濾波的銠自給能探測器信號延遲消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及核反應(yīng)堆功率分布在線監(jiān)測系統(tǒng)所用的堆內(nèi)錠自給能中子探測器信 號的處理技術(shù)，具體是基于Luenberger形式&濾波的錠自給能探測器信號延遲消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用作先進堆巧測量系統(tǒng)堆內(nèi)探測器的錠自給能中子探測器，其敏感材料錠與中子 反應(yīng)產(chǎn)生的次生核素發(fā)生0衰變產(chǎn)生電流，穩(wěn)態(tài)情況下該電流大小與所在位置通量成正 比，因此通過測量錠自給能探測器能夠推知其所在位置中子通量。由于該類探測器電流主 要成分是由次生核素0衰變產(chǎn)生的，在反應(yīng)堆瞬態(tài)情況（中子通量水平變化的情況）下， 該類探測器電流不能實時反映通量水平的變化，而是有一定的延遲，延遲時間參數(shù)與次生 核素的0衰變一致。因此，利用錠自給能中子探測器作中子測量裝置的先進堆巧測量系 統(tǒng)，為了保證中子通量測量的準(zhǔn)確性，需要對錠自給能探器的電流信號作延遲消除處理。
[0003] 由于實際的測量過程中總伴隨有噪聲（過程噪聲和測量噪聲），利用直接的數(shù)學(xué) 反演方法作延遲消除會將探測器電流信號噪聲放大，最大可放大到20倍，影響測量的精 度。因此，在延遲消除處理過程中，需要有效抑制噪聲的放大。
[0004] 目前應(yīng)用于錠自給能探測器信號延遲的消除主要基于Kalman濾波器實現(xiàn)，其應(yīng) 用時必須假定系統(tǒng)的外部擾動輸入信號是一個具有已知統(tǒng)計特性的白噪聲信號，當(dāng)輸入信 號是一個具有有限能量的不確定信號，其統(tǒng)計特性難W得到，該方法就難W應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于Luenberger形式馬濾 波的錠自給能探測器信號延遲消除方法，其應(yīng)用時能對錠自給能中子探測器的電流信號進 行延遲消除處理，并能有效抑制噪聲，使得錠自給能中子探測器在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況時也能 正常使用，且由于本發(fā)明采用了Luenberger形式的馬濾波器，作延遲消除時無需預(yù)先知道 外部擾動輸入信號的統(tǒng)計特性。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題主要通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)；基于Luenberger形式馬濾波 的錠自給能探測器信號延遲消除方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0007] 步驟1、建立錠與熱中子的核反應(yīng)模型：
[0008] 在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況下，通量的變化引起錠自給能中子探測器電流的變化并不同 步，后者較前者有一定的滯后，描述上述反應(yīng)的具體公式如下：
[0011]I(t) =cn(t) +AjIHi(t) (3)
[0012] 其中，mi(t)、m2(t)分別表示IM化和iMm化直接引起的電荷量，n(t)表示探測器處 熱中子通量對應(yīng)的探測器平衡狀態(tài)下的探測器電流，A1、A2分別表示化和IMm化的衰 變常數(shù)，C表示探測器電流的瞬時響應(yīng)份額，ai、a2分別表示化和IMm化引起的電流份額， I(t)表示錠自給能電流；
[0013] 步驟2、采用直接變換獲取核反應(yīng)模型對應(yīng)的離散狀態(tài)方程：
[0014] 令Ja(t)=Aimi(t)代入式（1)、式（2)及式（3)中，將連續(xù)時間的常微分方程直 接進行離散化，并添加噪聲項，得到W下離散狀態(tài)方程：
[0015：
(4)
[001引 1似=[1 0C]?X(k) + [1] ?V(k) (5)
[0017] n(k) = [00!]? X(k) (6)
[0018] 其中，
W(k)為過程噪聲項，V(k)為測量噪聲項，
[001引初始值為
[0020]
(7)；
[0021] 步驟3、確定錠自給能探測器電流的瞬時響應(yīng)份額：
