CN106594529A - 基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法。对两路敲击信号分别进行预处理；对预处理后的信号取平方；加移动窗分别计算两路敲击信号的短时能量；根据短时能量曲线选取阈值，确定两路敲击信号起始点，计算敲击信号的传播时间；测量敲击信号在同一传播距离下的平均传播时间；对不同传播距离下的平均传播时间进行线性拟合，得到拟合直线，其斜率的倒数就是声速。

Description

基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法

技术领域

本发明属于流体输送管道的泄漏检测定位技术领域，具体涉及一种以数据采集系统为基础的基于短时能量与线性拟合的泄漏信号传播速度(以下简称声速)的测量方法。

背景技术

在流体输送管道的维护中，管道泄漏检测定位技术十分重要。现有的用于管道泄漏检测定位的方法包括基于声发射原理的互相关检测法，以及基于非声发射原理的管道模型法、流量平衡法、压力梯度法、气体追踪法、红外成像法等。其中，基于声发射原理的互相关检测方法因其检测成本低、检测性能高而得到了广泛的应用。

当管道上存在一个漏点的时候，由于管内压力大于管外压力，使得管道内的水向外喷射，形成振动声发射信号，该信号沿着管壁向管道两端传播。互相关检测法通过将两个压电传感器安装在有泄漏的管道的两端，拾取泄漏点发出的声发射信号。对两个压电传感器的输出信号预处理后进行互相关分析，测量出泄漏信号传播到布置在管道两端的两个压电传感器的传播时间差T；再设法得到泄漏声发射信号沿着管壁传播的速度V(以下简称声速)。设安装在管道上的两个压电传感器之间的距离为L，泄漏点在两个压电传感器之间距离其中一个压电传感器的距离为D，根据泄漏点定位公式D＝(L-V*T)/2，就可以确定泄漏点的位置。可见，准确测量声速是确保泄漏点定位精度的关键因素之一。

声速测量的难点在于声速会随着管道的材质、几何特性以及管道周围的环境的不同而变化。目前测量声速的方法主要有三种：经验声速查表法、公式法以及敲击实测法。

在经验声速查表法中，通过统计管道在不同管材、管龄和管径下的经验声速，并根据管道的相关参数，查表得到声速。由于该方法简单方便，适合程序查表处理，重庆大学(杨进.供水管道泄漏检测定位中的信号分析及处理研究[D].重庆大学,博士学位论文，2007.)和华南理工大学(孙凯杰.基于TMS320VC5402的供水管道泄漏检测定位系统设计与实现[D].华南理工大学，硕士学位论文，2014)在研制的相关检测仪中使用了该方法，但是，由于这种方法没有考虑实际环境因素对声速的影响，导致查表得到的声速与实际管道的声速相差较大。

在公式法中，声速取决于管道的弹性模量、管道的直径、管道的厚度、环境温度等物理量。西北工业大学(梁坤鹏,刘志宏,刘彦森,等.泄漏管道中振动波波速特性研究[J].噪声与振动控制,2008,28(5):44-47.)和华中科技大学(刘敬喜,李天匀,刘土光,等.基于波传播方法的埋地管道的振动特性分析[J].固体力学学报,2005,26(2):187-192.)对泄漏信号在管壁上传播的特性进行研究，通过对管道中声速的传播特性进行建模，得到管道声速的计算公式。通过获取发生泄漏管道的这些相关参数，利用建模得到的声速计算公式，从而计算出待测管道的声速。但是，实际供水管道的情况非常复杂，实际上较难得到公式中所需的相关参数的准确值，而且建模得到的公式本身也不一定准确。

在实际中，通常采用敲击法实测管道的声速。敲击法又可以分为负压波法和直接敲击法。负压波法是利用管道内部产生的负压波信号测量声速，而直接敲击法是从管外施加一个冲击来测量声速。

国际商业机器公司(严骏驰,李峻荣,田春华,等.在流体输送管道中估计负压波的波速的方法及装置:CN103822097A[P].2014.)利用流体输送管道的正常操作而产生的负压波信号来测量声速。该方法在阀门的前后各安装3个压电传感器拾取负压波信号；再对这6个压电传感器拾取的6路负压波信号分别进行小波处理去除噪声，提取出负压波信号；然后，确定负压波到达相邻的两个压电传感器的时间差；最后得到波速。

