[发明专利]基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法

权利要求书

1.一种基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、构建变压器微型机器鱼定位系统；

步骤2、将微型机器鱼的三维定位模型转变成二维定位模型；

步骤3、采用窄带超声波束形成方法获得微型机器鱼在二维定位模型上的位置图像。

2.根据权利要求1所述的基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：所述变压器微型机器鱼定位系统包括微型机器鱼内置传感系统和微型机器鱼外置传感系统，所述内置传感系统放置在微型机器鱼体上，包括深度检测传感器和超声发射探头；外置传感系统放置在变压器油中，包括超声接收传感阵列和信号处理单元。

3.根据权利要求1所述的基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：所述步骤2采用计算微型机器鱼的深度信息来实现三维定位模型与二维定位模型的转变，其深度信息的计算方法为：

通过微型机器鱼定位系统中深度检测传感器采集压强信息，利用以下公式实现压强和深度的换算，获得微型机器鱼的深度信息；

上式中，h为微型机器鱼的深度，P为压强，ρ为变压器油的密度，g为重力加速度。

4.根据权利要求3所述的基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：所述深度检测传感器采用压强计或液压计。

5.根据权利要求1所述的基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现步骤包括：

①超声信号发射：微型机器鱼上安装有超声发射探头，发射调制的超声信号；

②超声接收传感阵列接收信号：变压器上的超声接收传感阵列接收超声发射探头发射的超声信号；所述超声接收传感阵列共有4组，分别布置于变压器的四个角，每组超声接收传感阵列中包含10个超声传感器，每个超声传感器间距为1-2cm；

③超声信号窄带滤波：在信号处理单元中采用数字滤波器对超声接收传感阵列接收的超声信号进行窄带滤波，使获得的窄带信号满足下面的条件，即信号经过超声接收传感阵列的时间远小于信号带宽的倒数；

其中，τ为阵列的时间，W_B为信号带宽；

④阵列信号波束形成处理：

将每组超声接收传感阵列中的第一个超声传感器作为参考超声传感器，计算超声接收传感阵列中其他超声传感器与参考超声传感器之间的信号时间差，其公式为：

其中，θ为来波角度，c为超声波的声速,d为阵元间距。

假设参考超声传感器接收的信号为s(t)，则阵列中其它超声传感器接收的信号表示为：

其中，n_i(t)为噪声，j为虚部，ω为信号的角频率。

因此，整个超声接收传感阵列接收的信号表示为：

其中，a_θ表示阵列的方向导向向量，根据超声接收传感阵列的布局计算得到；

计算阵列的输出功率Q，其公式为：

Q＝a_θE{s(t)s(t)^T}W^T+E{n(t)n(t)^T}＝a_θR_ssW^T+R_nn

其中W为权向量，R_ss和R_nn分别为信号和噪声的协方差矩阵，根据超声接收传感阵列接收的信号计算得到；E为期望算子，T为矩阵转至算子。

⑤根据在二维定位模型中的不同位置与超声接收传感阵列形成的来波角度，重复步骤④中的公式计算不同权向量W对应的超声接收传感阵列输出功率，输出功率最高的位置即微型机器鱼的位置。

6.根据权利要求5所述的基于窄带超声波束形成的变压器微型机器鱼定位成像方法，其特征在于：所述调制的超声信号为中心频率500kHz——1MHz的正弦波或方波，信号时长为5-10周期。