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一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法

一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法

IPC分类号 : G01R31/12,G01S3/00

申请号
CN201711107929.4
可选规格
  • 专利类型: 发明专利
  • 法律状态: 有权
  • 申请日: 2017-11-10
  • 公开号: 107870290B
  • 公开日: 2018-04-03
  • 主分类号: G01R31/12
  • 专利权人: 西安交通大学 ; 国家电网公司 ;

专利摘要

本发明公开了一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,包括:对任意平面阵列建立坐标系,令阵列的几何中心位于坐标原点处;用克拉美罗下界评估阵列的测向精度,需首先根据各天线的坐标计算三个重要参数:幅值、直流偏移和初相;列出克拉美罗下界关于真实方位角、真实俯仰角的函数表达式,据此绘制克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的关系曲线,若在某个真实方位角、真实俯仰角的范围内克拉美罗下界相对较小,则该处测向精度相对较高。本发明提出了一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,对变电站内任意应用条件均适用,对优化布置天线阵列具有指导作用。通过该方法优化的天线阵列,具有较高的测向性能,以及较小的阵列尺寸。

权利要求

1.一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)对任意平面阵列建立坐标系,令该平面阵列的几何中心位于坐标原点处;

2)用克拉美罗下界评估该平面阵列的测向精度,需首先根据各天线的坐标计算三个重要参数:幅值、直流偏移和初相;

3)列出克拉美罗下界关于真实方位角、真实俯仰角的函数表达式,据此绘制克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的关系曲线,若在某个真实方位角、真实俯仰角的范围内克拉美罗下界相对较小,则该处测向精度相对较高。

2.根据权利要求1所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤1)中所述任意平面阵列是在平面上任意布置的包含N个阵元的平面阵列,阵元为特高频天线。

3.根据权利要求2所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤1)中,该平面阵列的几何中心的阵元坐标(x0,y0)的计算公式如下

x0=1NΣi=1Nxiy0=1NΣi=1Nyi---(1)

式中,xi和yi分别是第i个阵元的横坐标和纵坐标,i=1…N,N为阵元数目。

4.根据权利要求1所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤2)中,克拉美罗下界即测向系统所能达到的最小测向误差,其能够将测向精度量化,且克拉美罗下界数值越小,测向精度越高。

5.根据权利要求3所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤2)中,幅值A、直流偏移B和初相γ的定义如下式:

A=1N(Σi=1Nxi2-Σi=1Nyi2)2+(Σi=1Nxiyi)2B=12Σi=1N(xi2+yi2)γ=arctanΣi=1Nxi2-Σi=1Nyi22Σi=1Nxiyi---(2)

6.根据权利要求5所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤3)中,克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的函数表达式,包含方位角的克拉美罗下界χ1(θ,φ)和俯仰角的克拉美罗下界χ2(θ,φ)关于真实方位角θ和真实俯仰角φ的函数表达式,如下式:

χ1(θ,φ)=1cos2φ[-A sin(2θ+γ)+B]χ2(θ,φ)=1sin2φ[A sin(2θ+γ)+B]---(3)

7.根据权利要求6所述的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,其特征在于,步骤3)中,绘制克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的关系曲线,共包含四条关系曲线,即方位角的克拉美罗下界关于真实方位角的关系曲线、方位角的克拉美罗下界关于真实俯仰角的关系曲线、俯仰角的克拉美罗下界关于真实方位角的关系曲线以及俯仰角的克拉美罗下界关于真实俯仰角的关系曲线。

说明书

技术领域

本发明属于局部放电检测技术领域,尤其涉及一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法。

背景技术

敞开式变电站内电力设备众多,确保系统安全稳定运行意义重大。局部放电是设备绝缘劣化的征兆,若未被早期发现,将逐渐发展为设备的击穿放电,给变电站带来不可估量的经济损失。现如今常用的局部放电检测技术是把传感器固定安装在变压器、气体绝缘组合电器设备等单一设备上,却对断路器、隔离开关等设备缺乏关注。为此,英国学者提出建立一个可移动式的巡检平台,利用特高频天线阵列对全站电力设备进行全方位的局部放电检测。然而,为保证系统定位精度,天线阵列的阵元间距超过了1.1m,不便于巡检。