该方法存在的问题是：压电传感器的使用个数较多，在阀门的前后各需要3个压电传感器，共需要6个压电传感器；而且传感器安装的位置受到了阀门位置的限制。另外，为了防止阀门的突然开启或关闭产生的负压波破坏管道系统，正常情况下的阀门开启或关闭都比较缓慢，产生的负压波通常都比较小，不利于声速的测量。

沈阳工业大学(刘博.城市燃气管道漏点检测与定位系统研究[D].沈阳工业大学，硕士学位论文，2007:31-36)通过先将泄漏点堵住给管内加压，然后突然释放泄漏点，产生负压波信号。该方法通过检测负压波信号到达泄漏点两端的两个压电传感器的传播时间差，从而计算得到声速。

该方法存在的问题是：该方法不实用。实际情况下，泄漏点是未知的，当管道存在泄漏时，管内的压强上升不了，从而无法产生负压波信号。

天津大学(耿雪.供水管道漏损的声波检测实验研究[D].天津大学，硕士学位论文，2013:36-37.)和哈尔滨工程大学(姜涛.管道泄漏检测与定位的应用研究[D].哈尔滨工程大学，硕士学位论文，2008:48-50)指出，在实际的应用中，为了提高定位的精度，需要利用直接敲击法实测声速。直接敲击法实测声速是在相距固定长度L的管壁上安装两个压电传感器，敲击其中一个压电传感器外侧的管道，给管道施加一个敲击信号，通过数据采集系统(例如：数字存储示波器)触发并同步采集两个压电传感器拾取的敲击信号，根据这两路敲击信号，运用互相关算法计算出敲击信号在传播距离为L时所用的传播时间T，从而得到声速V＝L/T。但是，文献中没有具体介绍运用直接敲击法测量声速的步骤。

上海申波自来水物探工程技术有限公司(李网宝,吴云波.利用相关仪测定管道传声速度的两种方法[J].城镇供水,2006(3):32-33.)先利用相关仪对管道的声速进行敲击实测，再将实测的声速输入相关检测仪中定位漏点，经挖开验证，准确实现了泄漏点的定位，而采用相关仪自带的经验声速定位漏点则会存在误差。其中，由于敲击信号与泄漏信号的频段一致，所以，可以通过测量敲击信号的声速来得到泄漏信号的声速。

由于敲击信号在管壁上传播时，信号的波形会发生畸变、能量会产生衰减，而且敲击信号在传播的过程中容易受到外界环境噪声和回波的干扰，造成两路压电传感器拾取到的敲击信号的波形相似性差，而互相关算法要求两路信号的波形相似，所以，运用互相关算法计算敲击信号的传播时间会带来较大的误差，进而影响声速的测量。

因此，需要一种能够准确地估计两路敲击信号传播时间的方法，在压电传感器拾取到的两路敲击信号受到的干扰严重、波形相似性差时，也能够准确地估计这两路敲击信号的传播时间，从而准确地测量出声速。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，不受两路敲击信号波形必须相似这一条件的限制，具备较强的抗噪能力。在两路敲击信号受到较为严重的干扰，导致波形相似性差的情况下，也能够准确地估算出两路敲击信号的传播时间，进而测出声速。

具体的技术解决方案如下：

两个压电传感器安装在管道上，两个压电传感器之间的距离为L，由于人为给定的敲击信号是在两个压电传感器的外侧，敲击信号先到达其中一个压电传感器，设到达的时间为t₀，再到达另外一个压电传感器，设到达的时间为t₁。所以，敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T＝t₁–t₀。若能确定敲击信号到达两个压电传感器的起始时刻t₀和t₁，则敲击信号的传播时间不需要通过互相关来计算，从而不要求两路敲击信号的波形相似。由于敲击信号是突变的，具有衰减振荡的特点，因此，可以通过设立阈值来确定敲击信号的起始时刻。

但是，直接通过设立阈值计算两路敲击信号的起始点，利用起始点对应的时间差得到敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，存在三个难点：第一，敲击信号在管壁上传播时能量会衰减，造成两路信号的幅值不一样，阈值要分开设立。第二，起始点处的信号有正有负，阈值的正负比较难以确定。第三，敲击信号是人为给定的，难以把握每次敲击的力度，导致起始点处起始峰的峰值与最大值的比率是变化的，造成直接通过阈值来选取起始点时，阈值的大小不好选取。阈值选得过大，可以能会越过第一个起始峰，将第二个峰值处的点当作起始点；阈值选得过小，容易受到噪声的干扰。

