基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法与流程

1.本发明属于高压设备领域，涉及特高压套管检测方法，尤其是一种基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法。


背景技术：

2.随着电网规模不断增大，传输容量逐步提升，特高压套管作为特高压输电工程的核心装备之一，其可靠性和安全性的要求也越来越高。国内在运特高压工程多次发生套管故障，其中，局部放电是引发电力设备绝缘失效的主要因素，在运行过程中发生的击穿放电现象造成了巨大的经济损失。因此，有必要对电力设备进行绝缘状态评估。
3.由于局部放电产生时会伴随有许多物理和化学变化，电力设备内部发生局部放电时，会辐射出不同频率的电磁波，因此，利用这种电磁波可以实现涉及局部放电的局部放电成像，其中，时间反演技术由于其自适应的空时同步聚焦特性，可以很好地用于复杂环境下成像问题的处理。基于电磁反演计算的无源局部放电成像技术主要包含以下方面：利用智能信息处理方法完成电磁辐射源特征的提取，基于电磁反演计算方法完成对电磁场空间分布的计算，将电磁场和目标三维态势绘制显示，实现局部放电信号在自由空间中的实时成像。
4.基于时间反演的成像方法主要包括直接时间反演法和传输矩阵法两类，其中，传统的直接时间反演法需要进行最佳时间帧的运算，成像过程较为耗时，并且很难对多目标同时侦测成像。虽然研究人员对该方法进行改进，但依旧无法同时满足多目标成像、良好分辨率以及较高效率成像等要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能同时满足多目标成像、良好分辨率以及较高成像效率要求的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法。
6.本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
7.一种基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，包括以下步骤：
8.步骤1、在局部放电的非探测区域中设置用于接收反演目标散射信号的时间反演阵列及发射单元；
9.步骤2、将时间反演阵列分为多个子阵列；
10.步骤3、发射单元发射探测脉冲至局部放电的成像区域，在各子阵列上记录成像区域的散射信号，对各子阵列中真实阵元接收到的散射信号进行处理，构建出虚拟阵元接收信号；
11.步骤4、对步骤3得到的虚拟阵元接收信号进行时间反演，得到各个子阵列的回传信号；
12.步骤5、将步骤4得到的各个子阵列的回传信号进行归一化处理；
13.步骤6、建立可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数，对新函数进行分析得到
多目标下的信号聚集时刻，得到多目标成像。
14.进一步，所述时间反演阵列由24个时间反演镜构成，24个时间反演镜沿y轴直线排列，时间反演阵列的阵元间距为波长的一半。
15.进一步，所述时间反演器为有限个同时具有收发功能的全向偶极子天线组成的阵列。
16.进一步，所述步骤2采用阵列分组技术对时间反演阵列进行分组，设时间反演阵列包括k个阵列单元，分组为m个子阵列，每个子阵列包括4个阵列单元，第i个子阵列包括的4个阵列单元为：xi、x
i+1
、x
i+2
、x
i+3
，i为1～m。
17.进一步，所述步骤3的具体实现方法为：
18.设各子阵列中时间反演镜接收的散射信号为sk(θ，t)，k∈[1，24]，θ为散射信号与子阵列第一阵元法线的夹角；取子阵列的第一个阵元为基准阵元，接收散射信号与基准阵元垂直方向的夹角为θ1，以θ1为基础进行p次探测，以最小一乘法为基础，利用子阵列中n个真实阵元接收信号估计j个虚拟阵元的接收信号：
[0019][0020]
其中，β1…
βn为最小一乘法预测模型的估计回归系数，由线性规划求得该回归系数的最优解，得到第1个虚拟阵元的接收信号为：
[0021][0022]
然后，向后构建j个虚拟阵元：
[0023][0024]
其中，t是探测脉冲到达对应虚拟阵元后的最大幅值对应的时刻，即聚焦时刻。
[0025]
进一步，所述步骤4的具体实现方法为：
[0026]
对于第m个子阵列，将散射信号进行时间反演，得到如下反演信号：
[0027]
sk(θ，-t)
[0028]s′
