噪比两个因素来进行FIR滤波器权系数的修正，将滤波器分为两级级联，一级用于适应信噪比的变化，另一级用于跟踪时间延迟，则可以使时延和信噪比的自适应过程解耦，从而改善时延估计的性能。采用一种基于最小平均p范数准则，可以在α稳定分布噪声环境下实现时延和信噪比解耦的自适应非整数时延估计器。

本发明的优点在于：

该方法考虑了大型锅炉在工作时产生的噪声，建立了服从α稳定分布的噪声模型并可以实现对非整数采样间隔的时间延迟的估计，可大大提升温度测量的准确度，可有效地预防事故的发生、提升锅炉的工作效率，同时减少人力和物力，降低成本。

附图说明

图1是本发明提出的方法的流程图；

图2是LMPFTDE算法收敛曲线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明提出的用于电站锅炉测温系统的超声波飞渡时间估计方法包括：

1)建立信号噪声模型，假定接收到的两个信号x₁(n)和x₂(n)可以满足：x₁(n)＝s(n)+v₁(n)，x₂(n)＝λs(n-D)+v₂(n)的离散信号模型，其中，λ为衰减因子(为了简便通常取λ＝1)，λs(n-D)是s(n)的时延信号，v₁(n)和v₂(n)是两个接收端收到的噪音，服从α稳定分布；假定信号与信号、噪声与噪声是相互独立的，信号与噪声是统计独立的，两路噪声也是统计独立的。

2)对于接收到的信号x₁(n)和x₂(n)求出互共变序列R_C12(m)，x₁(n)的自共变R_c11(m)，其中R_c12(m)＝E{x₁(n)x₂[(n+m)]}^(p-1)＝R_css(m+D)，R_c11(m)＝E{x₁(n)x₁[(n+m)]}^(p-1)＝R_css(m)+C_Cδ(m)，原始序列经过自共变和互共变后，自共变序列可以看作是互共变序列经过移位并加入一个干扰而得到的。

3)将R_C12(m)、R_c11(m)当作等效的时间序列作为LMPFTDE算法的输入信号，在LMPFTDE算法中，用一个系数为sinc采样函数的滤波器来拟合时间延迟。

LMPFTDE算法的代价函数为多峰函数，直接进行迭代算法可能不收敛，迭代值在D-0.5和D+0.5之间(D为时延真值)，代价函数是单峰的，所以用相关法时延估计对R_c11、R_c21先进行时延估计值整数位估计，将得到的估计值作为LMPFTDE算法时延迭代初值，最后进行自适应时延估计，从而求出时延估计值。

图1为一种非整数自适应时延估计算法，由图中可知，x₁(n)和x₂(n)为两个输入信号，对两个接收信号x₁(n)、x₂(n)求互共变序列R_c21，接收信号x₂(n)的自共变序列R_c11，从而削弱不相关信号，保留原始信号之间的时延信息，提高信噪比，抑制脉冲噪声，信号长度增加一倍，可以进行更多次迭代并把它们作为LMPFTDE算法的输入信号，LMPFTDE算法的代价函数为多峰函数，直接进行迭代算法可能不收敛，迭代值在D-0.5与D+0.5之间(D为时延真值)，代价函数是单峰的，所以用相关法时延估计对R c₁₁、R c₂₁先进行时延估计值整数位估计，将得到的估计值，作为LMPFTDE算法时延值迭代的初值。最后进行自适应时延估计，求出更高分辨率的时延估计值。图2为LMPFTDE算法收敛曲线，由图中可知，它的收敛速度较慢，但当收敛到10000点时，LMPFTDE算法可以收敛到接近真值。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。