CN103644460A

CN103644460A - 一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法

Info

Publication number: CN103644460A
Application number: CN201310468802.0A
Authority: CN
Inventors: 孟令雅; 刘翠伟; 刘光晓; 王武昌; 李玉星; 方丽萍; 刘超; 钱昊铖; 曹鹏飞
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，该方法包括：泄漏音波信号下降沿长度为信号幅值突降至幅值恢复至零值的信号长度；拟合真实泄漏音波信号时域波形，得到拟合泄漏音波信号；添加噪声信号，获得伪泄漏音波信号；利用预选择的各种滤波方法对伪泄漏音波信号进行滤波处理，得到滤波后波形；计算并获得滤波后信号的评价指标，确定最优滤波方法，以真实泄漏音波信号验证最优滤波方法的有效性。本发明通过满足信噪比评价指标最大、均方根误差评价指标最小并且泄漏下降沿幅值损失评价指标最小，选择最优滤波方法，定量地评价了泄漏音波信号的滤波效果，增大了泄漏音波信号的信噪比，提高了音波法泄漏检测技术的适用性。

Description

一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法

技术领域

本发明属于信号处理与管道安全监控技术领域，尤其涉及一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法。

背景技术

音波法泄漏检测技术使用的传感器为动态压力传感器，传感器以管内流体的压力脉动作为输出值，管道发生泄漏时，管内压力骤降，传感器输出波形形成一个泄漏下降沿，即泄漏发生时刻，信号压力幅值出现一个脉冲下降，随后又迅速恢复至零值附近波动，泄漏下降沿是进行泄漏判断的依据，但其持续时间短，波形变化剧烈，同时，泄漏音波信号在传播过程中存在衰减，加之背景噪声叠加干扰，使得泄漏音波信号的滤波过程变得非常困难。

管道管径、结构和运行环境的不同，导致不同输气管道的泄漏音波信号和背景噪声信号各不相同，一种滤波方法对不同工况下采集到的信号的滤波效果也不相同。

音波法泄漏检测技术的原理以及众多的干扰因素对信号滤波方法提出了较高的要求，单纯寻求一种固定的滤波方法，对不同运行工况的输气管线适用性有限，一种有效的解决方案是综合分析比较各种滤波方法，某一实际工况，选出一种适应性最强、滤波效果最佳的方法。

根据调研结果，现阶段国内外涉及输气管道泄漏音波信号处理的专利主要有：

美国专利US6389881公开了一种利用音波技术进行管道泄漏检测的技术，该技术利用传感器采集管内动态压力，采用模式匹配滤波技术对信号进行滤波处理，排除噪声，降低干扰，提高了定位精度；

中国实用新型专利200820078616.0公开了一种音波泄漏检测装置，传感器采集到的音波信号经前置放大后进行滤波处理，滤波为带通滤波，通过分路数据处理器实现滤波过程；

中国专利200710177617.0公开了一种基于压力信号和音波信号的泄漏检测定位技术，利用神经网络实现音波信号的滤波、特征融合和决策融合处理，采用的滤波方法为中值滤波；

现有的专利较少涉及泄漏音波信号的滤波过程，只是简单提及几种滤波方法，对滤波方法的选择过程没有描述，具体表现为：

（1）对泄漏音波信号的滤波方法缺乏统一的认知，现有专利没有给出采用某一种滤波方法的具体依据；

（2）对泄漏音波信号的滤波只使用一种固定的滤波方法，不能保证滤波效果最优，不能确保滤波方法对不同运行工况下的输气管道均具有适用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，旨在解决现阶段缺乏选择泄漏音波信号滤波方法的问题。

本发明是这样实现的，一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，该输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法包括以下步骤：

步骤一，泄漏音波信号下降沿长度为信号幅值突降至幅值恢复至零值的信号长度；拟合真实泄漏音波信号时域波形，得到拟合泄漏音波信号；

步骤二，添加噪声信号，获得伪泄漏音波信号；

步骤三，利用预选择的各种滤波方法对伪泄漏音波信号进行滤波处理，得到滤波后波形；

步骤四，计算并获得滤波后信号的评价指标，确定最优滤波方法，以真实泄漏音波信号验证最优滤波方法的有效性。

进一步，在步骤一中，真实泄漏音波信号的拟合为多项式拟合，拟合公式：p(n)=a₀+a₁t+a₂t²+…+a_ntⁿ，式中，p(n)为声压，单位kPa，t为泄漏时间，单位s，a₀至a_n为多项式系数，n为阶数，取值为5～10。

进一步，在步骤二中，添加噪声信号的方法为：采集得到输气管线稳定运行时的音波信号，计算得到音波信号的均值和方差，在拟合泄漏音波信号基础上，添加与管线稳定运行音波信号具有相同均值和方差的高斯白噪声。

