供水管網(wǎng)泄漏檢測定位中的信號(hào)處理研究.pdf

1、在管道系統(tǒng)的整體監(jiān)控中，泄漏檢測與定位占據(jù)著極其重要的地位，深入研究流體輸送管道泄漏的檢測與定位方法，不但具有重要的理論意義，而且也具有巨大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。cm本文以供水管網(wǎng)的泄漏檢測定位為背景，主要研究泄漏檢測中的信號(hào)采集和處理技術(shù)。針對(duì)泄漏檢測工程實(shí)際環(huán)境中獲取的檢測信號(hào)往往信噪比極低，影響和限制了檢測可靠性和定位準(zhǔn)確度這一工程實(shí)際問題，論文對(duì)信號(hào)的采集、去噪和抗噪聲干擾的時(shí)延估計(jì)進(jìn)行研究。研究工作在課題組已經(jīng)研發(fā)出供水管道泄漏智能

2、檢測定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上展開，充分研究，分析了各項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)的局限性以及在實(shí)際工程環(huán)境中應(yīng)用所遇到的實(shí)際問題，在信號(hào)采集和處理方面提出了具有創(chuàng)新性的方法，并利用采用虛擬儀器技術(shù)的開放式儀器系統(tǒng)平臺(tái)，開發(fā)了相應(yīng)的算法，對(duì)提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用。論文的主要研究工作和取得的成果包括： ①針對(duì)實(shí)際的供水管道，采用時(shí)頻分析，功率譜分析和自相關(guān)函數(shù)分析等信號(hào)分析方法對(duì)各種實(shí)際應(yīng)用條件下采集的管道振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，得出關(guān)于泄漏傳感信號(hào)中包含的泄

3、漏和干擾噪聲的相關(guān)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，建立了描述管道泄漏的信號(hào)模型。 ②根據(jù)泄漏檢測系統(tǒng)采用的時(shí)延估計(jì)定位原理，從建立的傳感泄漏信號(hào)模型出發(fā)，推導(dǎo)了用于時(shí)延估計(jì)的泄漏檢測信號(hào)的模型，其表達(dá)不同于以往的相關(guān)檢測中所假設(shè)的信號(hào)模型。 ③在信號(hào)采集的設(shè)計(jì)中，對(duì)采樣技術(shù)進(jìn)行了研究。重點(diǎn)研究周期非均勻采樣方法，包括其采樣定理，重構(gòu)方法，以及在重構(gòu)中的優(yōu)化子頻帶劃分方法。提出采用加權(quán)延時(shí)法重構(gòu)周期非均勻采樣信號(hào)，可通過減少重構(gòu)濾波器的

4、數(shù)量來減小非理想濾波帶來的重構(gòu)誤差；指出在子頻帶內(nèi)重構(gòu)信號(hào)，可以讓信號(hào)以更低的采樣率被有效采樣，并推導(dǎo)優(yōu)化子頻帶劃分方法；通過對(duì)優(yōu)化子頻帶劃分結(jié)果的通用表達(dá)的分析得出讓信號(hào)能以Landau率被有效采樣的實(shí)現(xiàn)方法。 ④分析目前用于管道泄漏檢測中的去噪方法的局限性以及在實(shí)際工程環(huán)境中應(yīng)用所遇到的實(shí)際問題，針對(duì)供水管道泄漏檢測中檢測信號(hào)的特點(diǎn)，提出一種新的去噪方法，EWC-LP-ANC去噪方法。該方法利用泄漏信號(hào)與干擾噪聲在相關(guān)時(shí)間上

5、的不同將二者分開，通過基于噪聲白化準(zhǔn)則(EWC)的線性預(yù)測(LP)，和自適應(yīng)噪聲抵消(ANC)來實(shí)現(xiàn)。推導(dǎo)去噪后信號(hào)的信號(hào)噪聲功率密度比與原信號(hào)的信號(hào)噪聲功率密度比的比值，用其來評(píng)估去噪方法的性能。 ⑤分析目前用于管道泄漏檢測中的時(shí)延估計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)管道泄漏檢測中，獲取的信號(hào)中必然包含噪聲的工程實(shí)際情況，指出采用現(xiàn)有的LMS自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法必然是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的有偏估計(jì)，這使得時(shí)延估計(jì)性能劣化，在信噪比低時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降低泄漏檢

6、測的性能和定位準(zhǔn)確度。論文提出一種新的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法，采用雙遞推濾波器(SDF)，即使在輸入信號(hào)和參考信號(hào)均包含有噪聲時(shí)，仍能得到系統(tǒng)響應(yīng)的無偏估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，可以得到兩個(gè)系統(tǒng)之間時(shí)延值的無偏估計(jì)。應(yīng)用此方法能給出優(yōu)于LMS時(shí)延估計(jì)以及現(xiàn)有的多種時(shí)延估計(jì)方法的結(jié)果。 ⑥將論文中提出的EWC-LP-ANC去噪方法和SDF自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)方法用于實(shí)際的供水管道泄漏檢測，通過對(duì)檢測結(jié)果的分析證實(shí)了這兩種方法的采用明顯改善了泄漏檢測