聲學高溫計的噪聲魯棒飛行時間估計的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關案件的聲明
[0002] 本申請要求2012年9月5日提交的美國臨時專利申請序列號61/696, 852的優(yōu)先 權和權益。
[0003] 政府權利
[0004] 本發(fā)明是在合同No. DE-FC26-05NT42644之下利用政府支撐完成的。政府可能在 其發(fā)明中具有某些權利。
技術領域
[0005] 本發(fā)明涉及氣體的溫度測量。更具體地，本發(fā)明涉及用于測量氣體溫度的聲學高 溫計。
【背景技術】
[0006] 聲學高溫計的飛行時間估計評價聲音信號在熱氣體中的傳播時間。這進一步用于 在多個路徑上估計在此環(huán)境中的溫度分布。該技術的現(xiàn)有申請集中在具有低氣流、低湍流 和低噪聲失真的相對靜態(tài)的環(huán)境，例如鍋爐或熔爐。然而，目前的方法在諸如燃氣輪機排氣 的復雜環(huán)境中表現(xiàn)不佳。復雜環(huán)境在發(fā)送和接收的信號之間引入變化，并且使得難以將所 接收的信號與噪聲區(qū)分開。
[0007] 因此，需要用于在復雜流環(huán)境中將聲學高溫計應用于氣體的新的和改進的方法和 系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0008] 根據本發(fā)明的一個方面，提供了用于通過應用聲學高溫計來測量介質溫度的方法 和系統(tǒng)。
[0009] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了通過測量在源和接收器之間的聲音信號通過具有 溫度的介質的飛行時間而用于聲學高溫計的方法，所述方法包括：處理器處理表示在源和 接收器處的聲音信號的多個樣本，以產生表示頻域內的多個樣本的數據；將表示頻域內的 多個樣本的數據布置在多個頻率范圍內，并且選擇具有最小噪聲影響的一個或多個頻率范 圍；將源的每個所選頻率范圍內的數據與接收器的對應數據相關聯(lián)，以確定對應于延遲時 間的、與源有關的每個所選頻率范圍的加權交叉頻譜功率估計值；通過使用延遲的范圍，確 定每個所選頻率范圍的最大加權交叉頻譜功率估計值的總和，其中所述總和具有最大值， 使得所選頻率范圍的平均加權交叉頻譜功率估計值的稀疏性被最大化；以及應用所確定的 源和接收器之間的信號延遲來計算介質溫度。
[0010] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，所述方法還包括：處理器將表示源和接 收器處的聲音信號的多個樣本布置到多個窗口中。
[0011] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，所述方法還包括：處理器將表示頻域內 的多個樣本的數據布置在多個單元（bin)中，并且選擇具有最小噪聲影響的一個或多個單 JLi〇
[0012] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中所述多個加權交叉頻譜功率估計 值應用平滑相干變換（SCOT)互相關。
[0013] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中，最大化所述稀疏性的函數被表示 為：
[0014]
[0015] 其中-d < tn< d，其中t n是范圍[-d，d]內的時間變化；N是窗口數目；t是彳目號 的延遲時間；n是指示窗口的索引；k是指示源的索引；m是指示接收器的索引；Rn， k，m(T+tn) 表示在窗口 n中所表示的、來自源k并且在接收器m處以時間差（t+tn)被接收的信號的 平滑相干變換互相關。
[0016] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中，窗口基于在給定感興趣的溫度范 圍的情況下，從源到接收器的物理上最小的可能傳播延遲。
[0017] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，還包括：確定由多個源生成并且由多個 接收器接收的多個信號的多個信號延遲。
[0018] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中，通過應用基于聲音信號穿過的距 離的物理模型，根據所述多個信號延遲確定優(yōu)選的信號延遲。
[0019] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中，所述方法被應用來確定燃氣輪機 中的溫度。
[0020] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種方法，其中，所述方法被應用來確定核電廠中 的溫度。
