管道洩漏聲波信號增強方法與流程

2023-12-05 07:45:51

本發明涉及管道洩漏檢測技術領域中的信號處理，尤其涉及一種管道洩漏聲波信號增強方法。

背景技術：
管道運輸是化石能源和危化品輸送的主要方式，由於管道老化、腐蝕穿孔及打孔盜油等原因，管道洩漏時有發生，造成資源損失、環境汙染甚至人員傷亡。因此，管道洩漏檢測技術發展至今，依然是國內外學者研究的熱點問題之一。在現有的負壓波法、聲波法、質量/體積平衡法、分布式光纖法等多種管道洩漏檢測方法中，由於聲波傳感器頻率響應寬、靈敏度高、相關函數峰尖等特點，在洩漏檢測靈敏度和定位精度方面是目前最受認可的洩漏檢測方法。聲波法管道洩漏檢測的靈敏度受限於洩漏率的大小和洩漏發生的快慢，信號增強是洩漏檢測實踐中必要的技術手段。但是傳統的小波去噪和EMD分解(EmpiricalModeDecomposition，經驗模態分解)方法都無法實現主動的信號增強從而難以保證穩定的信號增強效果。小波去噪是一種非自適應的信號增強方法，選擇不同的小波基或濾波尺度可能會取得完全相反的信號增強效果；而EMD方法不僅存在邊界效應難以有效克服的問題，而且還要解決選擇哪些IMF分量重構信號的問題。事實上，由於金屬管道及其輸送介質具有的低頻濾波特性、洩漏信號傳播到首末站時其頻域分布與管道內部幹擾信號的頻域分布已經基本重疊，在抑制噪聲的同時洩漏信號的有效成分勢必也會受到損失，對於緩慢洩漏和微小洩漏更是如此。因此，探索一種增強效果穩定的聲波信號主動增強方法具有重大意義。

技術實現要素：
基於此，有必要提供一種能夠有效增強聲波信號的管道洩漏聲波信號增強方法。為實現本發明目的提供的一種管道洩漏聲波信號增強方法，包括以下步驟：對通過動態壓力變送器獲取的管道內部聲波信號進行採樣，得到長度為M點的一幀待處理聲波信號；對所述一幀待處理聲波信號進行低通濾波處理，消除頻率高於fc的幹擾聲波信號，得到去噪聲後聲波信號；根據以下公式對所述去除噪聲後聲波信號進行增強處理，得到一幀增強後的聲波信號：其中，y(t)為去噪後聲波信號，為y(t)的積分項，Ks為低頻增益係數(Ks≥1)，fy(t)為增強後的聲波信號。作為一種管道洩漏聲波信號增強方法的可實施方式，所述M＝2N，其中N為正整數，所述一幀待處理聲波信號包括N點歷史數據和N點實時數據，所述N點歷史數據的最後一點歷史數據時間上在所述N點實時數據的第一點實時數據之前，且所述最後一點歷史數據與所述第一點實時數據為兩個連續的採樣點。作為一種管道洩漏聲波信號增強方法的可實施方式，將所述N點實時數據作為當前幀待處理聲波信號的下一幀待處理聲波信號的N點歷史數據。作為一種管道洩漏聲波信號增強方法的可實施方式，所述動態壓力變送器包括順次連接的聲波傳感器、電荷放大器、較好的還包括一級電壓放大電路、低通濾波器、二級電壓放大電路及V/I變換單元；且所述聲波傳感器介入式安裝在所進行洩漏檢測的管道上，適用於感測管道內部的聲波變化。作為一種管道洩漏聲波信號增強方法的可實施方式，所述方法通過遠程終端單元對所述動態壓力變送器獲取的管道內部聲波信號以預設採樣頻率進行A/D轉換。作為一種管道洩漏聲波信號增強方法的可實施方式，步驟對所述一幀待處理聲波信號進行低通濾波處理，消除頻率高於fc的幹擾聲波信號；本發明的有益效果包括：本發明提供的管道洩漏聲波信號增強方法，其能夠補償動態壓力變送器輸出中缺失的反映聲波信號低頻響應特性的積分項，對管道洩漏聲波信號有穩定、顯著的增強效果，而對管道內部正常聲波信號並無影響，提高管道洩漏聲波信號的信噪比。使用本發明處理後的聲波信號進行管道洩漏判斷，能夠有效降低洩漏檢測中的誤報率和漏報率。且進行信號增強處理時，參數選擇簡單、計算量小，整個處理方法實施的實時性非常強。