核电站冷源取水口拦截网状态监测系统和监测方法与流程

1.本技术涉及核电站冷源系统领域，尤其涉及一种核电站冷源取水口拦截网状态监测系统和监测方法。


背景技术：

2.国内核电厂主要分布在沿海地区，近年来，核电厂冷源取水口堵塞事件频繁发生，多次造成降负荷、停堆等较严重后果。涉及的堵塞物种类主要集中为海藻、水草、贝类、毛虾、水母、笔帽螺以及鱼类等海生物，淤泥、碎片以及沉积物等泥沙以及塑料或者其他异物。经工程实践，拦截网能起到较好的拦截效果。采用拦截网需要对拦截网进行清理打捞，如果清理不及时，容易引起次生严重的冷源事故，甚至造成机组停机。目前拦截网的布置、网体材料、受力分析等缺乏统一规范、评估及监测手段；拦截网的清理打捞工作采用定时人工打捞方式，间隔时间较长，工作效率低，不能完全适应极快变化的海洋环境和海洋生物，遇到海生物爆发的极端海洋环境和天气情况，人员、船只以及设备无法正常工作时，不能提前预警。
3.目前核电厂通过在拦截网上增加拉力计、网位仪或者在拦截网前增加鱼探仪、海流计进行探测评估，但只能得到间接检测量，并不能给出拦网的堵塞率状态信息。另外，有些核电站还运用微光成像或红外成像技术的高清摄像机进行水下光学探测，由于可见光对水下环境的穿透力较弱，所以探测距离有限。
4.专利cn207379640u公开了一种核电站水下拦污网预警报警监测系统，采用板环式拉力传感器在拦污网的主绳实时采集主绳上的拉力信号，经过水域无线发射装置传送到远程地面接收端，接收端主机对信号进行解析判断做出相应的预警报警响应，并结合相配套的拦污网工作状态等级，为核电站取水口冷源保障工作组及时采取措施提供可靠依据。该专利采用拉力传感器对拦网状态进行测试，这种方法只能得到间接检测量，并不能给出拦网的堵塞率状态信息。
5.专利cn211784005u公开了核电厂冷源安全技术领域的一种拦截网拉力在线监测设备，包括海流计，海流计电性输出连接用于传输信息的无线传输模块，无线传输模块分别电性输入连接用于检测拉力的拉力传感器与用于提供电源的电源模块，无线传输模块电性输出连接用于分析判断的单片机，分类模块电性输出连接用于储存信息的储存模块，装置中通过拉力传感器对拦截网受到拉力进行测量，将数据通过无线传输模块传输到远程平台上，从而使工作人员远程对拦截网进行监测，当采集数值大于标准数值时，警报模块发出警报提示工作人员，方便工作人员及时了解拦截网的异常情况，保证拦截网的使用效果。该专利同样采用拉力测试的方式对拦截网的堵塞情况进行检测，属于间接检测，不能检测堵塞率状态。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本技术提出了一种核电站冷源取水口拦截网状态监测系统和监
测方法。
7.本技术的第一个目的在于提出一种核电站冷源取水口拦截网状态监测系统，实现对拦截网堵塞状态的监测、分析和诊断。
8.本技术的第二个目的在于提出一种核电站冷源取水口拦截网状态监测方法。
9.为实现上述目的，本技术提出一种核电站冷源取水口拦截网状态监测系统，包括湿端和干端，
10.其中，所述湿端布置在水下，包括声波发射模块、声波接收模块、信号处理模块和通信模块；
11.所述声波发射模块用于发射第一声波信号；
12.所述声波接收模块用于接收第一回波信号，所述第一回波信号为第一声波信号接触到目标物后返回的声波信号；
13.所述信号处理模块用于处理所述第一回波信号，并生成对应的立体图像信息；
14.所述声波发射模块还用于发射第二声波信号；
15.所述声波接收模块还用于接收第二回波信号，所述第二回波信号为第二声波信号接触到所述目标物后返回的声波信号；
16.所述信号处理模块还用于根据所述第二回波信号，计算出流经所述目标物的水流流速；
17.所述通信模块用于将所述立体图像信息和所述水流流速发送至所述干端；
18.所述干端布置在水上，包括数据处理模块和显示模块；
19.所述数据处理模块用于接收所述立体图像信息和所述水流流速，并根据所述立体图像信息和所述水流流速计算出所述目标物的堵塞率；
20.所述显示模块用于显示所述目标物的堵塞状态。
21.可选的，所述声波发射模块包括发射机和发射阵，
22.所述发射机用于生成所述第一声波信号或所述第二声波信号；
23.所述发射阵用于对所述第一声波信号或所述第二声波信号进行转换并发射。
24.可选的，所述发射阵为单通道球壳阵。
25.可选的，所述声波接收模块包括接收机和接收阵，
26.所述接收阵为平面阵，用于接收所述第一回波信号或所述第二回波信号，并将所述第一回波信号转换为第一电信号或将所述第二回波信号转换为第二电信号；
