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《儀器儀表學(xué)報》2015年第十二期

摘要:

供水管道泄漏檢測定位中，定位的不確定度由檢測信號的信噪比決定，抑制噪聲干擾，提高信噪比，是提高泄漏檢測定位精度的關(guān)鍵。在充分分析泄漏信號特征的基礎(chǔ)上，提出將改進的余弦調(diào)制濾波器組用于泄漏檢測信號的噪聲抑制。該方法利用分析濾波器組將信號分解為若干個帶寬相同的子帶信號，然后選擇有效子帶，再通過綜合濾波器組將有效子帶信號合成。該方法是一種不需要泄漏信號和噪聲先驗知識的自適應(yīng)信號處理方法，能夠有效抑制噪聲，由于余弦調(diào)制濾波器分解的特性，即使泄漏信號處于不同頻率段時，噪聲抑制效果基本相同，處理后信噪比較處理前平均提高8dB左右。實際工程應(yīng)用驗證表明，該方法去噪處理后的定位結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有各種噪聲抑制/信號增強方法的結(jié)果。

關(guān)鍵詞:

泄漏定位;余弦調(diào)制濾波器組;信噪比

1引言

時延估計是目前管道泄漏定位中常用的方法［1-4］，但是時延估計的不確定度由泄漏檢測信號的信噪比決定，信噪比越低時延估計誤差越大。供水管道泄漏檢測定位中，泄漏檢測信號中混有管道內(nèi)外的多種噪聲，嚴(yán)重影響了時延估計的精度。為了抑制噪聲，提高泄漏檢測信號信噪比，研究者提出了多種方法。文獻［5］將小波分析的方法應(yīng)用于泄漏檢測信號處理中。泄漏檢測信號經(jīng)過小波分解，然后利用小波閾值判定有效信號進行重構(gòu)。但是只有小波基函數(shù)與泄漏檢測信號匹配且選取合適閾值才能取得較好的噪聲抑制效果，而這需要知道泄漏檢測信號的先驗知識，但泄漏檢測信號的先驗知識往往是未知的。文獻［6］中將自適應(yīng)噪聲抵消器應(yīng)用到泄漏檢測信號處理中。該方法使用一個參考傳感器獲取管道周圍環(huán)境中的噪聲作為參考信號，然后通過自適應(yīng)濾波器抑制噪聲。但是該方法:1)增加了檢測儀器的硬件成本;2)參考傳感器無法獲取管道內(nèi)部噪聲，不能夠抑制管道內(nèi)部噪聲。文獻［7］中利用不同帶寬信號的自相關(guān)長度不同的特征抑制泄漏信號中的寬頻噪聲和窄帶干擾。使用該方法的前提條件是:1)泄漏信號、寬頻噪聲、窄帶干擾的自相關(guān)長度不同;2)泄漏信號是單帶信號。但是泄漏信號的頻帶范圍并不確定，且有可能包含多個頻帶。當(dāng)泄漏信號包含多個頻帶時，每個頻帶的帶寬較窄，這種情況下泄漏信號的部分成分有可能被當(dāng)作窄帶干擾抑制掉，造成定位誤差增大。以上方法的處理結(jié)果都與經(jīng)驗參數(shù)相關(guān)，這導(dǎo)致以上方法使用受到限制。文獻［8］提出利用改進的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(empiricalmodedecomposition，EMD)方法增強泄漏檢測信號。EMD方法自適應(yīng)地將信號分解為多個固有模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction，IMF)，該方法分解得到的每個IMF的頻帶寬度不同，高頻部分分解得到的IMF數(shù)量較少，每個IMF頻帶較寬，低頻部分相反。

這導(dǎo)致改進的EMD方法對低頻信號噪聲抑制效果優(yōu)于高頻信號。而且EMD方法計算復(fù)雜度較高，計算時間長。針對泄漏信號頻率范圍與頻帶寬度不固定以及有可能出現(xiàn)多個頻帶的特點，本文提出利用改進的余弦調(diào)制濾波器組(cosinemodulatedfilterbank，CMFB)對泄漏檢測信號進行處理，一方面該方法不需要泄漏信號的先驗知識，另一方面該方法在泄漏信號處于不同頻率段時噪聲抑制效果基本相同，有效地克服了上述文獻中方法的缺點。此外，CMFB的分析濾波器組與綜合濾波器組可以通過對原型濾波器進行余弦變換實現(xiàn)，計算速度較快。

2泄漏定位原理及泄漏信號特征

2．1管道泄漏定位原理埋地管道泄漏定位原理圖如圖1所示。管道泄漏產(chǎn)生的泄漏信號沿管壁、管內(nèi)流體向兩邊傳播，在傳播過程中有噪聲疊加到泄漏信號中。在距離泄漏口分別為LA和LB的位置分別放置傳感器A和B采集泄漏信號。兩個傳感器采集到的信號模型。