附圖說明圖1為本發明一種管道洩漏聲波信號增強方法的一具體實施例的流程圖；圖2為本發明一種管道洩漏聲波信號增強方法的一具體實施例中通用的動態壓力變送器中的信號流圖；圖3為本發明一種管道洩漏聲波信號增強方法的一具體應用實例中含有管道洩漏聲波信號的一幀原始數字聲波信號；圖4為圖3中的原始數字聲波信號經過低通濾波後的聲波信號；圖5為圖4中的聲波信號經過管道洩漏聲波信號增強方法處理後得到的增強後的管道洩漏聲波信號。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖對本發明的管道洩漏聲波信號增強方法的具體實施方式進行說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明一實施例的管道洩漏聲波信號增強方法，如圖1所示，包括以下步驟：S100，對通過動態壓力變送器獲取的管道內部聲波信號進行採樣，得到長度為M點的一幀待處理聲波信號。其中，用於獲取並傳輸所檢測的管道內部聲波信號的動態壓力變送器可由順次電連接的聲波傳感器、電荷放大器、較好的還包括一級電壓放大電路、低通濾波器、二級電壓放大電路及V/I變換單元組成。其中，如圖2所示，電荷放大器作為管道洩漏聲波信號傳輸部分的前置放大單元，一級電壓放大電路、低通濾波器及二級電壓放大電路共同構成管道洩漏聲波信號傳輸部分的信號調理單元，所述V/I變換單元構成動態壓力變送器的信號變送單元。聲波傳感器採用介入式安裝方式通過安裝孔安裝在實施洩漏檢測的管道內部，並感測管道內部的聲波信號的變化。具體的，聲波傳感器可採用壓電式壓力傳感器，通過安裝孔安裝在管道上，並使傳感器端面與被測管道內的介質相接觸，從而獲取所檢測管道內部的聲波信號。聲波信號經過電荷放大器的電荷放大及一級電壓放大電路放大後進入到低通濾波器進行初步的噪聲濾除，之後聲波信號再經過二級電壓放大電路進行信號放大，最後再經過V/I變換單元將電壓形式的聲波信號轉換成4-20mA的電流信號傳輸至遠程終端單元(RTU，RemoteTerminalUnit)。此處的電流信號作為前述的管道內部聲波信號。電流信號在遠程終端單元中經過採樣電阻後，再通過A/D轉換單元以預設採樣頻率採樣得到聲波信號的數位訊號。數位訊號可經過微處理器AT91SAM9261ARM處理後通過網絡接口上傳至監控計算機中存儲並處理。當然也可採用其他具有類似功能的微處理器對數位訊號進行處理。本領域技術人員可以理解，本發明實施例的管道洩漏聲波信號增強方法除步驟S100獲取數字形式的管道洩漏聲波信號外，其他的步驟都可在監控計算機或其他具有計算功能的處理器中進行。此處需要說明的是，本發明實施例中的管道內部聲波信號是指所檢測到的管道內的所有聲波信號，而不是特指管道發生洩漏時刻，或者一定包含管道已經發生洩漏的聲波信號。通過本發明實施例的方法對所檢測到的管道內部聲波信號進行處理後，根據處理後的數據能更準確的確定所檢測的管道是否發生了洩漏。而對於採樣頻率，可根據後續進行數據處理的處理器的能力確定。對於較高處理能力的處理器可採用較高的採樣頻率對模擬信號進行採樣。S200，對所述一幀待處理聲波信號進行低通濾波處理，消除頻率高於fc的幹擾聲波信號，得到去噪聲後聲波信號。本步驟中，可先將所述一幀待處理聲波信號經過截止頻率為fc的低通數字濾波器以消除高頻幹擾項，更佳的，可採用小波去噪的方式代替低通濾波器進行低通濾波處理。S300，根據公式(1)對所述去除噪聲後聲波信號進行增強處理，得到增強後的聲波信號：其中，y(t)為去噪後聲波信號，為y(t)的積分項，Ks為低頻增益係數(Ks≥1)，fy(t)為增強後的聲波信號。