27.所述接收机用于对所述第一电信号进行调整并转换为第一数字信号或对所述第二电信号进行调整并转换为第二数字信号。
28.可选的，所述接收阵包括多个阵元，多个所述阵元以阵列形式排布。
29.本技术实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统，利用声波对水下拦截网进行立体成像，并对水流流速进行计算，结合立体成像和水流流速获得拦截网堵塞率，实现了对拦截网堵塞状态的监测、分析和诊断。
30.为实现第二个目的，本技术提出了一种核电站冷源取水口拦截网状态监测方法，所述方法应用于上述的系统，其特征在于，包括：
31.获取第一回波信号，并根据所述第一回波信号生成目标物对应的立体图像信息；
32.获取第二回波信号，并根据所述第二回波信号计算出水流流速；
33.根据所述立体图像信息和所述水流流速确定所述目标物的堵塞状态。
34.可选的，获取第一回波信号，并根据所述第一回波信号生成目标物对应的立体图像信息，包括：
35.通过声波发射模块发射第一声波信号；
36.接收所述第一回波信号，所述第一回波信号为所述第一声波信号接触到所述目标物后返回的声波信号；
37.将所述第一回波信号转换为所述立体图像信息。
38.可选的，将所述第一回波信号转换为所述立体图像信息，包括：
39.将所述第一回波信号转换为原始点云图像信息；
40.利用去噪分割算法从所述原始点云图像信息中提取预示范围内的点云信息；
41.分离并重建所述点云信息，以生成多个目标点云信息；
42.利用配准拼接算法将所述多个目标点云信息拼接成所述立体图像信息。
43.可选的，根据所述立体图像信息和所述水流流速确定所述目标物的堵塞状态，包括：
44.将所述立体图像信息和所述水流流速映射至同一坐标系；
45.获取所述立体图像信息的亮度值，并对所述亮度值进行归一化；
46.对所述水流流速进行归一化；
47.根据归一化的亮度值和归一化后的水流流速计算出所述目标物的堵塞率；
48.基于所述堵塞率确定所述目标物的堵塞状态。
49.可选的，还包括：
50.在所述第一回波信号不满足预设条件时，对所述第一回波信号进行相位补偿。
51.可选的，将所述第一回波信号转换为原始点云图像信息，包括：
52.对所述第一回波信号进行阵元域数据重排；
53.利用平面阵波束形成算法对重排后的第一回波信号进行运算；
54.采用平方检波将第一回波信号转换为功率信号；
55.对所述功率信号进行后置处理。
56.可选的，对所述功率信号进行后置处理，包括：
57.对所述功率信号进行非相干积分，获得各波束的距离信息；
58.选择各波束的距离信息输出的最大值，并将所述最大值还原为原始坐标。
59.本技术实施的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法，通过获取和分析两个回波信号，形成目标物对应的立体图像信息，并计算出水流流速，从而获得拦截网的堵塞率，实现了对拦截网堵塞状态的监测、分析和诊断。
60.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
61.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对申请的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
62.图1是本技术一个实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统结构示意图
一；
63.图2是本技术一个实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统结构示意图二；
64.图3是本技术一个实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统结构示意图三；
65.图4是本技术一个实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法流程图一；
66.图5是本技术一个实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法流程图二；
67.图6是本技术一个具体实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法流程示意图；