为了解决上述的三个难点，提出运用短时能量的方法处理两路敲击信号，根据两路敲击信号的短时能量曲线，通过设置一个阈值同时确定两路敲击信号的起始点，从而得到敲击信号的传播时间。

为了消除随机误差的影响，固定两个压电传感器之间的距离L进行多次(例如5次)敲击实验，运用短时能量的方法分别计算每次实验中敲击信号的传播时间，再对这些传播时间取平均，计算得到该传播距离下的平均传播时间；

为了进一步减小声速测量的误差，通过多次改变两个压电传感器之间的距离，分别计算每个距离下的平均传播时间，对敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间进行线性拟合，拟合直线的斜率的倒数就是声速。

算法的具体的处理步骤如下：

(1)预处理

对两路压电传感器同步拾取到的敲击信号分别进行低通滤波、去均值和归一化预处理。具体地讲，由于两路压电传感器拾取到的敲击信号中包含各种噪声，所以，对两路敲击信号进行低通滤波处理。为了方便后续数据的处理，再对滤波后的信号去均值。由于敲击信号在管壁上传播时存在能量的衰减，两路压电传感器拾取的敲击信号的幅值不一致，为了能够选取一个统一的阈值，同时计算两路敲击信号的起始点，对两路敲击信号分别归一化处理。去均值后的敲击信号最大幅值可能为正也可能为负，所以，对去均值后的两路敲击信号分别除以其幅值绝对值的最大值进行归一化处理。

(2)取平方

对预处理后的两路敲击信号分别取平方，将去均值后负的信号变成正值。敲击信号经过预处理去均值后，起始点处的起始峰不确定其正负，所以，通过阈值的方法计算敲击信号的起始点时，需要同时考虑正负两种情况。因此，对预处理后的敲击信号取平方处理，这样，在选取阈值时就只需要考虑正值的情况。

(3)加移动窗函数计算短时能量

用一个矩形窗截取预处理并取平方后的敲击信号，并计算局部能量。具体地讲，通过一个长度较短且固定为M点(M为偶数)长度的矩形窗函数去截取平方后从0点到M点这一段的信号，计算矩形窗内的信号之和，得到敲击信号在M/2点处的局部能量E(M/2)。

式中，z(m)是敲击信号预处理并取平方后的信号；w(n)为矩形窗函数，M为窗长；m是求和的变量。

移动矩形窗连续计算局部能量，得到敲击信号的短时能量。即移动截取信号的矩形窗口，分别计算从M/2点到N-M/2点范围内每一点的局部能量(N是采样总点数)，这些局部能量构成了敲击信号的短时能量E(n)。通过敲击信号的短时能量计算过程可以看到，敲击信号和敲击信号的短时能量在M/2点到N-M/2点范围内是一一对应的。所以，可以根据敲击信号的短时能量曲线来计算敲击信号的起始点。

式中，n＝M/2,…,N–M/2。

(4)确定阈值

根据敲击信号的短时能量，选取合适的阈值。具体地讲，先根据其中一路敲击信号的起始峰和其短时能量曲线，确定这路敲击信号的阈值的选取范围；再用同样的方法确定另外一路敲击信号阈值的选取范围。求这两个求得的阈值范围的交集，得到两路敲击信号公共的阈值的选取范围，在这个公共的阈值范围内选取一个值作为最终的阈值。

(5)确定起始点，并计算传播时间

根据短时能量曲线以及(4)中确定的阈值计算敲击信号的起始点。针对短时能量曲线，从M/2点处开始检索，将短时能量曲线上的值与阈值进行比较。由于敲击信号的短时能曲线与敲击信号之间是一一对应的关系，所以，短时能量曲线上比阈值大的第一个点的横坐标就是敲击信号的起始点。

根据两路敲击信号的起始点，计算敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间。由于两路敲击信号是被同步采样的，所以，两路敲击信号起始点之差反映的是敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间。设第一路敲击信号的起始点为n₀，第二路敲击信号的起始点为n₁，两路敲击信号的采样频率为Fs，则两路敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T为