[0022] 在反應(yīng)堆啟動物理實驗階段，通過升/降反應(yīng)堆功率形成功率臺階，記錄相應(yīng)的 堆外探測器信號實測值與錠自給能探測器信號實測值；堆外探測器能夠瞬時響應(yīng)中子通量 的變化，相應(yīng)的實測值可認為是真實的中子通量；通過調(diào)整瞬時響應(yīng)份額的理論值給定N 個不同的瞬時響應(yīng)份額預(yù)測值，再將堆外探測器信號實測值代入離散狀態(tài)方程，可W得到N 組錠自給能探測器信號理論值，將理論值與錠自給能探測器信號實測值進行比較，取其中 符合程度最好的某組理論值相應(yīng)的瞬時響應(yīng)份額預(yù)測值為后續(xù)延遲消除所采用的瞬時響 應(yīng)份額；
[0023] 步驟4、利用Luenberger形式的肥濾波器對錠自給能探測器電流信號作延遲消 除：
[0024] 對于一個離散控制過程系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用一個狀態(tài)方程來描述：
[00 巧]X化+1) =Ax化)+Bw化）
[0026]y似=Cx似+Dw化） 做
[0027] Z似=Lx化）
[002引其中，x(k)為第k次采樣點的n維狀態(tài)向量，W似包含了系統(tǒng)過程噪聲化及系統(tǒng) 觀測白噪聲，y化）為第k次采樣點的測量值，Z化）為1維待求向量，L為l*n維矩陣； [0029] 針對離散系統(tǒng)巧），設(shè)計如下漸近穩(wěn)定的滿階線性Luenberger濾波器
[0030]
巧）
[003。 式（9)為最優(yōu)&濾波器，當(dāng)且僅當(dāng)如下的優(yōu)化問題有解：
[003引
（；10)
[0033] 其中J滿足如下矩陣不等式：
[0036] 其中Y=YTgRDXn，WGRnxr，J=jTeR-Xm，肥濾波器的增益K二Y-lW;
[0037] 對于錠自給能探測器，由其離散狀態(tài)方程可知方程巧）中的對應(yīng)矩陣為：
[0043] 通過求解線性矩陣不等式（10)、（11)、（12)，可得肥濾波器矩陣K，從而可W由如 下步驟獲取消除延遲后任意時刻的探測器電流值：
[0044] 由初始電流測量值W〇)可捐
，初始0時刻延遲消除后電流值 為S(0) =C,刮 0);
[004引對于任意k+1 化=0,1，...）時刻，種A+1)=.如(/0 + /q.va'）-巧(A))，而k+1 時刻 延遲消除后的電流值為^'(/( +。=。(^ + 0。
[0046] 本發(fā)明應(yīng)用時利用Luenberger形式的肥濾波器原理，在延遲消除過程中，可W有 效地抑制噪聲的放大，噪聲抑制效果越好，延遲效果會逐漸變差，因此，本發(fā)明應(yīng)用時需適 當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)使延遲消除效果與噪聲抑制達到最佳平衡。
[0047] 當(dāng)需要探測較大動態(tài)范圍的中子通量密度，相應(yīng)的也需要檢測大動態(tài)范圍的電流 信號，而該一問題便集中在了模數(shù)轉(zhuǎn)換器上。為了適應(yīng)大動態(tài)范圍的電流的量化，錠自給能 探測器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣分檔電阻，當(dāng)電流信號在大范圍變化時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器就會發(fā)生電 阻檔位轉(zhuǎn)換。由于各檔位沒有完全匹配，各檔位之間的切換會造成輸出信號的近似于階躍 的突變。
[0048] 在有換擋的情況下，還包括按如下的信號處理方法對原始信號進行處理；在換檔 區(qū)域內(nèi)，假設(shè)中子通量保持不變，然后反推中子通量密度產(chǎn)生的電流信號，再與探測器實際 輸出電流相減，得到換擋突變分量；在換檔區(qū)域外，探測器輸出電流減去換擋突變分量，得 到中子通量密度產(chǎn)生的電流信號，然后再對此電流信號進行延遲消除處理。
[0049] 換擋引起的突變分量進入延遲消除模塊后，會被嚴(yán)重放大，使得時域上的階躍突 變被嚴(yán)重放大，影響最終信號延遲消除的質(zhì)量即突變部分信號的嚴(yán)重失真。在換擋時間段 里，信號的變化主要由換擋突變貢獻，相對而言，由中子通量密度變化引起的電流信號變化 可W忽略。
[0050] 為了處理換檔導(dǎo)致的信號突變問題，進一步的，所述的換檔區(qū)域設(shè)計結(jié)構(gòu)如下： [005。 在換檔區(qū)域內(nèi)（ki《k《k2)，假設(shè)中子通量密度不變，則有：