进一步，在步骤三中，预选择的滤波方法有：傅里叶变换滤波、小波滤波、中值滤波、维纳滤波、FIR滤波器滤波和IIR滤波器滤波。

进一步，预选择的滤波方法的特征参数为：

（1）傅里叶变换滤波通带频率0Hz～100Hz；

（2）小波滤波中小波基为sym8小波，分解层数为5层，阈值选取原则为rigrsure规则，阈值处理原则为二次多项式差值法；

（3）中值滤波窗口长度为

个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；

（4）维纳滤波窗口长度为个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；

（5）FIR滤波器选用Kaiser窗，通带截止频率为30Hz，阻带起始频率为60Hz，通带波纹最大值为0.01，阻带波纹最大值为0.1；

（6）IIR滤波器选用ChebyshevⅡ型滤波器，通带截止频率为30Hz，通带内最大衰减为0.5dB,阻带截止频率为90Hz，阻带内最小衰减为80dB。

进一步，在步骤四中，综合分析比较各种方法的实际滤波效果，计算滤波后的评价指标，滤波信号评价指标为信噪比、均方根误差和信号泄漏下降沿幅值损失百分比。

进一步，信噪比计算公式为：

均方根误差计算公式：

信号泄漏下降沿幅值损失计算公式为：

式中x(i)为拟合泄漏音波信号幅值，单位kPa，

为滤波后的伪泄漏音波信号幅值，单位kPa，minx(i)为拟合泄漏音波信号下降沿幅值极小值，单位kPa，

为滤波后的伪泄漏音波信号下降沿幅值极小值，单位kPa。

进一步，在步骤四中，最优滤波方法满足：信噪比评价指标最大、均方根误差评价指标最小并且泄漏下降沿幅值损失评价指标最小。

本发明提供的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，通过满足信噪比评价指标最大、均方根误差评价指标最小并且泄漏下降沿幅值损失评价指标最小，选择最优滤波方法，填补了现阶段选择泄漏音波信号滤波方法的空白，定量地评价了泄漏音波信号的滤波效果，最大限度地增大了泄漏音波信号的信噪比，提高了音波法泄漏检测技术的适用性。本发明方法简单，操作方便，较好的解决了现阶段缺乏选择泄漏音波信号滤波方法的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的泄漏音波信号滤波及滤波优选方法原理流程图；

图3是本发明实施例提供的拟合泄漏音波信号示意图；

图4是本发明实施例提供的伪泄漏音波信号示意图；

图5a是本发明实施例提供的经傅里叶滤波后的伪泄漏音波信号示意图；

图5b是本发明实施例提供的经小波滤波后的伪泄漏音波信号示意图；

图5c是本发明实施例提供的经中值滤波后的伪泄漏音波信号示意图；

图5d是本发明实施例提供的经维纳滤波后的伪泄漏音波信号示意图；

图5e是本发明实施例提供的经FIR滤波器滤波后的伪泄漏音波信号示意图；

图5f是本发明实施例提供的经IIR滤波器滤波后的伪泄漏音波信号。示意图；

图6是本发明实施例提供的经小波滤波后的实际泄漏音波信号示意图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法包括以下步骤：

S101：在泄漏音波信号下降沿长度内，拟合真实泄漏音波信号时域波形，得到拟合泄漏音波信号；

S102：添加噪声信号，获得伪泄漏音波信号；

S103：利用预选择的各种滤波方法对伪泄漏音波信号进行滤波处理，得到滤波后波形；

S104：计算并获得滤波后信号的评价指标，确定最优滤波方法，以真实泄漏音波信号验证最优滤波方法的有效性；

如图2所示，本发明的具体实施流程为：

音波传感器采集输气管线稳定运行音波信号与泄漏音波信号，输气管线稳定运行时的音波信号视为背景噪声信号；

选择泄漏音波信号下降沿长度，即从信号幅值突降到幅值恢复至零值附近波动的长度作为窗口长度，采用多项式拟合真实泄漏音波信号时域波形，获得拟合泄漏音波信号，多项式拟合公式为：p(n)=a₀+a₁t+a₂t²+…+a_ntⁿ，式中，p(n)为声压，单位kPa，t为泄漏时间，单位s，a₀至a_n为多项式系数，n为阶数，取值为5～10，图3为根据真实信号拟合获得的拟合泄漏音波信号；

计算背景噪声信号均值和方差，在拟合得泄漏音波信号基础上，添加与管线背景噪声信号具有相同均值和方差的高斯白噪声，构造获得伪泄漏音波信号，图4为实际构造的伪泄漏音波信号；