[0021] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，用于測量在源和接收器之間的聲音信 號通過具有溫度的介質的飛行時間，所述系統(tǒng)包括：存儲器，被使能為存儲數據和指令；處 理器，被使能為執(zhí)行從存儲器取回的指令以執(zhí)行以下步驟：處理表示在源和接收器處的聲 音信號的多個樣本，以產生表示頻域內的多個樣本的數據；將表示頻域內的樣本的數據布 置在多個頻率范圍內，并且選擇具有最小噪聲影響的一個或多個頻率范圍；將源的每個所 選頻率范圍內的數據與接收器的對應數據相關聯(lián)，以確定對應于延遲時間的、與源有關的 每個所選頻率范圍的加權交叉頻譜功率估計值；通過使用延遲的范圍，確定每個所選頻率 范圍的最大加權交叉頻譜功率估計值的總和，其中所述總和具有最大值，使得所選頻率范 圍的平均加權交叉頻譜功率估計值的稀疏性被最大化；以及應用所確定的源和接收器之間 的信號延遲來計算介質溫度。
[0022] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括：處理器將表示源和接 收器處的聲音信號的多個樣本布置到多個窗口中。
[0023] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括：處理器將表示頻域內 的多個樣本的數據布置在多個單元中，并且選擇具有最小噪聲影響的一個或多個單元。
[0024] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中所述多個加權交叉頻譜功率估計 值應用平滑相干變換（SCOT)互相關。
[0025] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中，最大化所述稀疏性的函數被表示 為：
[0026]
[0027] 其中-d < tn< d，其中t n是范圍[-d，d]內的時間變化；N是窗口數目；t是彳目號 的延遲時間；n是指示窗口的索引；k是指示源的索引；m是指示接收器的索引；Rn， k，m(T+tn) 表示在窗口 n中所表示的、來自源k并且在接收器m處以時間差（t+tn)被接收的信號的 平滑相干變換互相關。
[0028] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中，窗口基于在給定感興趣的溫度范 圍的情況下，從源到接收器的物理上最小的可能傳播延遲。
[0029] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，還包括：處理器確定由多個源生成并且 由多個接收器接收的多個信號的多個信號延遲。
[0030] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中，通過應用基于聲音信號穿過的距 離的物理模型，根據所述多個信號延遲確定優(yōu)選的信號延遲。
[0031] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中，所述方法被應用來確定燃氣輪機 中的溫度。
[0032] 根據本發(fā)明的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，其中，所述方法被應用來確定核電廠中 的溫度。
【附圖說明】
[0033] 圖1圖示了根據本發(fā)明的至少一個方面的聲學高溫計配置；
[0034] 圖2圖示了根據本發(fā)明的一方面提供的用于聲學高溫計的方法的步驟。
[0035] 圖3圖示了根據本發(fā)明的一方面提供的數據窗口。
[0036] 圖4圖示了根據本發(fā)明的一個或多個方面的將數據稀疏化的效果。
[0037] 圖5圖示了根據本發(fā)明的一個或多個方面的對于聲學高溫計結果的物理模型應 用。
[0038] 圖6圖示了根據本發(fā)明各種方面的被使能以執(zhí)行指令從而執(zhí)行在這里提供的方 法的基于處理器的系統(tǒng)或計算機。
【具體實施方式】
[0039] 目前的聲學高溫計方案在諸如燃氣輪機中的復雜流環(huán)境中表現(xiàn)不佳。根據本發(fā)明 的一個或多個方面，在聲學高溫計中提供了用于補償所接收的信號中的短時間波動以及減 小飛行時間估計中的噪聲和找出并排除估計誤差的方法。
[0040] 在圖1中圖示了聲學高溫計系統(tǒng)的一般設置，圖1示出了基于飛行時間的聲學高 溫計的記錄設置。聲波由源（101)產生，并且在傳播經過熱氣體介質之后被接收器（101和 103)記錄。波傳播速度受到介質溫度影響。基于多個聲音路徑上的測量的飛行時間估計溫 度的分布。如圖1所示，從101到102的路徑包括氣體，該氣體具有比從101到103的路徑 高得多的溫度。
[0041] 一個目標是估計氣體介質中的溫度分布。為此，估計從源到每個接收器的聲波的 行進時間。在下文中，該行進時間被稱為飛行時間。本發(fā)明的多個方面關注于在苛刻環(huán)境 中的這一飛行時間的估計。
[0042] 飛行時間t關聯(lián)到沿著路徑的介質的平均溫度T (開爾文）以及源和接收機之間 的距離d、氣體常數R、氣體的具體熱容比Y以及氣體的平均分子量M，如下：
[0043]
[0044] 因此，如果氣體組成以及源和接收器之間的聲音距離已知，則可以基于飛行時間 確定氣體溫度。
[0045] 通過聲學手段測量溫度的一個優(yōu)點是傳感器不必位于介質內