管道泄漏声波信号增强方法

摘要

本发明公开了一种管道泄漏声波信号增强方法。该方法包括以下步骤：对通过动态压力变送器获取的管道内部声波信号进行采样，得到长度为M点的一帧待处理声波信号；对一帧待处理声波信号进行低通滤波处理，消除频率高于f

说明书

技术领域

本发明涉及管道泄漏检测技术领域中的信号处理，尤其涉及一种管道泄漏 声波信号增强方法。

背景技术

管道运输是化石能源和危化品输送的主要方式，由于管道老化、腐蚀穿孔 及打孔盗油等原因，管道泄漏时有发生，造成资源损失、环境污染甚至人员伤 亡。因此，管道泄漏检测技术发展至今，依然是国内外学者研究的热点问题之 一。在现有的负压波法、声波法、质量/体积平衡法、分布式光纤法等多种管道 泄漏检测方法中，由于声波传感器频率响应宽、灵敏度高、相关函数峰尖等特 点，在泄漏检测灵敏度和定位精度方面是目前最受认可的泄漏检测方法。声波 法管道泄漏检测的灵敏度受限于泄漏率的大小和泄漏发生的快慢，信号增强是 泄漏检测实践中必要的技术手段。但是传统的小波去噪和EMD分解(Empirical  Mode Decomposition，经验模态分解)方法都无法实现主动的信号增强从而难以 保证稳定的信号增强效果。小波去噪是一种非自适应的信号增强方法，选择不 同的小波基或滤波尺度可能会取得完全相反的信号增强效果；而EMD方法不仅 存在边界效应难以有效克服的问题，而且还要解决选择哪些IMF分量重构信号 的问题。事实上，由于金属管道及其输送介质具有的低频滤波特性、泄漏信号 传播到首末站时其频域分布与管道内部干扰信号的频域分布已经基本重叠，在 抑制噪声的同时泄漏信号的有效成分势必也会受到损失，对于缓慢泄漏和微小 泄漏更是如此。因此，探索一种增强效果稳定的声波信号主动增强方法具有重 大意义。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够有效增强声波信号的管道泄漏声波信号增强 方法。

为实现本发明目的提供的一种管道泄漏声波信号增强方法，包括以下步骤：

对通过动态压力变送器获取的管道内部声波信号进行采样，得到长度为M 点的一帧待处理声波信号；

对所述一帧待处理声波信号进行低通滤波处理，消除频率高于f_c的干扰声 波信号，得到去噪声后声波信号；

根据以下公式对所述去除噪声后声波信号进行增强处理，得到一帧增强后 的声波信号：

$fy\left(t\right)=K_s·{\int }_0^{t}y\left(\tau \right)·d\tau +y\left(t\right)$

其中，y(t)为去噪后声波信号，为y(t)的积分项，K_s为低频增益系 数(K_s≥1)，fy(t)为增强后的声波信号。

作为一种管道泄漏声波信号增强方法的可实施方式，所述M＝2N，其中N 为正整数，所述一帧待处理声波信号包括N点历史数据和N点实时数据，所述 N点历史数据的最后一点历史数据时间上在所述N点实时数据的第一点实时数 据之前，且所述最后一点历史数据与所述第一点实时数据为两个连续的采样点。

作为一种管道泄漏声波信号增强方法的可实施方式，将所述N点实时数据 作为当前帧待处理声波信号的下一帧待处理声波信号的N点历史数据。

作为一种管道泄漏声波信号增强方法的可实施方式，所述动态压力变送器 包括顺次连接的声波传感器、电荷放大器、较好的还包括一级电压放大电路、 低通滤波器、二级电压放大电路及V/I变换单元；

且所述声波传感器介入式安装在所进行泄漏检测的管道上，适用于感测管 道内部的声波变化。

作为一种管道泄漏声波信号增强方法的可实施方式，所述方法通过远程终 端单元对所述动态压力变送器获取的管道内部声波信号以预设采样频率进行 A/D转换。

作为一种管道泄漏声波信号增强方法的可实施方式，步骤对所述一帧待处 理声波信号进行低通滤波处理，消除频率高于fc的干扰声波信号；本发明的有 益效果包括：本发明提供的管道泄漏声波信号增强方法，其能够补偿动态压力 变送器输出中缺失的反映声波信号低频响应特性的积分项，对管道泄漏声波信 号有稳定、显著的增强效果，而对管道内部正常声波信号并无影响，提高管道 泄漏声波信号的信噪比。使用本发明处理后的声波信号进行管道泄漏判断，能 够有效降低泄漏检测中的误报率和漏报率。且进行信号增强处理时，参数选择 简单、计算量小，整个处理方法实施的实时性非常强。