为缩小阵列尺寸,提高巡检效率,超分辨率测向算法被应用于变电站局部放电特高频测向系统中。以旋转不变子空间算法(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法为代表的超分辨率测向算法,其角度分辨能力突破了传统的“瑞利限”的制约,使系统在较小的阵列尺寸下也能拥有较高的分辨力与测向精度。然而,国内外研究结果表明,天线阵列的布置方法对ESPRIT算法的测向精度有重大影响。目前对天线阵列布置方法的研究,往往是选择几种不同形状的阵列,再通过仿真和实验比较它们的测向精度,从而选择性能最好的阵列布置方式。事实上,该方法具有局限性,具有最佳性能的阵列往往未在选择之列。

因此,亟需一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,以求适用于任意应用场景,指导阵列优化布置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法。

本发明采用如下技术方案来实现的:

(后续待权利要求书定稿后补充,谢谢!)

本发明具有如下的有益效果:

本发明提供了一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法。目前国内外对阵列布置方法的研究往往是选择几种规则几何形状的阵列,通过仿真和实验比较不同阵列的测向精度,从而选择出最佳阵列。事实上,该方法具有局限性,往往具有最佳性能的阵列未在选择之列。为了弥补国内外研究空白,发明人提出了针对任意阵列测向精度的分析方法,对于研究在不同应用场景下的阵列布置具有指导意义。

进一步,本发明归纳出了任意平面阵列的测向精度随真实方位角、真实俯仰角的变化规律。经过数学推导发现,方位角、俯仰角的测向精度相对于真实方位角(0~360°)均呈正弦规律变化,周期为180°。为此,总结出了反映测向精度变化规律的参数:幅值、直流偏移、初相。其中,幅值代表测向精度变化的剧烈程度,越小越好;直流偏移为系统的基准测向精度,越大越好;初相影响着阵列在何处测向精度低,何处测向精度高,应结合现场环境合理设定。经实验验证,通过本方法优化的阵列测向精度整体提高了30%,阵列尺寸缩小了40%,适用于现场局放检测与定位。

进一步,本发明可应用到变电站局部放电特高频巡检系统的研制过程中,该系统可大幅减少在变电站大规模安装在线检测装置的成本,对保障电力设备安全运行具有重大意义。

附图说明

图1为本发明一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法的流程图。

图2为本发明设定的第一阵列的天线阵列布置方式。

图3为本发明设定的第二阵列的天线阵列布置方式。

图4为本发明在仿真中得到的方位角的克拉美罗下界随真实方位角的变化情况。

图5为本发明在仿真中得到的俯仰角的克拉美罗下界随真实方位角的变化情况。

图6为本发明在仿真中得到的方位角的克拉美罗下界随真实俯仰角的变化情况。

图7为本发明在仿真中得到的俯仰角的克拉美罗下界随真实俯仰角的变化情况。

图8为本发明在实验中得到的局部放电信号的波形。

图9为本发明在实验中得到的局部放电信号的频谱。

图10为本发明在实验中方位角测向误差随真实方位角的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示,本发明一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法,包括如下步骤:

1)对任意平面阵列建立坐标系,令该平面阵列的几何中心位于坐标原点处;

本步骤中所述对任意平面阵列建立坐标系,阵列的几何中心为O,O的坐标(x0,y0)为(0,0),阵列中各阵元坐标满足如下关系:

式中,xi和yi分别是第i个阵元的横坐标和纵坐标,i=1…N,N为阵元数目。

作为一种实施例,第一阵列和第二阵列均由四个特高频阵元#1、#2、#3和#4构成,阵列的几何中心在坐标原点O处,如图2所示,第一阵列中#1~#4阵元的坐标分别为(0,0.2)、(-0.2,0)、(0,-0.2)和(0.2,0),如图3所示,第二阵列中#1~#4阵元的坐标分别为(-0.17,0.1)、(-0.17,-0.1)、(0.17,-0.1)和(0.17,0.1),单位为米。θ为放电源在XOY平面的投影相对X轴正方向的夹角,即真实方位角;φ为放电源与坐标原点O的连线相对XOY平面所成的夹角,即真实俯仰角。

2)用克拉美罗下界评估该平面阵列的测向精度,需首先根据各天线的坐标计算三个重要参数:幅值、直流偏移和初相;

