一種基于變模式分解的聲發(fā)射管道漏點(diǎn)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種管道漏點(diǎn)的定位方法，尤其是一種基于變模式分解的聲發(fā)射管道 漏點(diǎn)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為提高石油、水等資源的利用效率、減少社會經(jīng)濟(jì)損失、實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展的重 要手段，針對管道漏點(diǎn)的定位問題一直是人們研究的熱點(diǎn)。常見的漏點(diǎn)定位方法可分為兩 大類:一類是傳統(tǒng)的人工診斷方法，即由工作人員利用聽音棒等工具對管道泄漏與否以及 漏點(diǎn)位置進(jìn)行判斷。但該方法對工作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，同時(shí)具有易受環(huán)境干擾、測量誤 差大等特點(diǎn)。另一類是基于信號處理和數(shù)據(jù)分析的檢測方法，通過對管道泄漏時(shí)所產(chǎn)生的 壓力波、管道出入口的流量變化、示蹤氣體、聲音等信號進(jìn)行檢測、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)故 障檢測及定位。其中，基于泄漏聲信號的漏點(diǎn)定位方法由于適用范圍廣，檢測定位速度快， 精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)管道運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)檢測，已成為當(dāng)前主要的檢測手段。其實(shí)質(zhì)為利 用傳感器采集管道泄漏時(shí)所發(fā)射的聲波，在對其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對信號的統(tǒng) 計(jì)特性進(jìn)行提取和分析，而后利用相關(guān)模型判斷管道的漏點(diǎn)位置。
[0003] 然而，在傳感器進(jìn)行聲信號采集的過程中，不可避免的會存在各種噪聲，噪聲的存 在將導(dǎo)致泄漏誤判或定位錯(cuò)誤。噪聲的抑制及消除方法種類較多，傳統(tǒng)的傅里葉分析和小 波變換等時(shí)頻分析方法本質(zhì)上是以線性和平穩(wěn)假設(shè)為基礎(chǔ)的；而對于非線性、非平穩(wěn)信號， 則需要在不知道輸入信號任何先驗(yàn)信息的前提下，依據(jù)其自身特點(diǎn)，自適應(yīng)地進(jìn)行噪聲的 抑制和消除。美國國家宇航局Huang等人提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥mpirical Mode DeC〇mp〇Siti〇n，EMD)，根據(jù)信號本身的局部特征時(shí)間尺度，自適應(yīng)地將其分解為若干個(gè)有 限的從瞬態(tài)尺度(高頻)到粗糙尺度(低頻)的本征模態(tài)函數(shù)之和，而后通過適當(dāng)?shù)厣釛壠渲?的高頻模態(tài)達(dá)到消噪的目的。然而，EMD模式分解的結(jié)果對極值點(diǎn)的尋找方法、估計(jì)載波包 絡(luò)的極值點(diǎn)插值方法，以及循環(huán)終止標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定等因素均有較大的依賴;此外，由于本征模 態(tài)函數(shù)代表了信號的內(nèi)在波動信息，但如何對其作合理的取舍，以達(dá)到在保留有效信號的 前提下提高消噪效果，尚存在一定的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有的漏點(diǎn)聲信號采集過程中消噪效果差，導(dǎo)致管道 漏點(diǎn)定位精度差。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于變模式分解的聲發(fā)射管道漏點(diǎn)定 位方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，利用安裝于管道兩端的聲音傳感器獲取管道泄漏時(shí)所發(fā)射的聲信號；