T＝(n₁-n₀)/Fs

(6)测量平均传播时间

为了消除随机误差的影响，固定两个压电传感器之间的距离，进行多次敲击实验，运用上述(1)到(5)的步骤，计算每一次敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，再对这些传播时间取平均，得到在这一距离下的平均传播时间。

(7)线性拟合得到声速

为了进一步提高声速测量的精度，通过多次改变两个压电传感器之间的距离(又称传播距离)，进行敲击实验，运用上述(1)到(6)的步骤，计算敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间；再对敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间运用最小二乘法进行线性拟合，拟合得到的直线的斜率的倒数就是要测量的声速。设运用最小二乘法拟合的直线方程为：T_i＝A*L_i+B，其中，A、B为直线方程的系数，其计算公式为：

式中，L_i和T_i为第i组实验中两个压电传感器之间的距离和敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，为K组两个压电传感器之间距离的平均值，为K组敲击信号在两个压电传感器之间传播时间的平均值。

本发明的有益技术效果体现在以下几方面：

1.本发明不依赖于两路敲击信号的相似性，所以，在实际使用中，该方法具备更强的适应能力。分别独立得到两路敲击信号的起始点，根据两路敲击信号的起始点来确定敲击信号的传播时间，从而与这两路敲击信号之间波形相似性无关。

2.本发明具备较强的抗噪声干扰能力。通过计算敲击信号的短时能量，提高了敲击信号起始点附近敲击信号相对于随机噪声的信噪比，抑制了尖峰毛刺噪声的干扰。在通常情况下，当敲击信号到来之前信号中出现了尖峰毛刺噪声，就无法直接对敲击信号取阈值以确定起始点，然而，计算敲击信号的短时能量可以有效地削除尖峰毛刺噪声，提高信噪比，再根据短时能量曲线来确定敲击信号的起始点，从而解决了直接阈值法存在的问题。

3.本发明根据敲击信号的短时能量曲线，确定一个阈值，就可以同时确定两路敲击信号的起始点。由于敲击信号在传播的过程中存在能量衰减的现象，所以，两个压电传感器同步拾取的敲击信号的幅度不一致。若对敲击信号采用直接阈值法的话，需要对这两路敲击信号分别确定阈值。短时能量法先对两路敲击信号进行归一化处理，再对归一化后的信号计算短时能量，从而选取一个阈值就可以同时确定两路敲击信号的起始点。

4.本发明通过对短时能量法计算得到的敲击信号的传播时间，采取先求平均再线性拟合的方法消除了随机噪声的影响，进一步提高了声速测量的准确性。具体地讲，先通过固定敲击信号的传播距离进行多次实验，分别运用短时能量法计算出敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间并求平均，计算得到平均传播时间；再多次改变敲击信号的传播距离进行敲击实验，得到敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间，再对平均传播时间进行线性拟合得到声速。

附图说明

图1是敲击法实测声速原理示意图。

图2是运用基于短时能量与线性拟合算法实测声速的流程图。

图3是两路压电传感器拾取的敲击信号。

图4是两路压电传感器拾取的敲击信号的细节图。

图5是两路压电传感器拾取的敲击信号预处理后的信号。

图6是两路压电传感器拾取的敲击信号预处理后再平方的信号。

图7是用不同的窗长计算短时能量曲线的对比。

图8是用不同的窗长计算短时能量曲线在起始峰处的对比。

图9是通过对不同传播距离下的传播时间进行线性拟合得到声速。

图10是利用短时能量曲线去除尖峰毛刺噪声的效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

参见图1，敲击法实测声速是在相距一定长度L的管壁上安装两个压电传感器A和B，敲击其中一个压电传感器外侧的管道；通过数据采集系统(例如，数字存储示波器)同步采集两个压电传感器拾取到的两路敲击信号；敲击信号在n₀时刻先到达压电传感器A，经过两个压电传感器之间的距离L后，在n₁时刻到达压电传感器B。设敲击信号的采样频率为Fs，敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T＝(n₁-n₀)/Fs。所以，可以通过测量敲击信号到达两个压电传感器的起始时刻(即敲击信号的起始点)来确定传播时间，进而得到声速V＝L/T。