68.图7是本技术一个具体实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法流程图；
69.图8是采用宽带测流方式计算分区流经的水流流速的效果示意图；
70.图9是本技术一个具体实施例的回波信号转化为立体图像流程图；
71.图10是本技术一个具体实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测后置处理方法流程图。
具体实施方式
72.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
73.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。
74.下面参考附图描述本技术实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统和监测方法。
75.如图1所示，核电站冷源取水口拦截网状态监测系统包括湿端100和干端200。
76.其中，湿端100布置在水下，主要用于对水下拦截网进行信号采集和检测；干端200布置在水上，主要用于完成对采集的信号进行数据处理、人机交互及图形可视化等功能。具体可包括图像拼接、图像识别，并结合水流流速综合分析，给出堵塞率检测结果，对拦截网的堵塞状态进行监测，并发出预警信息等。
77.湿端100包括声波发射模块110、声波接收模块120、信号处理模块130和通信模块140。
78.声波发射模块110发射第一声波信号，该声波信号在水中传播，遇到拦截网上的目标物后声波信号传播受到阻碍，声波信号被反射，形成回波信号。本实施例中，第一声波信号可以为窄带声波信号。
79.声波接收模块120接收第一声波信号接触到目标物反射后形成的第一回波信号。
80.信号处理模块130用于处理第一回波信号，并生成对应的立体图像信息。在本实施例中，信号处理模块130通过波束形成算法将回波信号转化为立体图像，图像中的像素点位置代表水中障碍物的位置，像素点的亮度代表障碍物反射声波的强度。
81.此外，声波发射模块110还可以发射第二声波信号。声波接收模块120可接收第二声波信号接触到目标物后返回的第二回波信号。本实施例中，第二声波信号可以为宽带编码信号。
82.信号处理模块130根据第二回波信号，计算出流经目标物的水流流速。本实施例中，信号处理模块130通过宽带测流方式对第二回波信号计算，得到流经目标物的水流流速。
83.通信模块140用于将信号处理模块130形成的立体图像信息和水流流速信息发送至干端200。
84.干端200包括数据处理模块210和显示模块220。其中，数据处理模块210用于接收立体图像信息和水流流速，并根据立体图像信息和水流流速计算出目标物的堵塞率；显示模块220用于显示目标物的堵塞状态。
85.通过对水下声波信号进行采集和分析形成拦截网的立体图像，并计算获得流经目标物的水流流速，得到拦截网的堵塞率，实现了对拦截网堵塞状态的实时监控，并提高了监测的准确性。
86.在该申请的一个实施例中，如图2所示，声波发射模块110包括发射机111和发射阵112。发射机111用于生成第一声波信号或第二声波信号；发射阵112用于对第一声波信号或第二声波信号进行转换并发射。本实施例中，发射阵112为单通道球壳阵，例如，发射阵的工作频率可以是750khz，从而获得了球冠形的声辐射区域。
87.在该申请的另一个实施例中，如图3所示，声波接收模块120包括接收机121和接收阵122。接收阵122为平面阵，用于接收第一回波信号或第二回波信号，并将第一回波信号转换为第一电信号或将第二回波信号转换为第二电信号。接收机121用于对第一电信号进行调整并转换为第一数字信号或对第二电信号进行调整并转换为第二数字信号。本实施例中，接收阵122包括多个阵元，多个阵元以阵列形式排布，例如，多个阵元可按48
×
96阵列进行排布。
88.本实施例所提供的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统利用声波信号对拦截网堵塞状态进行监测，抗干扰性较强，探测距离较远；通过对水下声波信号进行采集和分析形成立体图像，监测结果直观明了；采用宽带测流方式对第二回波信号计算；结合立体图像和水流流速，对拦截网的堵塞率进行综合分析，提高了监测的准确性，实现了对拦截网本体上目标物附着过程的实时监测。
89.为实现第二个目的，本技术还提出了一种核电站冷源取水口拦截网状态监测方法。
90.该核电站冷源取水口拦截网状态监测方法应用于上述实施例的核电站冷源取水口拦截网状态监测系统。