k+
j(θ，-t)
[0029]
k∈[m，m+3]
[0030]
将上述反演信号计算回传辐射至成像区域，从而在成像区域得到如下回传信号：
[0031][0032][0033]
k∈[m，m+3]
[0034]
取j＝4，则来自于第m个子阵列的回传信号表示如下：
[0035][0036]
其中，θ为散射信号与子阵列第一阵元法线的夹角，k为对应m子阵列下的阵元序列，t是探测脉冲到达对应虚拟阵元后的最大幅值对应的时刻，即聚焦时刻。
[0037]
进一步，所述步骤5的具体实现方法为：
[0038]
以多目标成像的基础，对第m个子矩阵按如下方法进行归一化操作：
[0039][0040]
其中，tm(r)为第m个子阵列的回传信号的脉冲峰值对应时刻。
[0041]
进一步，所述步骤6的具体实现方法为：
[0042]
建立如下可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数：
[0043][0044]
对新函数进行分析处理，求得t0时刻使得v(θ，t)取最大值：v(θ，t0)＝max[v(θ，t)]；
[0045]
通过下式对目标点进行判定：
[0046][0047]
式中，k为接近于1的阈值；
[0048]
当v(θ，t0)≥k时，t0对应所求目标的回传信号的聚焦时刻，v(θ，t0)对应的空间位置为成像目标的所在位置；
[0049]
在多目标情况时，通过上述公式求得各个目标的信号聚焦时刻，并将各聚焦成像时刻的v(θ，t0)叠加，得到最终的成像函数：
[0050][0051]
式中，q为探测区域中成像目标的个数。
[0052]
本发明的优点和积极效果是：
[0053]
本发明设计合理，其采用虚拟阵元外推法及阵列分组法进行时间反演局部放电成像，只需使用较少的发射单元便可定位多个成像目标，在使用较少数据的条件下，同时解决了传统trm方法无法多目标侦测的缺陷；本发明根据回传信号的同步性定位成像目标，使得运算效率提高，耗时较短；在成像性能上，由于虚拟阵元外推法的采用，本发明成像具有优良的分辨率，可成功应用于多目标场景的侦测；本发明对局部放电成像和电力设备的整体安全性、可靠性有重要的价值和意义。
附图说明
[0054]
图1是本发明的基于阵列分组技术的子阵列模型；
[0055]
图2是本发明的子阵列的虚拟阵元图；
[0056]
图3是本发明的时间反演成像模型。
具体实施方式
[0057]
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0058]
本发明的设计思想是：首先在传统的时间反演阵列中引入阵列分组技术，将时间反演镜分成多个子阵列，并对各个子阵列进行最小一乘法的处理，然后根据真实阵元的散射信号估计得到虚拟阵元的散射信号，在理论上扩展了阵元的孔径；由于反演信号具有同步性，即在目标区域各信号波形幅值可同时达到最大值，从而定位成像。本发明在时域中进行计算，无需进行最佳时间帧的计算，耗时较短，使运算效率有所提升，并且在成像性能上，
该局部放电成像方法具有较为优良的分辨率。
[0059]
基于上述设计思想，本发明提出一种基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤1、在局部放电的非探测区域中设置用于接收反演目标散射信号的时间反演阵列及发射单元。
[0061]
如图1所示，本发明设置探测区域和非探测区域，非探测区域中的时间反演阵列由24个时间反演器构成，时间反演器为有限个同时具有收发功能的全向偶极子天线组成的阵列，24个时间反演镜沿y轴直线排列，阵元间距为波长的一半；
[0062]
探测区域含有多个成像目标。
[0063]
步骤2、利用阵列分组技术将竖直排列的时间反演阵列分为多个子阵列。
[0064]
在本步骤中，采用阵列分组技术将k个阵列单元根据一定方式进行分组，形成子阵列(sub-tam)，子阵列数目为m，每个子阵列中包含的单个阵元为n个，根据分组方式可得结论m+n＝k+1。
[0065]
时间反演阵列的分组规律如图1所示，其中，第1个子阵列的构成阵元为第1个到第4个，第2个子阵列的构成阵元为第2个到第5个，
……
，第21个子阵列的构成阵元为第21个到第24个，由此可知，总阵列单元k为24，子阵列数目m为21，每个子阵列的单元数n为4，虚拟阵元外数j＝4，阵元间距为λ/2＝0.02m。
[0066]
