基于超声波回波分析的皮带堵煤状态检测方法及装置与流程

本发明涉及超声波分析，特别涉及一种基于超声波回波分析的皮带堵煤状态检测方法及装置。

背景技术：

1、皮带输送机是输送煤料的核心设备，导料槽处因煤料异常堆积引发的堵煤故障会导致皮带撕裂、电机过载等严重事故，对堵煤状态进行准确、及时的检测是保障输煤系统安全运行的关键。

2、现有堵煤检测技术采用重锤式堵煤开关、阻旋式料位开关或接触式压力传感器，均采用接触式检测方式，检测元件直接暴露于高粉尘、高湿度的煤矿输送环境中，极易因粘煤、磨损导致元件失效，误报率高、维护成本大。现有技术中的上述传感器仅能感知煤料是否接触到检测元件，无法对煤料的运动状态进行感知，因而无法区分正常流动中的瞬时料峰与真实堵煤工况，导致漏报或误报频发。此外，现有非接触式超声检测方案虽可通过测量回波渡越时间获取煤料堆积高度，但此类方案仅利用单次回波的时域信息，完全丢弃了回波信号中携带的煤料运动速度信息，无法判断当前煤料是否处于静止堆积状态，无法在堵煤尚未完全形成的预堵阶段实现早期预警，检测维度单一，进而导致工业现场的堵煤状态判断精准率低。

技术实现思路

1、本发明的主要目的为提供一种基于超声波回波分析的皮带堵煤状态检测方法及装置，本发明有效克服了现有技术因缺乏速度维信息而无法区分瞬时料峰与真实堵煤工况的技术问题，进而降低了误报率和漏报率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波回波分析的皮带堵煤状态检测方法，包括以下步骤：

3、向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号，对接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号进行差频分析，得到第一差频矩阵，并对所述第一差频矩阵进行加窗处理，得到第二差频矩阵；

4、沿距离维对所述第二差频矩阵执行快速傅里叶变换，得到各距离门的频谱中间矩阵，并沿速度维对所述频谱中间矩阵执行快速傅里叶变换，得到目标功率谱矩阵；

5、根据所述目标功率谱矩阵计算煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率，并依据所述煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率确定煤料状态。

6、可选的，在本发明第一方面的第一种实现方式中，所述向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号，对接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号进行差频分析，得到第一差频矩阵，并对所述第一差频矩阵进行加窗处理，得到第二差频矩阵，包括：

7、向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号，将接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号在混频器中相乘并执行低通滤波处理，得到差频信号；

8、对所述差频信号进行模数转换，得到第一差频矩阵；

9、对所述第一差频矩阵进行加窗处理，得到第二差频矩阵。

10、可选的，在本发明第一方面的第二种实现方式中，所述向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号，将接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号在混频器中相乘并执行低通滤波处理，得到差频信号，包括：

11、以起始频率为基准、以调频带宽与chirp持续时间之比为调频斜率，驱动换能器在每个chirp持续时间内向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号；

12、将接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号在混频器中相乘并执行低通滤波，得到差频信号。

13、可选的，在本发明第一方面的第三种实现方式中，所述对所述第一差频矩阵进行加窗处理，得到第二差频矩阵，包括：

14、沿chirp维对所述第一差频矩阵中每一列的所有行元素求均值，得到静态杂波向量，将所述第一差频矩阵每行各采样点逐点减去所述静态杂波向量中对应列位置的均值，得到标准差频矩阵；

15、对所述标准差频矩阵中每行的采样点乘以对应采样点位置的汉宁窗系数并对所述标准差频矩阵中每列的chirp位置乘以对应chirp位置的blackman窗系数，得到第二差频矩阵。

16、可选的，在本发明第一方面的第四种实现方式中，所述对所述标准差频矩阵中每行的采样点乘以对应采样点位置的汉宁窗系数并对所述标准差频矩阵中每列的chirp位置乘以对应chirp位置的blackman窗系数，得到第二差频矩阵，包括：

17、根据距离维的采样点总数，以各采样点与采样点总数减一之比为自变量计算对应的汉宁窗系数，将所述标准差频矩阵中每行的采样点乘以对应采样点位置的汉宁窗系数，得到加窗后的差频矩阵；

18、根据速度维的chirp总数，以各chirp位置序号与chirp总数减一之比为自变量计算对应的blackman窗系数，将所述加窗后的差频矩阵每列各chirp位置乘以对应chirp位置的blackman窗系数，得到第二差频矩阵。

19、可选的，在本发明第一方面的第五种实现方式中，所述沿距离维对所述第二差频矩阵执行快速傅里叶变换，得到各距离门的频谱中间矩阵，并沿速度维对所述频谱中间矩阵执行快速傅里叶变换，得到目标功率谱矩阵，包括：