91.如图4所示，核电站冷源取水口拦截网状态监测方法包括以下步骤：
92.步骤s1，获取第一回波信号，并根据第一回波信号生成目标物对应的立体图像信息。
93.在本技术的一个实施例中，获取第一回波信号，并根据第一回波信号生成目标物对应的立体图像信息可进一步包括以下步骤：
94.s11，通过声波发射模块发射第一声波信号。
95.本实施例中，第一声波信号为窄带声波信号。
96.s12，接收第一回波信号。
97.其中，第一回波信号为第一声波信号接触到目标物后返回的声波信号。
98.s13，将第一回波信号转换为立体图像信息。
99.具体地，首先将第一回波信号转换为原始点云图像信息，然后利用去噪分割算法从原始点云图像信息中提取预示范围内的点云信息，以及分离并重建点云信息，从而生成多个目标点云信息，最后利用配准拼接算法将多个目标点云信息拼接成立体图像信息。
100.进一步地，将第一回波信号转换为原始点云图像信息，包括以下步骤：
101.对第一回波信号进行阵元域数据重排，再利用平面阵波束形成算法对重排后的第一回波信号进行运算，然后采用平方检波将第一回波信号转换为功率信号，以及对功率信号进行后置处理。
102.其中，对功率信号进行后置处理包括：对功率信号进行非相干积分，获得各波束的距离信息，然后选择各波束的距离信息输出的最大值，并将最大值还原为原始坐标。
103.步骤s2，获取第二回波信号，并根据第二回波信号计算出水流流速。
104.在本技术的一个实施例中，可通过声波发射模块发射第二声波信号，然后通过声波接收模块接收第二回波信号。其中，第二回波信号为第二声波信号接触到目标物后返回的声波信号。在接收到第二回波信号之后，便可以通过宽带测流方式对流经拦截网的水流流速进行计算。
105.本实施例中，第二声波信号为宽带编码信号。
106.步骤s3，根据立体图像信息和水流流速确定目标物的堵塞状态。
107.具体地，可将立体图像信息和水流流速映射至同一坐标系，然后获取立体图像信息的亮度值，并对亮度值进行归一化，之后再对水流流速进行归一化，以及根据归一化的亮度值和归一化后的水流流速计算出目标物的堵塞率，最后基于堵塞率确定目标物的堵塞状态。
108.在该申请的一个实施例中，如图5所示，核电站冷源取水口拦截网状态监测方法还包括：
109.s4，在第一回波信号不满足预设条件时，对第一回波信号进行相位补偿。
110.其中，预设条件为远场条件，远场条件是指目标距离大于πa2/(4λ)时的远场情况，其中a表示接收阵的孔径长度，λ表示信号波长。例如，第一回波信号在1～9.25米近距离范围内，不满足远场条件，此时需要对接收的第一回波信号进行fresnel相位补偿，相位补偿后再将第一回波信号转换为立体图像信息，从而提高立体图像的准确性。
111.以下以一个具体实施例对核电站冷源取水口拦截网状态监测方法做进一步说明。
112.图6为核电站冷源取水口拦截网状态监测方法的流程示意图，核电站冷源取水口拦截网状态监测方法主要包括以下步骤：
113.s601发射窄带信号，s602接收其反射信号，s603立体成像，s604对立体图像进行后置处理；s605发射宽带信号，s606接收其反射信号，s607流速计算，s608进行流场拼接，s609形成三维流场。s610将处理后得到的立体图像和水流流速计算结果进行综合判决，s611最终给出拦截网堵塞率。
114.具体详细内容，可如图7所示。
115.步骤s701，发射特定的窄带声波信号。
116.发射的信号为一组窄带声波信号q(t)，并且信号在各向同性线性变化的吸收介质中传播，通过传播介质到达目标散射点处的信号经fft变换得到，如公式一所示：
134.通过分析可知，只要所测流场均匀，则无论测流系统怎样摇摆v
error
都基本趋近于零，且四路回波认为是有效数据；如果所测流场不均匀，也要看v
error
来确定不均匀的程度，用于判断四路回波数据的有效性，同时用于判断流场的异常程度，判断拦截网的阻塞程度。
135.流场的分辨率为波束宽度2
°
，测流精度为0.5％，发射信号为编码序列。采用宽带测流方式利用的是编码相干脉冲串信号进行收发和处理。与非相干测流方式比较，宽带测流方式通过高分辨率编码形式与灵活的相干测量相结合来保证速度估计具有较高的精度。与相干测流方式比较，宽带测流方式通过编码来增加信号的能量，从而保证了大的可测距离。因此，该方式可以看成是非相干与相干测流方式的结合体。
