基于h2濾波的釩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)及先進(jìn)堆巧測量系統(tǒng)（核反應(yīng)堆功率分布在線監(jiān)測系統(tǒng)）所用的堆內(nèi)饑 自給能中子探測器信號的處理技術(shù)，具體是基于H2濾波的饑自給能探測器信號延遲消除 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 用作先進(jìn)堆巧測量系統(tǒng)堆內(nèi)探測器的饑自給能中子探測器，其敏感材料饑與中子 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，因此通過測量饑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(shí)時(shí)反映通量水平的變化，而是有一定的延遲，延遲時(shí)間參數(shù)與次生 核素的0衰變一致。因此，利用饑自給能中子探測器作中子測量裝置的先進(jìn)堆巧測量系 統(tǒng)，為了保證中子通量測量的準(zhǔn)確性，需要對饑自給能探器的電流信號作延遲消除處理。
[0003] 由于實(shí)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)用于饑自給能探測器信號延遲的消除主要基于Kalman濾波器實(shí)現(xiàn)，其應(yīng) 用時(shí)必須假定系統(tǒng)的外部擾動輸入信號是一個(gè)具有已知統(tǒng)計(jì)特性的白噪聲信號，當(dāng)輸入信 號的統(tǒng)計(jì)特性難W得到時(shí)，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，提供了一種基于肥濾波的饑自給能探 測器信號延遲消除方法，其應(yīng)用時(shí)能對饑自給能中子探測器的電流信號進(jìn)行延遲消除處 理，并能有效抑制噪聲，使得饑自給能中子探測器在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況時(shí)也能正常使用，且由 于本發(fā)明采用了肥濾波器，作延遲消除時(shí)無需預(yù)先知道外部擾動輸入信號的統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)；基于肥濾波的饑自給能探測 器信號延遲消除方法，包括W下步驟：
[0007] 步驟1、建立饑與熱中子的核反應(yīng)模型：
[0008] 在反應(yīng)堆瞬態(tài)工況下，通量的變化引起饑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：
[0009] (1)
[0010] 其中，巫（t)為中子通量，Nsi(t)為Sly的核密度，Ns2(t)為52y的核密度，〇51為Sly 的中子吸收截面，人52為52V的衰變常量，I(t)為饑自給能探測器輸出電流，Kpy為瞬時(shí)成分 的靈敏度，Kgy為瞬時(shí)成分的靈敏度；
[0011] 將式（1)變形得到如下等式：
[0012]
[0014]I(t)=cn(t)+Anig(t) (4)
[001引其中，mi(t)、m2(t)分別代表51v，52v的存量，c為電流的瞬時(shí)份額，a為電流的e衰變份額；
[0016] 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：
[0017] 令Ja(t) =Aimi(t)代入式（1)、式（2)及式（3)中，將連續(xù)時(shí)間的常微分方程直 接進(jìn)行離散化，并添加噪聲項(xiàng)，得到W下離散狀態(tài)方程：
[0018]
(5)
[001引1似=[1 0C]?X似+ 山?V(k) (6)
[0020] n(k) = [00!]?X(k) (7)
[0021] 其中，.