图2是运用基于短时能量与线性拟合算法实测声速的流程图。先对两个压电传感器拾取到的两路敲击信号分别进行预处理；对预处理后的两路敲击信号分别求平方；再用移动的矩形窗去截取平方后的敲击信号，计算敲击信号的短时能量；由于短时能量曲线与敲击信号之间在时间上是一一对应的，所以，可以根据这两路敲击信号的短时能量曲线选择合适的阈值；根据阈值确定两路敲击信号的起始点；两个起始点之间的时间差就是敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间；为了消除随机误差的干扰，进一步减小声速测量的误差，固定两个压电传感器之间的距离，进行多次实验，得到多个传播时间，并取平均，得到敲击信号在某一传播距离下的平均传播时间；再多次改变两个压电传感器之间的距离进行敲击实验，得到敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间；对敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间进行线性拟合，得到一条直线方程，计算出该直线方程斜率的倒数，就得到了声速。

图3是在实际中同步采集到的两路敲击信号。可见，这两路敲击信号含有噪声波形相似性差，具有衰减振荡的特点。

图4是图3中的两路敲击信号在起始段处的放大图，以便清楚地表示这段信号的细节。由于敲击信号在传播的过程中波形会发生畸变，而且敲击信号容易受到回波的干扰，造成两路敲击信号波形的相似性差，不适合采用互相关算法来计算这两路敲击信号的时间差，所以，通过设立阈值，分别计算两路敲击信号的起始点，计算这两路敲击信号的传播时间差。

通过图4可以看出，若直接根据敲击信号设立阈值计算敲击信号的起始点存在以下难点：

(1)在图4中压电传感器A拾取到的敲击信号的幅值范围约为±8V，压电传感器B拾取的敲击信号的幅值范围约为±3V。可见，敲击信号在传播的过程中存在着能量衰减的现象，造成两路敲击信号的幅值不一致。如果直接对这两路敲击信号通过设立阈值的方法来计算起始点，那么，需要分别设立这两路敲击信号的阈值。

(2)在图4中，压电传感器A拾取到的敲击信号的起始峰为正，压电传感器B拾取到的敲击信号的起始峰为负。可见，敲击信号的起始峰有正也有负。对敲击信号通过设立阈值的方法计算起始点时，需要考虑阈值设立的正负问题。

(3)在图4中，压电传感器A拾取到的敲击信号的最大峰出现在起始峰后的第一个峰值，压电传感器B拾取到的敲击的最大峰出现在起始峰后的第二个峰值，由于敲击信号是人为给定的，敲击的力度较难均衡把握，造成起始峰与最大峰之间的相对位置也是变化的。所以，直接根据敲击信号设立阈值来计算起始点，存在阈值设立没有标准、阈值大小不好确定的问题。

针对寻找敲击信号起始点过程中的三个难点，提出采用基于短时能量与线性拟合的方法处理这两路敲击信号，根据敲击信号的短时能量曲线设立阈值，从而正确地找到两路敲击信号的起始点，以便计算声速。

下面具体介绍该方法的实现步骤：

(1)预处理

先对两个压电传感器同步拾取到的两路敲击信号分别进行预处理，解决两路敲击信号要分别设立阈值的问题。图5是对原始的两路敲击信号分别进行预处理(包括低通滤波、去均值和归一化)后的信号。例如：选择截止频率为10kHz的四阶巴特沃斯低通滤波器，对两路敲击信号分别进行滤波，初步滤除信号中的噪声。由于敲击信号具有衰减振荡的特点，当敲击信号去均值后，敲击信号的最大幅值可能为正也可能为负，所以，对滤波、去均值后的敲击信号分别除以其绝对值的最大值，进行归一化，以便在寻找起始点时能够统一地选取两路敲击信号的阈值。

(2)取平方

对预处理后的两路敲击信号分别求平方，将去均值后幅值为负的信号变成正值，解决设立阈值时存在的幅值可能为正也可能为负的问题。图6是对预处理后的敲击信号取平方后的结果。取平方处理将负值的信号变成正值的信号，这样，在阈值选取时就只需要考虑正值的情况。同时，取平方处理后可以突出幅度较大的有用信号。由于在敲击信号起始点附近，敲击信号的幅度较大，随机噪声的幅度较小，所以，可以有效地削弱随机噪声在敲击信号起始点附近的影响。

