声学高温计的噪声鲁棒飞行时间估计的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关案件的声明
[0002] 本申请要求2012年9月5日提交的美国临时专利申请序列号61/696, 852的优先 权和权益。
[0003] 政府权利
[0004] 本发明是在合同No. DE-FC26-05NT42644之下利用政府支撑完成的。政府可能在 其发明中具有某些权利。
技术领域
[0005] 本发明涉及气体的温度测量。更具体地，本发明涉及用于测量气体温度的声学高 温计。
【背景技术】
[0006] 声学高温计的飞行时间估计评价声音信号在热气体中的传播时间。这进一步用于 在多个路径上估计在此环境中的温度分布。该技术的现有申请集中在具有低气流、低湍流 和低噪声失真的相对静态的环境，例如锅炉或熔炉。然而，目前的方法在诸如燃气轮机排气 的复杂环境中表现不佳。复杂环境在发送和接收的信号之间引入变化，并且使得难以将所 接收的信号与噪声区分开。
[0007] 因此，需要用于在复杂流环境中将声学高温计应用于气体的新的和改进的方法和 系统。
【发明内容】
[0008] 根据本发明的一个方面，提供了用于通过应用声学高温计来测量介质温度的方法 和系统。
[0009] 根据本发明的另一方面，提供了通过测量在源和接收器之间的声音信号通过具有 温度的介质的飞行时间而用于声学高温计的方法，所述方法包括：处理器处理表示在源和 接收器处的声音信号的多个样本，以产生表示频域内的多个样本的数据；将表示频域内的 多个样本的数据布置在多个频率范围内，并且选择具有最小噪声影响的一个或多个频率范 围；将源的每个所选频率范围内的数据与接收器的对应数据相关联，以确定对应于延迟时 间的、与源有关的每个所选频率范围的加权交叉频谱功率估计值；通过使用延迟的范围，确 定每个所选频率范围的最大加权交叉频谱功率估计值的总和，其中所述总和具有最大值， 使得所选频率范围的平均加权交叉频谱功率估计值的稀疏性被最大化；以及应用所确定的 源和接收器之间的信号延迟来计算介质温度。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，所述方法还包括：处理器将表示源和接 收器处的声音信号的多个样本布置到多个窗口中。
[0011] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，所述方法还包括：处理器将表示频域内 的多个样本的数据布置在多个单元（bin)中，并且选择具有最小噪声影响的一个或多个单 JLi〇
[0012] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中所述多个加权交叉频谱功率估计 值应用平滑相干变换（SCOT)互相关。
[0013] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，最大化所述稀疏性的函数被表示 为：
[0014]
[0015] 其中-d < tn< d，其中t n是范围[-d，d]内的时间变化；N是窗口数目；t是彳目号 的延迟时间；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、来自源k并且在接收器m处以时间差（t+tn)被接收的信号的 平滑相干变换互相关。
[0016] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，窗口基于在给定感兴趣的温度范 围的情况下，从源到接收器的物理上最小的可能传播延迟。
[0017] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，还包括：确定由多个源生成并且由多个 接收器接收的多个信号的多个信号延迟。
[0018] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，通过应用基于声音信号穿过的距 离的物理模型，根据所述多个信号延迟确定优选的信号延迟。
[0019] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，所述方法被应用来确定燃气轮机 中的温度。
[0020] 根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，所述方法被应用来确定核电厂中 的温度。
[0021] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，用于测量在源和接收器之间的声音信 号通过具有温度的介质的飞行时间，所述系统包括：存储器，被使能为存储数据和指令；处 理器，被使能为执行从存储器取回的指令以执行以下步骤：处理表示在源和接收器处的声 音信号的多个样本，以产生表示频域内的多个样本的数据；将表示频域内的样本的数据布 置在多个频率范围内，并且选择具有最小噪声影响的一个或多个频率范围；将源的每个所 选频率范围内的数据与接收器的对应数据相关联，以确定对应于延迟时间的、与源有关的 每个所选频率范围的加权交叉频谱功率估计值；通过使用延迟的范围，确定每个所选频率 范围的最大加权交叉频谱功率估计值的总和，其中所述总和具有最大值，使得所选频率范 围的平均加权交叉频谱功率估计值的稀疏性被最大化；以及应用所确定的源和接收器之间 的信号延迟来计算介质温度。
[0022] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，所述系统还包括：处理器将表示源和接 收器处的声音信号的多个样本布置到多个窗口中。
[0023] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，所述系统还包括：处理器将表示频域内 的多个样本的数据布置在多个单元中，并且选择具有最小噪声影响的一个或多个单元。
[0024] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中所述多个加权交叉频谱功率估计 值应用平滑相干变换（SCOT)互相关。
[0025] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中，最大化所述稀疏性的函数被表示 为：
[0026]
[0027] 其中-d < tn< d，其中t n是范围[-d，d]内的时间变化；N是窗口数目；t是彳目号 的延迟时间；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、来自源k并且在接收器m处以时间差（t+tn)被接收的信号的 平滑相干变换互相关。
[0028] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中，窗口基于在给定感兴趣的温度范 围的情况下，从源到接收器的物理上最小的可能传播延迟。
[0029] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，还包括：处理器确定由多个源生成并且 由多个接收器接收的多个信号的多个信号延迟。
[0030] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中，通过应用基于声音信号穿过的距 离的物理模型，根据所述多个信号延迟确定优选的信号延迟。
[0031] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中，所述方法被应用来确定燃气轮机 中的温度。
[0032] 根据本发明的另一方面，提供了一种系统，其中，所述方法被应用来确定核电厂中 的温度。
【附图说明】
[0033] 图1图示了根据本发明的至少一个方面的声学高温计配置；
[0034] 图2图示了根据本发明的一方面提供的用于声学高温计的方法的步骤。
[0035] 图3图示了根据本发明的一方面提供的数据窗口。
[0036] 图4图示了根据本发明的一个或多个方面的将数据稀疏化的效果。
[0037] 图5图示了根据本发明的一个或多个方面的对于声学高温计结果的物理模型应 用。
[0038] 图6图示了根据本发明各种方面的被使能以执行指令从而执行在这里提供的方 法的基于处理器的系统或计算机。
【具体实施方式】
[0039] 目前的声学高温计方案在诸如燃气轮机中的复杂流环境中表现不佳。根据本发明 的一个或多个方面，在声学高温计中提供了用于补偿所接收的信号中的短时间波动以及减 小飞行时间估计中的噪声和找出并排除估计误差的方法。
[0040] 在图1中图示了声学高温计系统的一般设置，图1示出了基于飞行时间的声学高 温计的记录设置。声波由源（101)产生，并且在传播经过热气体介质之后被接收器（101和 103)记录。波传播速度受到介质温度影响。基于多个声音路径上的测量的飞行时间估计温 度的分布。如图1所示，从101到102的路径包括气体，该气体具有比从101到103的路径 高得多的温度。
[0041] 一个目标是估计气体介质中的温度分布。为此，估计从源到每个接收器的声波的 行进时间。在下文中，该行进时间被称为飞行时间。本发明的多个方面关注于在苛刻环境 中的这一飞行时间的估计。
[0042] 飞行时间t关联到沿着路径的介质的平均温度T (开尔文）以及源和接收机之间 的距离d、气体常数R、气体的具体热容比Y以及气体的平均分子量M，如下：
[0043]
[0044] 因此，如果气体组成以及源和接收器之间的声音距离已知，则可以基于飞行时间 确定气体温度。
[0045] 通过声学手段测量温度的一个优点是传感器不必位于介质内