[0007] 步驟2,分別對獲取的兩路聲信號作變模式分解，根據(jù)預(yù)設(shè)分解模式數(shù)量K，將原始 聲信號分解為K個(gè)中心頻率為cok的固有模態(tài)函數(shù)仙，同時(shí)在分解過程中對各模式進(jìn)行高斯 平滑作消噪處理；
[0008] 步驟3,對消噪處理后的兩路聲信號作互相關(guān)分析，從而獲取兩路聲信號的時(shí)延估 計(jì)；
[0009] 步驟4,根據(jù)所獲得的時(shí)延估計(jì)對漏點(diǎn)位置進(jìn)行定位計(jì)算。
[0010] 利用變模式分解方法對兩路聲信號進(jìn)行處理，可以在保留泄漏點(diǎn)的聲信號本質(zhì)特 征的前提下，消除噪聲對聲信號的干擾;與EMD信號處理方法對比，本發(fā)明的方法具有更高 的魯棒性，通過對濾波后的信號進(jìn)行互相關(guān)分析，可以有效提高漏點(diǎn)定位精度;采用變模式 分解方法可以根據(jù)實(shí)際信號的頻段分布人為設(shè)定模態(tài)個(gè)數(shù)，進(jìn)行模態(tài)估計(jì)，有效避免EMD方 法中的信號過渡分解。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟2中，變模式分解的具體步驟為：
[0012] 步驟2.1，當(dāng)n = 0時(shí)，對{uk}、{ Wk}以及λ進(jìn)行初始化，其中，Uk和叫分別表示各個(gè) 固有模態(tài)函數(shù)及其中心頻率，λ為拉格朗日乘數(shù)；
[0013] 步驟2.2,當(dāng)η = 1時(shí)，令k = l :Κ，分另Ij對Uk、wk以及λ進(jìn)行更新，具體更新1步驟為： [0014] 步驟2.2.1，對于ω 2 〇，迭代更新Uk的倌，具體迭代算法為：
[0015]
[0016] 式中，K為分解模式數(shù)量，/(叫為聲信號f的頻譜，i(?)為固有模態(tài)函數(shù)他的頻譜， 七⑷為λ的頻譜，α為收斂因子，用于數(shù)據(jù)保真約束；
[0017] 步驟2.2.2，迭代更新ω k的值，具體迭代算法為：
[0018]
[0019] 步驟2.2.3，迭代更新λ的值，具體迭代算法為：
[0020]
[0021 ]式中，β為拉格朗日乘數(shù)的更新系數(shù)；
[0022] 步驟2.3，當(dāng)η = η+1時(shí)，重復(fù)執(zhí)行步驟2.2，直到滿足以下迭代停止條件：
[0023]
[0024]其中，ε為收斂門限。
[0025]采用對Uk、cok以及λ進(jìn)行更新迭代的方式進(jìn)行各模態(tài)函數(shù)及其中心頻率的更新，有 效避免了模態(tài)混疊，具有更高的魯棒性，能夠有效增強(qiáng)消噪效果，進(jìn)一步提高了漏點(diǎn)定位精 度。
[0026]作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟2.1中，Uk的初始化為cok的初始化為 ?? =O λ的初始化為λ1 = O。Uk、ω k以及λ的初始值可以隨機(jī)設(shè)置，但是為了避免迭代遺漏，將 全部初始值設(shè)置為〇為優(yōu)選方案。
[0027] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟2.2.1中，分解模式數(shù)量K與待處理信號頻譜 中所包含的峰值數(shù)量一致，收斂因子α設(shè)置為2000。對分解模式數(shù)量和收斂因子進(jìn)行設(shè)置， 能夠有效控制算法的復(fù)雜度，提高漏點(diǎn)定位的效率。
[0028] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟2.3中，收斂門限ε設(shè)置為10-7。對收斂門限進(jìn) 行限定，能夠有效控制算法的復(fù)雜度，提高漏點(diǎn)定位的效率。
[0029]作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟3中，獲取兩路聲信號的時(shí)延估計(jì)的具體步驟 為：