预选择现阶段通用的傅里叶变换滤波、小波滤波、中值滤波、维纳滤波、FIR滤波器滤波和IIR滤波器滤波六种滤波方法分别对伪泄漏音波信号进行滤波，傅里叶变换滤波通带频率0～100Hz；小波滤波中小波基为sym8小波，分解层数为5层，阈值选取原则为rigrsure规则，阈值处理原则为二次多项式差值法；中值滤波窗口长度为

个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；维纳滤波窗口长度为

个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；FIR滤波器选用Kaiser窗，通带截止频率为30Hz，阻带起始频率为60Hz，通带波纹最大值为0.01，阻带波纹最大值为0.1；IIR滤波器选用ChebyshevⅡ型滤波器，通带截止频率为30Hz，通带内最大衰减为0.5dB,阻带截止频率为90Hz，阻带内最小衰减为80dB。图5a～5f为各种滤波方法的实际滤波波形图；

选择信噪比（SNR）、均方根误差（RMSE）和信号泄漏下降沿幅值损失百分比作为滤波效果的评价指标，信噪比计算公式为：

SNR = 10 \lg [\frac{Σ_{i = 1}^{n} x^{2} (i)}{Σ_{i = 1}^{n} {[x^{2} (i) - \hat{x} (i)]}^{2}}],

均方根误差计算公式：

RMSE = \sqrt{\frac{1}{n} Σ_{i = 1}^{n} {[x (i) - \hat{x} (i)]}^{2}},

信号泄漏下降沿幅值损失计算公式为：式中x(i)为拟合泄漏音波信号幅值，单位kPa，

为滤波后的伪泄漏音波信号下降沿幅值极小值，单位kPa，表1为某一实际的泄漏音波信号，运用六种滤波方法进行滤波后的实际评价指标，

表1六种滤波方法滤波效果评价指标

对比表1中的各项数据，小波滤波的信噪比指标最大，均方根误差指标最小，下降沿幅值损失百分比指标最小，小波滤波具有最优滤波效果，选择小波滤波作为最优滤波方法；

利用小波滤波方法对实际泄漏音波信号进行滤波处理，验证滤波效果的实际有效性，图6为经小波滤波后的实际泄漏音波信号，滤波后，泄漏下降沿幅值与平稳噪声幅值比值增大，泄漏特征得到突出，泄漏下降沿噪声干扰减小，泄漏发生时刻清晰明了，小波滤波对实际泄漏音波信号具有良好的滤波效果，选择小波滤波作为此工况条件运行输气管道的最优滤波方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，该输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法包括以下步骤：

步骤二，添加噪声信号，获得伪泄漏音波信号；

2.如权利要求1所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，在步骤一中，真实泄漏音波信号的拟合为多项式拟合，拟合公式：p(n)=a₀+a₁t+a₂t²+…+a_ntⁿ，式中，p(n)为声压，单位kPa，t为泄漏时间，单位s，a₀至a_n为多项式系数，n为阶数，取值为5～10。

3.如权利要求1所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，在步骤二中，添加噪声信号的方法为：采集得到输气管线稳定运行时的音波信号，计算得到音波信号的均值和方差，在拟合泄漏音波信号基础上，添加与管线稳定运行音波信号具有相同均值和方差的高斯白噪声。

4.如权利要求1所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，在步骤三中，预选择的滤波方法有：傅里叶变换滤波、小波滤波、中值滤波、维纳滤波、FIR滤波器滤波和IIR滤波器滤波。

5.如权利要求4所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，预选择的滤波方法的特征参数为：

（1）傅里叶变换滤波通带频率0Hz～100Hz；

（3）中值滤波窗口长度为

个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；

（4）维纳滤波窗口长度为

个采样点，其中f_s为采样频率，单位Hz；

6.如权利要求1所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，在步骤四中，综合分析比较各种方法的实际滤波效果，计算滤波后的评价指标，滤波信号评价指标为信噪比、均方根误差和信号泄漏下降沿幅值损失百分比。

7.如权利要求6所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，信噪比计算公式为：

均方根误差计算公式：

信号泄漏下降沿幅值损失计算公式为：

式中x(i)为拟合泄漏音波信号幅值，单位kPa，为滤波后的伪泄漏音波信号幅值，单位kPa，minx(i)为拟合泄漏音波信号下降沿幅值极小值，单位kPa，

为滤波后的伪泄漏音波信号下降沿幅值极小值，单位kPa。

8.如权利要求1所述的输气管线泄漏音波信号的滤波优选方法，其特征在于，在步骤四中，最优滤波方法满足：信噪比评价指标最大、均方根误差评价指标最小并且泄漏下降沿幅值损失评价指标最小。