附图说明

图1为本发明一种管道泄漏声波信号增强方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明一种管道泄漏声波信号增强方法的一具体实施例中通用的动 态压力变送器中的信号流图；

图3为本发明一种管道泄漏声波信号增强方法的一具体应用实例中含有管 道泄漏声波信号的一帧原始数字声波信号；

图4为图3中的原始数字声波信号经过低通滤波后的声波信号；

图5为图4中的声波信号经过管道泄漏声波信号增强方法处理后得到的增 强后的管道泄漏声波信号。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本 发明的管道泄漏声波信号增强方法的具体实施方式进行说明。应当理解，此处 所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例的管道泄漏声波信号增强方法，如图1所示，包括以下步 骤：

S100，对通过动态压力变送器获取的管道内部声波信号进行采样，得到长 度为M点的一帧待处理声波信号。

其中，用于获取并传输所检测的管道内部声波信号的动态压力变送器可由 顺次电连接的声波传感器、电荷放大器、较好的还包括一级电压放大电路、低 通滤波器、二级电压放大电路及V/I变换单元组成。其中，如图2所示，电荷放 大器作为管道泄漏声波信号传输部分的前置放大单元，一级电压放大电路、低 通滤波器及二级电压放大电路共同构成管道泄漏声波信号传输部分的信号调理 单元，所述V/I变换单元构成动态压力变送器的信号变送单元。声波传感器采用 介入式安装方式通过安装孔安装在实施泄漏检测的管道内部，并感测管道内部 的声波信号的变化。具体的，声波传感器可采用压电式压力传感器，通过安装 孔安装在管道上，并使传感器端面与被测管道内的介质相接触，从而获取所检 测管道内部的声波信号。声波信号经过电荷放大器的电荷放大及一级电压放大 电路放大后进入到低通滤波器进行初步的噪声滤除，之后声波信号再经过二级 电压放大电路进行信号放大，最后再经过V/I变换单元将电压形式的声波信号转 换成4-20mA的电流信号传输至远程终端单元(RTU，Remote Terminal Unit)。 此处的电流信号作为前述的管道内部声波信号。电流信号在远程终端单元中经 过采样电阻后，再通过A/D转换单元以预设采样频率采样得到声波信号的数字 信号。数字信号可经过微处理器AT91SAM9261 ARM处理后通过网络接口上传 至监控计算机中存储并处理。当然也可采用其他具有类似功能的微处理器对数 字信号进行处理。本领域技术人员可以理解，本发明实施例的管道泄漏声波信 号增强方法除步骤S100获取数字形式的管道泄漏声波信号外，其他的步骤都可 在监控计算机或其他具有计算功能的处理器中进行。

此处需要说明的是，本发明实施例中的管道内部声波信号是指所检测到的 管道内的所有声波信号，而不是特指管道发生泄漏时刻，或者一定包含管道已 经发生泄漏的声波信号。通过本发明实施例的方法对所检测到的管道内部声波 信号进行处理后，根据处理后的数据能更准确的确定所检测的管道是否发生了 泄漏。

而对于采样频率，可根据后续进行数据处理的处理器的能力确定。对于较 高处理能力的处理器可采用较高的采样频率对模拟信号进行采样。

S200，对所述一帧待处理声波信号进行低通滤波处理，消除频率高于f_c的 干扰声波信号，得到去噪声后声波信号。本步骤中，可先将所述一帧待处理声 波信号经过截止频率为f_c的低通数字滤波器以消除高频干扰项，更佳的，可采 用小波去噪的方式代替低通滤波器进行低通滤波处理。