步骤3、发射单元发射探测脉冲至局部放电的成像区域，在各子阵列上记录成像区域的散射信号。对各子阵列中真实阵元接收到的散射信号进行处理，通过最小一乘法估计构建出虚拟阵元接收信号，从而在理论上扩展了阵列的孔径。
[0067]
子阵列的虚拟阵元如图2所示，斜线表示散射信号，图中黑色圆点为真实阵元，白色圆点为虚拟阵元。
[0068]
各子阵列中时间反演镜接收的散射信号为sk(θ，t)，k∈[1，24]。其中，θ为散射信号与子阵列第一阵元法线的夹角。
[0069]
利用最小一乘法乘(least absolute deviation，lad)对虚拟阵元进行估计，根据子阵列的n个真实阵元估计得到j个虚拟阵元。
[0070]
以第一个子阵列为例，推导其虚拟阵元接收信号：
[0071]
取子阵列的第一个阵元为基准阵元，接收散射信号与基准阵元垂直方向的夹角为θ1。以θ1为基础进行p次探测，以最小一乘法为基础，利用子阵列中n个真实阵元接收信号估计j个虚拟阵元的接收信号：
[0072][0073]
其中，β1…
βn为最小一乘法预测模型的估计回归系数，可由线性规划求得该回归系数的最优解，从而得到第1个虚拟阵元的接收信号为：
[0074][0075]
同理，可向后构建j个虚拟阵元：
[0076]
[0077]
通过子阵列中的阵元数目有效增加，合理扩大了子阵列的孔径，进而可提高局部放电成像的分辨率。
[0078]
步骤4、对上述虚拟阵元接收信号进行时间反演，得到各个子阵列的回传信号。
[0079]
以第m个子阵列为例，将散射信号进行时间反演，可得到反演信号：
[0080]
sk(θ，-t)
[0081]s′
k+j
(θ，-t)
[0082]
k∈[m，m+3]
[0083]
将上述反演信号计算回传辐射至成像区域，从而在成像区域得到回传信号：
[0084][0085][0086]
k∈[m，m+3]
[0087]
取j＝4，于是，来自于第m个子阵列的回传信号可表示为
[0088][0089]
步骤5、将步骤4得到的各个子阵列的回传信号进行归一化处理。
[0090]
归一化是为了让各个目标以相同亮度成像，该步骤是多目标成像的基础，对第m个子矩阵实行如下归一化操作：
[0091][0092]
其中，tm(r)为第m个子阵列的回传信号的脉冲峰值对应时刻。在探测目标处，归一化子阵列信号具有同步性，即信号可同时达到最大值。
[0093]
步骤6、建立可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数，用以体现子阵列反演信号在目标处的同步性，并对新函数进行分析，得到多目标下的信号聚集时刻，得到多目标成像。
[0094]
定义了可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数：
[0095][0096]
对新函数进行分析处理，求得t0时刻使得v(θ，t)取最大值，即v(θ，t0)＝max[v(θ，t)]。
[0097]
通过下式对目标点进行判定：
[0098][0099]
式中，k为接近于1的阈值。根据公式可得，v(θ，t0)≥k时，t0对应所求目标的回传信号的聚焦时刻，v(θ，t0)对应的空间位置为成像目标的所在位置。
[0100]
如图3所示，在多目标情况时，通过上述公式求得各个目标的信号聚焦时刻，并将各聚焦成像时刻的v(θ，t0)叠加，得到最终的成像函数：
[0101][0102]
式中，q为探测区域中成像目标的个数。
[0103]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案
得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、在局部放电的非探测区域中设置用于接收反演目标散射信号的时间反演阵列及发射单元；步骤2、将时间反演阵列分为多个子阵列；步骤3、发射单元发射探测脉冲至局部放电的成像区域，在各子阵列上记录成像区域的散射信号，对各子阵列中真实阵元接收到的散射信号进行处理，构建出虚拟阵元接收信号；步骤4、对步骤3得到的虚拟阵元接收信号进行时间反演，得到各个子阵列的回传信号；步骤5、将步骤4得到的各个子阵列的回传信号进行归一化处理；步骤6、建立可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数，对新函数进行分析得到多目标下的信号聚集时刻，得到多目标成像。2.