2．2泄漏信號特征泄漏信號是由泄漏點處的摩擦、湍流噪聲、空泡噪聲等引起，空泡潰滅會產(chǎn)生較高頻率成分的信號，摩擦和湍流引起的信號頻率成分相對較低，但三者產(chǎn)生的頻率成分相互疊加，使得泄漏信號在頻譜內(nèi)的能量集中度比較高，功率譜分布在某一帶寬范圍內(nèi)［10］。同時泄漏信號的頻譜分布范圍與管道漏點的特征、管道材質(zhì)、管道直徑、管道內(nèi)流體流量和壓力等因素有關(guān)［11］。根據(jù)實際的泄漏檢測實驗發(fā)現(xiàn)，低頻信號是泄漏檢測中最有效的信號，尤其是在檢測距離較遠(yuǎn)時，高頻信號衰減嚴(yán)重，僅低頻信號可以用于泄漏定位。在不同工況情況下，泄漏信號可能分布在多個不同的頻帶上，各個頻帶的寬度并不固定［12］。在埋地管道中能夠用于檢測定位的泄漏信號頻率一般低于2000Hz［13］，且泄漏信號的帶寬在400～500Hz范圍內(nèi)［7］。綜上所述，泄漏信號是一種頻率小于2000Hz，總帶寬為400～500Hz(可能出現(xiàn)多個頻帶的)的隨機信號，但是泄漏信號中心頻率與管道自身的特性和漏點的特征相關(guān)。

3余弦調(diào)制濾波器組噪聲抑制原理

3．1濾波器組設(shè)計因為分析濾波器與綜合濾波器均是原型濾波器利用余弦變換實現(xiàn)，所以原型濾波器設(shè)計的優(yōu)劣直接影響了整個濾波器組的性能。本文在充分考慮通帶截止頻率、阻帶截止頻率和迭代終止條件的前提下，采用使用改進的Parks-McCllean算法設(shè)計原型濾波器［16］。

3．2噪聲抑制通過對管道泄漏信號的分析發(fā)現(xiàn)，管道泄漏信號是一種頻率小于2000Hz，總帶寬為400～500Hz(可能分部在不同頻帶范圍內(nèi))的隨機信號，但是中心頻率與管道自身的特性和漏點的特征相關(guān)。正是由于泄漏信號中心頻率的不確定性，導(dǎo)致對泄漏信號處理較為困難。改進的CMFB方法的噪聲抑制原理是:首先利用分析濾波器組將泄漏檢測信號分解為若干個帶寬相同的子帶信號，則泄漏信號只存在某幾個子帶信號中，若能夠準(zhǔn)確判斷出有效的子帶信號然后利用綜合濾波器組進行合成，則能夠有效地消除噪聲。在實際供水管道泄漏檢測定位中，均是使用兩路傳感器采集泄漏信號，當(dāng)不存在固定干擾或者固定干擾較弱時，可以認(rèn)為兩路傳感器采集到的噪聲是不相關(guān)的，因此可以將其中一路信號作為待分解信號利用分析濾波器組進行分解，另一路信號作為參考信號，通過分解后每個子帶信號與參考信號之間互相關(guān)結(jié)果判斷該子帶信號是否為有效子帶信號。

4余弦調(diào)制濾波器組噪聲抑制效果

針對管道泄漏信號頻率范圍小于2000Hz，采集數(shù)據(jù)是時設(shè)定的采樣頻率為5000Hz，所以設(shè)計的適用于泄漏定位的CMFB的基本參數(shù)為通道數(shù)M=25，原型濾波器階數(shù)N=500，阻帶通帶能量比α=104，迭代終止條件為ε=10－8。原型濾波器幅頻響應(yīng)與分析濾波器組的幅頻響應(yīng)如圖4所示。CMFB的信號失真幅度如圖5所示。由圖5可以看出，信號失真幅度小，可以滿足實際工程應(yīng)用要求。