20、沿距离维对所述第二差频矩阵的每一行执行快速傅里叶变换，得到各距离门的频谱中间矩阵；

21、沿速度维对所述频谱中间矩阵的每一列执行快速傅里叶变换，将每列跨chirp的相位演化序列从chirp域变换至多普勒频域，再逐元素取模平方，得到目标功率谱矩阵。

22、可选的，在本发明第一方面的第六种实现方式中，所述沿速度维对所述频谱中间矩阵的每一列执行快速傅里叶变换，将每列跨chirp的相位演化序列从chirp域变换至多普勒频域，再逐元素取模平方，得到目标功率谱矩阵，包括：

23、沿速度维对所述频谱中间矩阵的每一列执行快速傅里叶变换，将每列各距离门处跨chirp的相位演化序列从chirp域变换至多普勒频域，得到二维复数矩阵；

24、对所述二维复数矩阵的每个元素取模平方，得到各距离门与速度门交叉位置处的煤料散射功率值，并按距离门与速度门的二维索引排列所述煤料散射功率值，得到目标功率谱矩阵。

25、可选的，在本发明第一方面的第七种实现方式中，所述根据所述目标功率谱矩阵计算煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率，并依据所述煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率确定煤料状态，包括：

26、沿速度维对所述目标功率谱矩阵中每一列的所有行元素求和，得到一维距离功率谱，并根据所述一维距离功率谱计算统计阈值，在有效距离门范围内从最小距离门向最大距离门方向扫描，取第一个超过所述统计阈值的距离门索引换算为煤料堆积上边界高度；

27、在所述目标功率谱矩阵中，从正速度方向起始侧和负速度方向末尾侧各取相同数量的速度门构成双侧静止速度门集合，将所述双侧静止速度门集合内所有元素之和除以所述目标功率谱矩阵全矩阵所有元素之和，得到静止煤料能量占比；

28、根据所述煤料堆积上边界高度计算堆积高度增长率；

29、依据所述煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率确定煤料状态。

30、可选的，在本发明第一方面的第八种实现方式中，所述依据所述煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率确定煤料状态，包括：

31、将所述煤料堆积上边界高度与空载基准距离作差，得到堆积偏差；

32、当所述堆积偏差超过全堵偏差阈值、且所述静止煤料能量占比超过全堵静止阈值、且所述堆积高度增长率的绝对值超过全堵增长率阈值时，输出煤料状态为全堵状态；

33、当所述堆积偏差超过预堵偏差阈值、或所述静止煤料能量占比超过预堵静止阈值、或所述堆积高度增长率的绝对值超过预堵增长率阈值时，输出煤料状态为预堵状态；

34、当所述堆积偏差小于全堵偏差阈值、所述静止煤料能量占比小于全堵静止阈值及所述堆积高度增长率小于全堵增长率阈值时，输出煤料状态为正常状态。

35、本发明还提供了一种基于超声波回波分析的皮带堵煤状态检测装置，包括：

36、差频分析模块，用于向皮带输送机导料槽发射线性调频超声信号，对接收到的煤料反射回波与所述线性调频超声信号进行差频分析，得到第一差频矩阵，并对所述第一差频矩阵进行加窗处理，得到第二差频矩阵；

37、快速傅里叶变换模块，用于沿距离维对所述第二差频矩阵执行快速傅里叶变换，得到各距离门的频谱中间矩阵，并沿速度维对所述频谱中间矩阵执行快速傅里叶变换，得到目标功率谱矩阵；

38、煤料状态分析模块，用于根据所述目标功率谱矩阵计算煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率，并依据所述煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率确定煤料状态。

39、综上所述，本发明采用fmcw调频连续波超声信号体制，通过将煤料反射回波与发射信号混频得到差频信号，在单一信号帧内同时将煤料堆积距离编码于差频信号频率、将煤料运动速度编码于差频信号跨chirp相位变化之中，突破了现有单频超声方案仅能获取单维距离信息的局限。通过对差频数据矩阵执行静态杂波均值相消处理，有效消除了导料槽壁、安装支架等固定结构的强背景反射干扰，保障了煤料弱回波信号的可靠提取。通过在距离维施加汉宁窗、速度维施加blackman窗的分维度差异化窗函数加权，分别针对距离门和速度门的旁瓣泄漏特性进行有针对性的抑制，尤其有效抑制了机械振动强干扰旁瓣对零速度区域的污染，保障了静止煤料能量占比参数的计算准确性。通过对预处理差频矩阵依次执行距离维和速度维二维快速傅里叶变换，生成目标功率谱矩阵，实现了对皮带截面煤料空间分布与运动状态的同步定量感知。本发明提取煤料堆积上边界高度、静止煤料能量占比和堆积高度增长率，能够在堵煤发展的预堵阶段即通过静止煤料能量占比的异常升高与堆积高度的持续增大实现早期预警，有效克服了现有技术因缺乏速度维信息而无法区分瞬时料峰与真实堵煤工况的技术问题，进而降低了误报率和漏报率。