根据权利要求1所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述时间反演阵列由24个时间反演镜构成，24个时间反演镜沿y轴直线排列，时间反演阵列的阵元间距为波长的一半。3.根据权利要求2所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述时间反演器为有限个同时具有收发功能的全向偶极子天线组成的阵列。4.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述步骤2采用阵列分组技术对时间反演阵列进行分组，设时间反演阵列包括k个阵列单元，分组为m个子阵列，每个子阵列包括4个阵列单元，第i个子阵列包括的4个阵列单元为：x
i
、x
i+1
、x
i+2
、x
i+3
，i为1～m。5.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：设各子阵列中时间反演镜接收的散射信号为s
k
(θ,t),k∈[1,24]，θ为散射信号与子阵列第一阵元法线的夹角；取子阵列的第一个阵元为基准阵元，接收散射信号与基准阵元垂直方向的夹角为θ1，以θ1为基础进行p次探测，以最小一乘法为基础，利用子阵列中n个真实阵元接收信号估计j个虚拟阵元的接收信号：其中，β1…
β
n
为最小一乘法预测模型的估计回归系数，由线性规划求得该回归系数的最优解，得到第1个虚拟阵元的接收信号为：然后，向后构建j个虚拟阵元：其中，t是探测脉冲到达对应虚拟阵元后的最大幅值对应的时刻，即聚焦时刻。6.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：
对于第m个子阵列，将散射信号进行时间反演，得到如下反演信号：s
k
(θ,-t)s
′
k+j
(θ,-t)k∈[m,m+3]将上述反演信号计算回传辐射至成像区域，从而在成像区域得到如下回传信号：将上述反演信号计算回传辐射至成像区域，从而在成像区域得到如下回传信号：取j＝4，则来自于第m个子阵列的回传信号表示如下：其中，θ为散射信号与子阵列第一阵元法线的夹角，k为对应m子阵列下的阵元序列，t是探测脉冲到达对应虚拟阵元后的最大幅值对应的时刻，即聚焦时刻。7.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现方法为：以多目标成像的基础，对第m个子矩阵按如下方法进行归一化操作：其中，t
m
(r)为第m个子阵列的回传信号的脉冲峰值对应时刻。8.根据权利要求1或2或3所述的基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其特征在于：所述步骤6的具体实现方法为：建立如下可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数：对新函数进行分析处理，求得t0时刻使得v(θ,t)取最大值：v(θ,t0)＝max[v(θ,t)]；通过下式对目标点进行判定：式中，k为接近于1的阈值；当v(θ,t0)≥k时，t0对应所求目标的回传信号的聚焦时刻，v(θ,t0)对应的空间位置为成像目标的所在位置；在多目标情况时，通过上述公式求得各个目标的信号聚焦时刻，并将各聚焦成像时刻的v(θ,t0)叠加，得到最终的成像函数：式中，q为探测区域中成像目标的个数。

技术总结
本发明涉及一种基于虚拟阵元外推及阵列分组的时间反演局放成像方法，其技术特点是：在非探测区域中设置用于接收反演目标散射信号的时间反演阵列及发射单元；将时间反演阵列分为多个子阵列；发射单元发射探测脉冲至成像区域，构建出虚拟阵元接收信号；对虚拟阵元接收信号进行时间反演，得到各个子阵列的回传信号；对各个子阵列的回传信号进行归一化处理；建立可体现子阵列信号在目标处同步性的新函数，对新函数进行分析得到多目标下的信号聚集时刻，得到多目标成像。本发明采用虚拟阵元外推法及阵列分组法进行时间反演局部放电成像，具有优良的分辨率，对于局部放电成像和电力设备的整体安全性、可靠性有重要的价值和意义。可靠性有重要的价值和意义。可靠性有重要的价值和意义。


技术研发人员：冯新岩 张达 毛琨 肖萌 孙佑飞 赵廷志 张海杰 丁晶 万磊 卢志海 崔勇 史伟波 张明兴 王文森 李承振 杜滨洋 刘晗 薛帅
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/9/5