本步骤中所述的幅值A、直流偏移B和初相γ,其定义如下式:

作为一种实施例,将图2和图3中第一阵列和第二阵列的阵元坐标分别代入到式(2)进行计算,得到第一阵列的振幅A、直流偏移B和初相γ分别是0°、0.08°和0°;第二阵列的振幅A、直流偏移B和初相γ分别是0.0378°、0.0778°和90°。

3)列出克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的函数表达式,据此绘制克拉美罗下界关于真实方位角和真实俯仰角的关系曲线,若在某个真实方位角、真实俯仰角的范围内克拉美罗下界相对较小,则该处测向精度相对较高。

本步骤中所述的列出克拉美罗下界关于真实方位角、真实俯仰角的函数表达式,包含方位角的克拉美罗下界χ1(θ,φ)和俯仰角的克拉美罗下界χ2(θ,φ)关于真实方位角θ和真实俯仰角φ的函数表达式,如下式

作为一种实施例,将前文计算得到的第一阵列和第二阵列的振幅A、直流偏移B和初相γ代入到式(3)中,得到第一阵列方位角的克拉美罗下界χ1(θ,φ)和俯仰角的克拉美罗下界χ2(θ,φ)关于真实方位角θ和真实俯仰角φ的函数表达式,如下:

同理,也可得到第二阵列方位角的克拉美罗下界χ1(θ,φ)和俯仰角的克拉美罗下界χ2(θ,φ)关于真实方位角θ和真实俯仰角φ的函数表达式,如下:

本步骤所述的绘制克拉美罗下界关于真实方位角、真实俯仰角的关系曲线,一共包含四条关系曲线,即方位角的克拉美罗下界关于真实方位角的关系曲线、方位角的克拉美罗下界关于真实俯仰角的关系曲线、俯仰角的克拉美罗下界关于真实方位角的关系曲线、俯仰角的克拉美罗下界关于真实俯仰角的关系曲线。

作为一种实施例,为了研究方位角和俯仰角的克拉美罗下界随真实方位角的变化,令真实俯仰角为30°,结果如图4和图5所示;同理,为了研究方位角和俯仰角的克拉美罗下界随真实俯仰角的变化,令真实方位角为30°,结果如图6和图7所示。

由图4和图5可以看出,第一阵列的方位角、俯仰角的测向性能不随真实方位角的变化而变化,克拉美罗下界值为0.17°;第二阵列的方位角、俯仰角的克拉美罗下界随真实方位角呈正弦变化规律,周期为180°,当真实方位角在[-135°,-45°]和[45°,135°]的范围内时,第二阵列的方位角测向精度高于第一阵列,而第二阵列的俯仰角测向精度低于第一阵列。

由图6和图7可以看出,对于第一阵列、第二阵列,方位角的测向精度均随真实俯仰角的增大而降低,而俯仰角的测向精度均随真实俯仰角的增大而提高。当真实方位角为30°时,第一阵列方位角的测向精度高于第二阵列,而第一阵列俯仰角的测向精度低于第二阵列。

由此可见,阵列布置对局部放电检测系统的影响非常大,需结合变电站实际应用中的需求,分析阵列测向精度,从而合理选用阵列布置方法。

为了进一步说明本发明提出的一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法的实用性,在实验室进行了局部放电的测向精度测试,采用了前文所述的第二阵列作为特高频天线阵列的布置方法。设置模拟放电源,其发出的特高频电磁波信号的波形和频谱如图8和图9所示。该测向系统通过去噪算法和ESPRIT窄带测向算法实现对放电源的波达估计。图10为放电源在不同位置下方位角、俯仰角的测向误差,可见方位角、俯仰角的测向精度均在6°以下,其中当真实方位角小于-30°或者大于30°时,方位角测向精度较高。该系统高测向精度和小阵列尺寸的特性符合现场局部放电检测的需求,验证了该方法运用于局部放电检测与测向系统的可行性。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅作为本发明的实施案例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、替换或变更,均应包含在本发明的保护范围之内。

一种适用于任意平面阵列的测向精度分析方法专利购买费用说明

专利买卖交易资料

Q:办理专利转让的流程及所需资料

A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。

1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q:专利转让变更,多久能出结果

A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。

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