供水管網(wǎng)泄漏檢測定位中的信號處理研究.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際應(yīng)用價值。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采集和處理技術(shù)。針對泄漏檢測工程實際環(huán)境中獲取的檢測信號往往信噪比極低，影響和限制了檢測可靠性和定位準(zhǔn)確度這一工程實際問題，論文對信號的采集、去噪和抗噪聲干擾的時延估計進(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，分析了各項現(xiàn)有技術(shù)的局限性以及在實際工程環(huán)境中應(yīng)用所遇到的實際問題，在信號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，開發(fā)了相應(yīng)的算法，對提出的方法進(jìn)行驗證和應(yīng)用。論文的主要研究工作和取得的成果包括： ①針對實際的供水管道，采用時頻分析，功率譜分析和自相關(guān)函數(shù)分析等信號分析方法對各種實際應(yīng)用條件下采集的管道振動信號進(jìn)行了分析，得出關(guān)于泄漏傳感信號中包含的泄

3、漏和干擾噪聲的相關(guān)知識。在此基礎(chǔ)上，建立了描述管道泄漏的信號模型。 ②根據(jù)泄漏檢測系統(tǒng)采用的時延估計定位原理，從建立的傳感泄漏信號模型出發(fā)，推導(dǎo)了用于時延估計的泄漏檢測信號的模型，其表達(dá)不同于以往的相關(guān)檢測中所假設(shè)的信號模型。 ③在信號采集的設(shè)計中，對采樣技術(shù)進(jìn)行了研究。重點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)延時法重構(gòu)周期非均勻采樣信號，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，可以讓信號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)的分析得出讓信號能以Landau率被有效采樣的實現(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際工程環(huán)境中應(yīng)用所遇到的實際問題，針對供水管道泄漏檢測中檢測信號的特點，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與干擾噪聲在相關(guān)時間上

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)來實現(xiàn)。推導(dǎo)去噪后信號的信號噪聲功率密度比與原信號的信號噪聲功率密度比的比值，用其來評估去噪方法的性能。 ⑤分析目前用于管道泄漏檢測中的時延估計方法的優(yōu)缺點，針對管道泄漏檢測中，獲取的信號中必然包含噪聲的工程實際情況，指出采用現(xiàn)有的LMS自適應(yīng)時延估計方法必然是對系統(tǒng)參數(shù)的有偏估計，這使得時延估計性能劣化，在信噪比低時，會嚴(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)時延估計方法，采用雙遞推濾波器(SDF)，即使在輸入信號和參考信號均包含有噪聲時，仍能得到系統(tǒng)響應(yīng)的無偏估計，在此基礎(chǔ)上，可以得到兩個系統(tǒng)之間時延值的無偏估計。應(yīng)用此方法能給出優(yōu)于LMS時延估計以及現(xiàn)有的多種時延估計方法的結(jié)果。 ⑥將論文中提出的EWC-LP-ANC去噪方法和SDF自適應(yīng)時延估計方法用于實際的供水管道泄漏檢測，通過對檢測結(jié)果的分析證實了這兩種方法的采用明顯改善了泄漏檢測