136.测流时需要单独发射编码序列，与成像时的单频窄脉冲不同，测流和成像分时进行。拦截网堵塞物与流场流速具有对应关系，当堵塞物增加时，对应流场流速降低。通过三维空间映射与配准，将流场流速与拦截网成像结果叠加在同一坐标系下，二者结合得到拦截网的堵塞率状态。拦截网成像结果的亮度值取值范围为0
‑
l.。将拦截网成像结果亮度值归一化其最高亮度为1，代表堵塞物附着程度最高为l，最低亮度为0，代表附着程度最低；流场流速的取值范围为0.1
‑
s(单位m/s)，将流场流速归一化，最高流速(s m/s)为1，最低流速为0.1。堵塞率指数为l/s，该指数越高，表明堵塞率越高。
137.如图9所示，步骤s703通过波束形成算法将回波信号转化为立体图像具体包括：
138.步骤s801，分析阵元域数据类型。
139.由于本发明采用宽带测流方式利用的是编码相干脉冲串信号进行收发和处理，保证了速度估计具有较高的精度和大的可测距离。因此，阵元域的信号在进行下一步处理之前，需要进行混频和降采样处理。根据不同的功能，在进行三维成像时，发射的是单频脉冲信号，在测流时采用的是编码相干脉冲串信号，而进过混频和降采样处理后，需要将该数据进行串并转换。
140.步骤s802，近场相位补偿。
141.在1～9.25米近距离范围内，回波信号不满足远场条件(远场条件是指目标距离大于πa2/(4λ)时的远场情况，其中a表示接收阵的孔径长度，λ表示信号波长。)，则需要对接收信号进行fresnel相位补偿，如公式三所示：
[0142][0143]
水下目标有m个散射点，第i个散射点位于r
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)处，并且与该散射点的距离为r
i
＝|r
i
|，发射声脉冲信号为q(t)，经散射点反射后，到达接收阵p点处的声信号通过上述处理得到的信号，如公式四所示：
[0144][0145]
对于目标距离大于πa2/(4λ)时的远场情况，得到的远场条件的接收信号，如公式五所示：
[0146]
[0147]
其中，固定的参数δ2代表介质吸收系数的影响，q(ω)表示发射脉冲信号q(t)的fft结果；ω＝2πf，f表示发射信号频率；c表示声速。
[0148]
步骤s803，阵元域数据重排。
[0149]
系统共有4608路阵元(96
×
48)，采用遗传算法对平面阵进行稀疏化处理，选择其中的1024路阵元参与成像处理。在平面阵波束形成前，对阵元数据顺序进行重新排列，恢复其原来位置。
[0150]
步骤s804，形成平面阵波束。
[0151]
采用波束形成算法，利用二维快速傅里叶变换，进行频域波束形成，形成128
×
128路、共16384平面阵波束。
[0152]
步骤s805，平方检波。
[0153]
波束形成后信号为复信号，需要进行平方检波变为功率信号。
[0154]
步骤s806，后置处理。
[0155]
本实施例中，如图10所示，后置处理包括以下步骤：
[0156]
步骤s901，去噪分割。
[0157]
通过去噪分割算法，将一定距离范围内的目标点云从庞大的原始点云中提取出来，获得精简点云并去除异常点。
[0158]
步骤s902，点云重建。
[0159]
将得到的点云进行重建，实现多个目标的分离重建。
[0160]
步骤s903，配准拼接。
[0161]
通过配准拼接算法将各个视角或多帧得到的点云合并统一到坐标系下形成完整点云。
[0162]
步骤s904，可视化渲染。
[0163]
通过可视化渲染处理，生成用于ui显示的图形。
[0164]
本实施例提出的核电站冷源取水口拦截网状态监测方法，通过采集并分析声波信号对拦截网的堵塞状态进行监测，抗干扰性较强，探测距离较远；通过对水下声波信号进行采集和分析形成立体图像，监测结果直观明了；采用宽带测流方法对第二回波信号计算；结合立体图像和水流流速，对拦截网的堵塞率进行综合分析，提高了监测的准确性，实现了对拦截网本体上目标物附着过程的实时监测。
[0165]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0166]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执
行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0167]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0168]
需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。