4．1模擬泄漏信號噪聲抑制效果利用MATLAB產(chǎn)生采樣頻率為5000Hz，數(shù)據(jù)點數(shù)為5000的白噪聲，利用帶寬為400Hz的帶通濾波器對白噪聲進行處理后模擬單帶泄漏信號s(k)(或者利用多個帶通濾波器對白噪聲處理模擬多帶情況)，然后將泄漏信號s(k)疊加一組5000點的白噪聲模擬泄漏檢測信號xA(k)。然后將模擬泄漏信號s(k)右移200個數(shù)據(jù)點，疊加另一組5000點的白噪聲模擬參考信號xB(k)。將模擬泄漏信號的中心頻率從500到1600Hz以100Hz為步長遞增，模擬頻譜在不同范圍內(nèi)的泄漏信號。對模擬泄漏信號xA(k)與xB(k)利用改進的CMFB進行處理，計算xA(k)處理前后信噪比。為了克服廣義互相關(guān)時延估計需要知道信號和噪聲統(tǒng)計特性的缺點，本文采用LMS自適應(yīng)時延估計器來計算兩個信號之間的時延［17］。改進的CMFB方法對模擬泄漏信號的處理結(jié)果如表1、2所示，表1為單帶模擬泄漏信號的處理結(jié)果，表2為多帶模擬泄漏信號的處理結(jié)果。其中f表示有效信號頻率范圍，SNRbe表示處理前仿真信號的信噪比，SNRaf表示處理后的信噪比。圖6、7分別為表1中f=400～800Hz和表2中f=200～400Hz，600～800Hz的模擬泄漏檢測信號xA(k)功率譜密度，模擬泄漏檢測信號xB(k)功率譜密度，模擬泄漏信號s(k)功率譜密度，有效子帶選擇結(jié)果，xA(k)處理后信號功率譜密度和xB(k)處理后信號功率譜密度。由圖6、7可以看出，改進的CMFB方法能夠準(zhǔn)確判斷有效的子帶信號，抑制非模擬泄漏信號頻率段的噪聲。由表1、2可以得到，模擬泄漏信號包含單個或者多個頻段，中心頻率不固定時，使用改進的CMFB方法均能夠有效地抑制噪聲，且信噪比提高幅度基本相同。信噪比提高幅度的平均值約為8dB。

4．2實際管道泄漏定位為了驗證改進的CMFB方法的有效性，對比現(xiàn)有的泄漏檢測信號處理方法(小波與基于互相關(guān)長度結(jié)合方法、改進EMD方法)泄漏定位結(jié)果與改進的CMFB方法進行信號處理后泄漏定位結(jié)果。3種方法的定位結(jié)果如表3所示。其中N表示組別，D表示管道內(nèi)徑，LA與LB分別表示泄漏點距離A與B點的距離，MA、MB、MC分別表示小波與基于互相關(guān)長度結(jié)合方法的定位誤差，改進EMD方法定位誤差和改進的CMFB方法定位誤差。對比表3不同的泄漏信號處理方法的定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CMFB方法定位誤差最小，其次為EMD，小波與基于互相關(guān)長度結(jié)合方法定位效果最差。小波和基于互相關(guān)長度結(jié)合方法由小波、自適應(yīng)線性預(yù)測器和自適應(yīng)線性增強器組成。自適應(yīng)線性預(yù)測器與自適應(yīng)線性增強器的結(jié)構(gòu)完全相同，只是輸出不同。兩者均是用過去若干個觀測信號預(yù)測當(dāng)前信號。預(yù)測結(jié)果與信號之間的關(guān)聯(lián)性相關(guān)，信號之間關(guān)聯(lián)性越強，預(yù)測結(jié)果越準(zhǔn)確，反之，預(yù)測結(jié)果越差。泄漏信號是一種隨機信號，且泄漏信號包含有大量的噪聲，信號之間的關(guān)聯(lián)性較弱，預(yù)測結(jié)果較差導(dǎo)致定位誤差較大。對比改進的EMD方法與改進的CMFB方法可以發(fā)現(xiàn)，兩者有多組的數(shù)據(jù)的定位結(jié)果相同。其中第1、2、3、7、8、13組定位結(jié)果相同是因為當(dāng)泄漏信號處于低頻段時，兩者的去噪效果基本相同。第4、10、11、12組泄漏信號為高頻信號，定位結(jié)果基本相同的原因可能是噪聲與泄漏信號相關(guān)性差，對定位結(jié)果幾乎沒有影響。其它組改進的CMFB方法定位結(jié)果優(yōu)于改進的EMD方法的原因是因為:1)泄漏信號處于高頻時，CMFB方法的去噪能力更強;2)在信噪比較低情況下EMD對有效子帶信號的判斷容易失敗。

5結(jié)論

本文提出的改進的CMFB方法處理泄漏信號，首先利用CMFB中的分析濾波器組將泄漏信號分解成為若干個子帶信號，其次判斷有泄漏信號存在的子帶，最后對有效的子帶信號進行合成，作為泄漏信號進行定位計算。該方法相比于現(xiàn)有的其他信號處理方法具有以下優(yōu)點:1)該方法不需要泄漏信號與噪聲的先驗知識，能夠較大限度地抑制噪聲，提高泄漏檢測信號信噪比;2)該方法在泄漏信號處于不同頻率段時，噪聲抑制效果基本相同;3)CMFB中分析濾波器組與綜合濾波器組是原型濾波器通過余弦變換實現(xiàn)，計算復(fù)雜度低，計算速度快。模擬泄漏信號實驗與實際工程泄漏定位結(jié)果均表明，相比于現(xiàn)有的泄漏信號處理方法，該方法能夠有效抑制噪聲干擾，提高泄漏信號信噪比，使泄漏定位更加準(zhǔn)確。

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作者：史革 文玉梅 李平 郭晨城 郭靖揚 單位：重慶大學(xué)光電工程學(xué)院