[0052] n (k+1) = n (k) (13)
[0055] 可W反推出錠自給能探測器電流信號為：
[0056] I 化+1) = Ja 化+1)+cn 化+1) (16)
[0057] 將反推電流（16)當(dāng)成探測器實際輸出電流，通過權(quán)利要求1中所述步驟進行延遲 消除；
[005引在換檔區(qū)域時間邊界k,處，換檔引起的電流偏置量可W由下式進行估算：
[0059] D=/(L_)-y(L_)(17)
[0060] 其中.P(年)表示在k2時刻的探測器實際輸出電流；在換檔區(qū)域外，需要對探測器實 際輸出電流進行偏置補償W抵消換檔所帶來的影響，將探測器實際輸出電流加上式（17) 表示的換檔引起的電流偏置量，得到中子通量密度產(chǎn)生的電流信號，然后再對此電流信號 進行延遲消除。
[0061] 綜上所述，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0062] 1本發(fā)明整體工序簡單，便于實現(xiàn)，能對錠自給能中子探測器的電流信號進行延遲 消除處理，并能有效抑制噪聲，使得錠自給能中子探測器在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況時也能正常使 用；本發(fā)明基于Luenberger形式的&濾波器實現(xiàn)，在輸入信號是一個具有有限能量的不確 定信號時也能正常應(yīng)用；本發(fā)明應(yīng)用時將濾波器設(shè)計轉(zhuǎn)化為相應(yīng)線性矩陣不等式計算，方 便計算，可W方便地使用Matl油的LMI Too化OX進行求解；
[0063] 2本發(fā)明解決了核反應(yīng)堆功率分布在線監(jiān)測系統(tǒng)所用的堆內(nèi)錠自給能中子探測器 信號的延遲消除問題；利用&濾波器對錠自給能中子探測器信號進行延遲消除、平滑、降噪 處理，通過適當(dāng)選取Luenberger形式的&濾波器參數(shù)，能夠很好的達到信號延遲消除效果 和噪聲抑制效果的最佳平衡。本發(fā)明能夠保證錠自給能探測器電流信號直接用于先進堆巧 測量系統(tǒng)后續(xù)環(huán)節(jié)，而不喪失準(zhǔn)確度；
[0064] 3本發(fā)明對錠自給能中子探測器的電流信號進行延遲消除處理，響應(yīng)時間即階躍 通量變化時，信號恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)電流的90%所需的時間在2~10秒內(nèi)；
[0065] 4本發(fā)明對錠自給能中子探測器的電流信號延遲消除過程中，對測量電流信號進 行降噪處理，噪聲放大倍數(shù)即延遲消除處理后的電流相對誤差與噪聲之比抑制在1~8 倍；
[0066] 5本發(fā)明能有效處理因硬件換擋造成的階躍對延遲消除效果的影響。
【附圖說明】
[0067] 圖1為本發(fā)明的錠自給能中子探測器結(jié)構(gòu)圖
[0068] 圖2為本發(fā)明一個具體實施例的處理流程圖；
[0069] 圖3為錠與熱中子核反應(yīng)圖。
[0070] 附圖中標(biāo)記及相應(yīng)的零部件名稱：
[ocm] 1-發(fā)射極，2-絕緣層，3-收集極，4-導(dǎo)線，5-保護殼，6-絕緣電纜，7-電流線， 8- 本底線，9-密封管，10-電流輸出端。
【具體實施方式】
[0072] 下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明做進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式 不限于此。
[007引實施例：
[0074]如圖1所示的錠自給能中子探測器結(jié)構(gòu)圖，其中各個序號的零部件名稱對應(yīng)為： 1-發(fā)射極，2-絕緣層，3-收集極，4-導(dǎo)線，5-保護殼，6-絕緣電纜，7-電流線，8-本底線， 9- 密封管，10-電流輸出端，該錠自給能中子探測器，其特性參數(shù)為；A1=ln2/化3s-1 = 0.016386s_i，入2=ln2/4.：M/60s-i= 0.00266186s-1，c= 0.06,ai= 0.879, 32= 0.061 ; 圖3為錠與中子核反應(yīng)原理過程圖，對于圖3的反應(yīng)過程中，采用圖1的裝置進行測量。如 圖2所示，基于Luenberger形式&濾波的錠自給能探測器信號延遲消除方法