W(k)為過程噪聲項(xiàng)，V(k)為測量噪聲項(xiàng)，
[00過初始值為[0023] (8);
[0024] 步驟3、確定饑自給能探測器電流的瞬時(shí)響應(yīng)份額；
[0025] 步驟4、利用肥濾波器對饑自給能探測器電流信號作延遲消除：
[0026] 對于一個(gè)離散控制過程系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用一個(gè)狀態(tài)方程來描述：
[0027] X化+1) =Ax化)+Bw化）
[0028]y似=Cx似+Dw化） （9)
[0029] Z化）=Lx化）
[0030] 其中，x(k)為第k次采樣點(diǎn)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(diǎn)的測量值，Z化）為1維待求向量，L為l*n維矩陣；
[0031] 假定系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的，則對給定的常數(shù)trace〉0,要求設(shè)計(jì)一個(gè)漸近穩(wěn)定的滿階 線性濾波器
[0032]
(10)
[0033] 系統(tǒng)存在一個(gè)肥濾波器，當(dāng)且僅當(dāng)W下的線性矩陣不等式成立
[0034]
[0036] 其中Y、Z為待求解的對稱正定矩陣，而Q、G、F為待求解的一般矩陣；
[0037] 得到上述矩陣后，肥濾波器的相關(guān)矩陣表示如下：
[0038] Af = -Y -iQ (I-Y-iZ) -1，Bf = -Y -中，Cf = G (I-Y -1口-1 (13)
[0039] 對于饑自給能探測器，由其離散狀態(tài)方程可知方程巧）中的對應(yīng)矩陣為：
[0040]

[0045] 通過求解線性矩陣不等式（11)、（12)，可得肥濾波器矩陣Af、Bf、Cf，從而可W由如 下步驟獲取消除延遲后任意時(shí)刻的探測器電流值：
[0046] 由初始電流測量值列〇)可得
，初始0時(shí)刻延遲消除后電流值為 之(0)二C,;(()):
[0047] 對于任意k+Uk= 0, 1，...）時(shí)亥IJ，玉巧+ ：0 = +AV(A')，而k+1時(shí)刻延遲消 除后的電流值為W+ 1) =C,i(A' +1)。
[0048] 核反應(yīng)模型是應(yīng)用濾波器進(jìn)行延遲消除的基礎(chǔ)，本發(fā)明由第一性原理出發(fā)，步驟 一導(dǎo)出饑自給能探測器產(chǎn)生信號該一物理過程所對應(yīng)的連續(xù)時(shí)間變量數(shù)學(xué)模型。由于探測 器的電流信號都是通過離散采樣獲取，本發(fā)明步驟2將步驟1建立的連續(xù)狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為 離散狀態(tài)方程。
[0049] 本發(fā)明應(yīng)用時(shí)利用肥濾波器原理，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(shí)需適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)使延遲 消除效果與噪聲抑制達(dá)到最佳平衡。
[0050] 饑自給能探測器瞬時(shí)響應(yīng)份額C可W由理論進(jìn)行大致地估算，但理論估算值與真 實(shí)值之間的不匹配將會導(dǎo)致濾波效果的下降，為了準(zhǔn)確地確定出瞬時(shí)響應(yīng)份額C，進(jìn)一步 的，所述步驟3確定饑自給能探測器電流的瞬時(shí)響應(yīng)份額具體包括W下步驟：在反應(yīng)堆啟 動物理實(shí)驗(yàn)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(shí)測 值與饑自給能探測器信號實(shí)測值，其中，堆外探測器能夠瞬時(shí)響應(yīng)中子通量的變化，相應(yīng)的 實(shí)測值可認(rèn)為是真實(shí)的中子通量；通過調(diào)整瞬時(shí)響應(yīng)份額的理論值給定N個(gè)不同的瞬時(shí)響 應(yīng)份額預(yù)測值，再將堆外探測器信號實(shí)測值代入離散狀態(tài)方程，可W得到N組饑自給能探 測器信號理論值，將理論值與饑自給能探測器信號實(shí)測值進(jìn)行比較，取其中符合程度最好 的某組理論值相應(yīng)的瞬時(shí)響應(yīng)份額預(yù)測值為后續(xù)延遲消除所采用的瞬時(shí)響應(yīng)份額。
[0051] 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，饑自給能 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(shí)，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。
[0052] 換擋引起的突變分量進(jìn)入延遲消除模塊后，會被嚴(yán)重放大，使得時(shí)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（突變部分信號的嚴(yán)重失真）。在換擋時(shí)間段 里，信號的變化主要由換擋突變貢獻(xiàn)，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。
[0053] 為了處理換檔導(dǎo)致的信號突變問題，進(jìn)一步的，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(jìn)行處理；在換檔區(qū)域內(nèi)，假