(3)加移动窗函数，计算短时能量

用一个移动的矩形窗截取平方后的敲击信号，计算矩形窗内经平方后的敲击信号的短时能量。根据短时能量来选取阈值，方便阈值的设立，解决设立阈值时阈值的大小不好确定的问题。具体地讲，对平方处理后的敲击信号用一个长度较短且固定为M点的矩形窗函数去截取经平方后从0点到M点这段的敲击信号，计算矩形窗内的信号之和，得到敲击信号在M/2点处的局部能量E(M/2)。

式中，z(m)是敲击信号预处理并取平方后的信号；w(n)为矩形窗函数，M为窗长；m是求和的变量。

再移动矩形窗，分别计算从M/2点到N-M/2点范围内每一点信号的局部能量，这些局部能量构成了敲击信号的短时能量E(n)。

式中，自变量n＝M/2,…,N–M/2。

在图7中，分别计算了50点窗的短时能量、100点窗的短时能量、150点窗的短时能量。对敲击信号计算短时能量后，起始峰处的信号在短时能量的曲线中被有效地“放大”。在起始峰处，短时能量曲线相对于处理前的曲线在起始点处，上升的斜率更陡，上升的幅度更大，根据短时能量曲线来确定阈值时，阈值选取的范围更宽。在图4中，压电传感器A拾取的敲击信号的起始峰的峰值小于5V，如果直接根据敲击信号来设立阈值得到起始点，阈值的设立必须小于5，否则将错过起始峰，找到错误的起始点，而根据图7中的短时能量曲线来选取阈值时，阈值的选取范围可以扩大到30V²。

(4)确定阈值

从计算敲击信号的短时能量过程可见，敲击信号和敲击信号的短时能量曲线在M/2点到N-M/2点范围内是一一对应的。所以，可以根据两路敲击信号的短时能量曲线来选择合适的阈值，从而确定两路敲击信号的起始点。将图7中两路信号起始峰处的信号放大如图8所示，在此，先确定计算短时能量的窗长，再根据短时能量曲线来确定阈值。

先确定窗长。对具有一定“周期”的信号通过计算短时能量来确定起始点时，窗长选为信号一个“周期”所占的点数较为合适。例如：在图8中，原始信号在一个峰内约有50个采样点，一个“周期”内包含正负两个峰约占100个采样点。短时能量曲线中的每一个点的值，都是该点的局部能量，相当于在以该点为中心、左右M/2点的矩形窗内，对所有平方后的信号求和。对于窗长为50点的长虚线所示的曲线，当窗口中心移动到起始点处时，左半窗口内的信号为零，由于窗长选取太短，右半窗口内只包括了起始峰处的前25点的能量，而起始峰后面的峰值都比起始峰大，所以，错过了起始点后才出现较大的上升趋势。窗长选为150点时，窗口中心移动到起始点前25点处，就已经得到了全部起始峰50点的能量，提前出现较大的上升趋势。只有当窗长选为100时，从图8中矩形框内短虚线所示的短时能量曲线可以看到，恰好在起始点处计算全部起始峰的能量，准确地反映了起始点所在的位置。

再根据短时能量曲线确定阈值。在确定短时能量曲线的阈值时，可以先根据压电传感器A拾取的敲击信号的起始峰，得到该路信号可选的阈值范围。用同样的方法找到压电传感器B拾取的敲击信号的可选的阈值范围，再取这两路信号阈值范围的交集，得到两路信号共同的阈值范围。例如，在图8中，根据图中压电传感器A拾取的敲击信号的起始峰位置和短虚线所示100窗长的短时能量曲线，确定压电传感器A拾取的敲击信号的阈值范围约为4到15V²，压电传感器B拾取的敲击信号的阈值范围约为4到11V²，则两路信号共同的阈值范围为4到11V²。为此，可以选取5V²为阈值，统一确定两路敲击信号的起始点。

概括地讲，先根据其中一路敲击信号的起始峰和其短时能量曲线，确定这路敲击信号的阈值选取范围；再用同样的方法确定另外一路敲击信号阈值的选取范围；取这两个阈值范围的交集，得到两路敲击信号公共的阈值选取范围；在这个公共的阈值范围内选取一个值作为最终的阈值；用这个阈值去统一确定两路敲击信号的起始点。