具體的，在實際計算過程中根據公式(1)進行數值積分可採用梯形積分、矩形積分及三次樣條差值積分等方式。此處用梯形積分公式進行舉例說明。採用梯形積分公式進行數值積分計算時，計算過程如公式(2)所示。其中，y(k)為一幀待處理聲波信號中的第k點待處理聲波信號，y(1)第1點待處理聲波信號，Sy(k)為對y(k)的積分項，fs為採樣頻率，Tc為電荷放大器的時間常數，m為低頻增益係數(m≥1)，x(k)為第k點增強後的管道內部聲波信號。本發明實施例的管道洩漏聲波信號增強方法，其能夠補償動態壓力變送器輸出中缺失的反映聲波信號低頻響應特性的積分項，對管道洩漏聲波信號有穩定、顯著的增強效果，而對背景噪聲並無明顯影響，提高管道洩漏聲波信號的信噪比。而且從公式(1)及公式(2)可以看出，進行信號增強處理時，參數選擇簡單、計算量小，使整個處理方法實施的實時性非常強。後續根據增強後的信號進行管道洩漏判斷，能夠有效降低洩漏檢測中的誤報率和漏報率。其中，對於一幀待處理數據的構成，在其中一個實施例中，M為偶數。M＝2N，N為正整數。M點的一幀待處理聲波信號中前N點為N點歷史數據，後N點為N點實時數據。所述N點歷史數據的最後一點歷史數據時間上在所述N點實時數據的第一點實時數據之前，且所述最後一點歷史數據與所述第一點實時數據為兩個連續的採樣點。對於N的具體取值，同樣可根據具體的計算精度及處理器的處理能力決定。如對於採樣頻率fs＝50Hz的情況可選擇M為6000，而N為3000，即每次對6000點的採樣數據進行處理。將一幀待處理數據分為歷史數據和實時數據後，當前幀的待處理數據中的N點實時數據可作為下一幀待處理數據的N點歷史數據，從而使兩幀處理數據具有一定的承接性，能夠保證異常信號的完整性。而且採用此種方法能夠縮短構成一幀新的足夠點數的待處理信號的時間。加快數據處理的速度，同時也就提高管道洩漏檢測的效率。需要說明的是，在實際管道洩漏檢測中，在管道的首站和末站同時放置聲波傳感器時，可分別對首站和末站的聲波傳感器獲得的聲波信號採用本發明的方法進行洩漏信號增強處理，並使用增強處理後的信號進行進一步的管道洩漏的診斷及洩漏位置的確定。下面以一個具體實例說明本發明的管道洩漏聲波信號增強方法的處理過程及其信號增強的效果。如圖3所示，為一段含有管道洩漏聲波信號的原始數字聲波信號(共6000點信號)。信號的採樣精度為12位，採樣頻率為50Hz。經過db9小波去噪(小波分解尺度為3)後的信號如圖4所示。然後再對圖4所示的濾波後的信號應用公式(2)進行時域梯形積分信號增強(本實例中時域積分的增益係數m＝50)後信號如圖5所示。從圖5中可以看出，在第2000點和第3000點之間的管道洩漏聲波信號得到了明顯的增強。經計算得出：如圖2所示增強前的管道洩漏聲波信號的信噪比為2.8dB，如圖5所示的增強後的管道洩漏聲波信號的信噪比為9.7dB，信噪比增強了6.9dB。信號增強效果明顯。本領域技術人員可以理解，為解決發明提出的問題，數據處理部分可以以電腦程式處理流程為基礎，通過計算機執行按上述流程編制的電腦程式，對管道洩漏聲波信號進行信號增強處理。且實現上述實施例方法中的全部或部分流程可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程序可存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為磁碟、光碟、只讀存儲記憶體(Read-OnlyMemory，ROM)或隨機存儲記憶體(RandomAccessMemory，RAM)等。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。