S300，根据公式(1)对所述去除噪声后声波信号进行增强处理，得到增强 后的声波信号：

$fy\left(t\right)=K_s·{\int }_0^{t}y\left(\tau \right)·d\tau +y\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，y(t)为去噪后声波信号，为y(t)的积分项，K_s为低频增益系 数(K_s≥1)，fy(t)为增强后的声波信号。

具体的，在实际计算过程中根据公式(1)进行数值积分可采用梯形积分、 矩形积分及三次样条差值积分等方式。此处用梯形积分公式进行举例说明。采 用梯形积分公式进行数值积分计算时，计算过程如公式(2)所示。

$\left(\begin{array}{c}x\left(1\right)=y\left(1\right),\\ Sy\left(k\right)=\frac{1}{f_s{T}_c}\underset{i=2}{\overset{k}{\Sigma }}\left(\frac{y\left(i\right)+y\left(i-1\right)}{2}\right)\\ x\left(k\right)=m·Sy\left(k\right)+y\left(k\right),k=2,3,\mathrm{...}M\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，y(k)为一帧待处理声波信号中的第k点待处理声波信号，y(1)第1点 待处理声波信号，Sy(k)为对y(k)的积分项，f_s为采样频率，T_c为电荷放大器的时 间常数，m为低频增益系数(m≥1)，x(k)为第k点增强后的管道内部声波信号。

本发明实施例的管道泄漏声波信号增强方法，其能够补偿动态压力变送器 输出中缺失的反映声波信号低频响应特性的积分项，对管道泄漏声波信号有稳 定、显著的增强效果，而对背景噪声并无明显影响，提高管道泄漏声波信号的 信噪比。而且从公式(1)及公式(2)可以看出，进行信号增强处理时，参数 选择简单、计算量小，使整个处理方法实施的实时性非常强。后续根据增强后 的信号进行管道泄漏判断，能够有效降低泄漏检测中的误报率和漏报率。

其中，对于一帧待处理数据的构成，在其中一个实施例中，M为偶数。M＝2N， N为正整数。M点的一帧待处理声波信号中前N点为N点历史数据，后N点为 N点实时数据。所述N点历史数据的最后一点历史数据时间上在所述N点实时 数据的第一点实时数据之前，且所述最后一点历史数据与所述第一点实时数据 为两个连续的采样点。对于N的具体取值，同样可根据具体的计算精度及处理 器的处理能力决定。如对于采样频率f_s＝50Hz的情况可选择M为6000，而N为 3000，即每次对6000点的采样数据进行处理。

将一帧待处理数据分为历史数据和实时数据后，当前帧的待处理数据中的N 点实时数据可作为下一帧待处理数据的N点历史数据，从而使两帧处理数据具 有一定的承接性，能够保证异常信号的完整性。而且采用此种方法能够缩短构 成一帧新的足够点数的待处理信号的时间。加快数据处理的速度，同时也就提 高管道泄漏检测的效率。

需要说明的是，在实际管道泄漏检测中，在管道的首站和末站同时放置声 波传感器时，可分别对首站和末站的声波传感器获得的声波信号采用本发明的 方法进行泄漏信号增强处理，并使用增强处理后的信号进行进一步的管道泄漏 的诊断及泄漏位置的确定。

下面以一个具体实例说明本发明的管道泄漏声波信号增强方法的处理过程 及其信号增强的效果。

如图3所示，为一段含有管道泄漏声波信号的原始数字声波信号(共6000 点信号)。信号的采样精度为12位，采样频率为50Hz。经过db9小波去噪(小 波分解尺度为3)后的信号如图4所示。然后再对图4所示的滤波后的信号应用 公式(2)进行时域梯形积分信号增强(本实例中时域积分的增益系数m＝50) 后信号如图5所示。从图5中可以看出，在第2000点和第3000点之间的管道 泄漏声波信号得到了明显的增强。经计算得出：如图2所示增强前的管道泄漏 声波信号的信噪比为2.8dB，如图5所示的增强后的管道泄漏声波信号的信噪比 为9.7dB，信噪比增强了6.9dB。信号增强效果明显。

本领域技术人员可以理解，为解决发明提出的问题，数据处理部分可以以 计算机程序处理流程为基础，通过计算机执行按上述流程编制的计算机程序， 对管道泄漏声波信号进行信号增强处理。且实现上述实施例方法中的全部或部 分流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一 计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的 流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only  Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。