[0030] 步驟3.1，設(shè)定兩端的聲音傳感器所采集的聲信號分別為fA和fB，則其互相關(guān)函數(shù) 可以表示為：
[0031]
[0032] 步驟3.2,利用相關(guān)函數(shù)的最大值求取兩路信號的時(shí)延估計(jì)f為：
[0033]
[0034] 通常應(yīng)用于管道漏點(diǎn)定位的時(shí)延估計(jì)方法主要包括:互相關(guān)、相位譜時(shí)延估計(jì)、自 適應(yīng)時(shí)延估計(jì)等方法。其中，直接互相關(guān)法屬于最傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法，其應(yīng)用也較為普 遍。其實(shí)質(zhì)就是直接計(jì)算兩檢測信號的互相關(guān)函數(shù)，而相關(guān)函數(shù)取最大值時(shí)所對應(yīng)的τ，就 是兩路?目號的時(shí)延估計(jì)。
[0035] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定方案，步驟4中，利用時(shí)延估計(jì)進(jìn)行定位計(jì)算的具體步驟 為：
[0036] 步驟4.1，設(shè)定兩路聲信號f a和fB分別表示為：
[0037]
[0038]
[0039] 式中，Wl和W2為加性高斯噪聲，fA、fB、wi以及W2兩兩不相關(guān)，費(fèi)是聲信號經(jīng)不同路徑 傳播后的信號衰減之比；
[0040] 步驟4.2,設(shè)定漏點(diǎn)與兩端聲音傳感器之間的距離分別為DjPD2,聲信號在管道內(nèi) 介質(zhì)中的傳播速度為V，則滿足下列關(guān)系式：
[0041]
[0042] Di+D2 = D
[0043] 式中，D為兩端聲音傳感器的管道距離；
[0044] 步驟4.3,利用兩路聲信號的時(shí)延估計(jì)f計(jì)算出漏點(diǎn)距其中一個(gè)聲音傳感器的距 離為：
[0045]
[0046]本發(fā)明的有益效果在于：（1)利用變模式分解方法對兩路聲信號進(jìn)行處理，可以在 保留泄漏點(diǎn)的聲信號本質(zhì)特征的前提下，消除噪聲對聲信號的干擾；（2)與EMD信號處理方 法對比，本發(fā)明的方法具有更高的魯棒性，通過對濾波后的信號進(jìn)行互相關(guān)分析，可以有效 提高漏點(diǎn)定位精度；（3)采用變模式分解方法可以根據(jù)實(shí)際信號的頻段分布人為設(shè)定模態(tài) 個(gè)數(shù)，進(jìn)行模態(tài)估計(jì)，有效避免EMD方法中的信號過渡分解。
【附圖說明】
[0047]圖1為本發(fā)明的定位方法流程圖；
[0048]圖2a和2b分別為本發(fā)明的兩端聲音傳感器A和B采集的聲音信號圖；
[0049] 圖3為本發(fā)明的基于時(shí)延估計(jì)的管道漏點(diǎn)定位原理圖；
[0050] 圖4a和4b分別為兩路泄漏聲信號經(jīng)變模式分解后的模式示意圖；
[0051]圖5a和5b分別為兩路信號經(jīng)變模式分解前和分解后所得互相關(guān)函數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0052]如圖1所示，本發(fā)明基于變模式分解的聲發(fā)射管道漏點(diǎn)定位方法，包括如下步驟： [0053]步驟1，利用安裝于管道兩端的聲音傳感器獲取管道泄漏時(shí)所發(fā)射的聲信號，兩端 的聲音傳感器所采集的兩路聲信號波形如圖2a和2b所示，橫坐標(biāo)η為采集信號的樣本點(diǎn)數(shù)， 縱坐標(biāo)A為信號幅值；
[0054]步驟2,分別對獲取的兩路聲信號作變模式分解，根據(jù)預(yù)設(shè)分解模式數(shù)量Κ，將原始 聲信號分解為K個(gè)中心頻率為cok的固有模態(tài)函數(shù)仙，同時(shí)在分解過程中對各模式進(jìn)行高斯 平滑作消噪處理；
[0055] 步驟3,對消噪處理后的兩路聲信號作互相關(guān)分析，從而獲取兩路聲信號的時(shí)延估 計(jì)；
[0056] 步驟4，