(5)确定起始点，并计算传播时间

根据短时能量曲线以及确定的阈值计算敲击信号的起始点。针对短时能量的曲线，从M/2点处开始检索，将短时能量曲线上的值与阈值进行比较。由于敲击信号的短时能量与敲击信号之间是一一对应的，所以，短时能量曲线上比阈值大的第一个点的横坐标就是敲击信号的起始点。

根据两路敲击信号的起始点，计算敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间。由于两路敲击信号是被同步采样的，所以，两路敲击信号起始点之差反映的是敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间。设第一路敲击信号的起始点为n₀，第二路敲击信号的起始点为n₁，两路敲击信号的采样频率为Fs，则两路敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T为

T＝(n₁-n₀)/Fs (3)

(6)测量平均传播时间

为了减小随机误差的影响，固定两个压电传感器之间的距离，进行多次敲击实验，运用短时能量法，计算每一次敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，再对这些传播时间求平均，得到敲击信号在这一传播距离下的平均传播时间。

(7)线性拟合得到声速

为了进一步提高声速测量的准确性，多次改变两个压电传感器之间的距离，进行敲击实验，分别计算敲击信号在不同传播距离(两个压电传感器之间的距离)下的平均传播时间；再对敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间运用最小二乘法进行线性拟合，拟合出的直线的斜率的倒数就是声速。

例如：固定好两个压电传感器之间的距离为0.5m，进行5次敲击实验，运用短时能量的方法，选取窗长M＝100，阈值Y＝5V²，得到5个传播时间，计算其平均值，作为敲击信号在该距离下的平均传播时间；再从0.5m到4m以0.5m为间隔递增地改变压电传感器B的位置，从而改变两个压电传感器之间的距离，分别求出这8个距离下的平均传播时间，得到的结果如表1所示。通过表1中的数据可以看到，在固定敲击信号的传播距离时，通过短时能量的方法计算得到的传播时间具备较好的重复性；在增加敲击信号的传播距离时，通过该方法计算得到的传播时间也具备递增的特点。

表1不同传播距离下的传播时间

图9是对表1中敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间运用最小二乘法进行线性拟合的结果。根据最小二乘法进行线性拟合系数的计算公式为：

式中，L_i和T_i为第i组实验中两个压电传感器之间的距离和敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，为K组两个压电传感器之间距离的平均值，为K组敲击信号在两个压电传感器之间传播时间的平均值。

根据最小二乘拟合公式，得到拟合直线方程为：T_i＝0.6124*L_i+0.00153，对得到的拟合直线进行变换得到L_i＝1.6329*T_i+0.0025，得到声速V＝1.6329km/s。

对本发明专利所提方法进行性能考核，以说明本发明专利所提测量声速方法的有效性。

(1)测量精度

为了定性考核该方法对声速测量的精度，计算拟合直线的过零点。在理想情况下，当两个压电传感器放在同一位置时，两个传感器会同时接收到敲击信号，即传播距离为零时，传播时间为零。所以，可以将拟合直线的过零点作为评价测量结果准确与否的一个标准。例如，对于图9中拟合得到的直线L_i＝1.6329*T_i+0.0025，当传播时间T_i＝0时，得到L_i＝2.5cm。该值比较小，可以近似认为拟合的直线延伸后基本通过原点。

为了定量评价该方法测量结果的可靠性，计算拟合直线的拟合度r-square。

式中，T_i和T1_i分别为第i组实验下待拟合和拟合后的传播时间，为K组待拟合传播时间的平均值。拟合度反映了测量结果的线性程度，拟合度越接近于1，表明测量结果的线性程度越好，拟合得到的结果越可靠。运用短时能量与线性拟合的方法计算图9中拟合直线的拟合度，得到拟合度为0.9974。该值非常接近于1，可见，该方法测得的传播时间线性度高，拟合得到的声速具有较高的可靠性。

(2)抗干扰能力

为了考核短时能量法的抗尖峰毛刺噪声干扰的能力，在压电传感器A输出信号中添加一个宽度为12点的尖峰毛刺噪声，如图10中图(a)所示。可见，由于敲击信号的幅度比起始峰的幅度要大，无法直接通过阈值的方法来寻找敲击信号的起始点。

图10中图(b)是对加噪声后的信号计算其短时能量的结果。可见，由于短时能量法中的移动的矩形窗口对尖峰毛刺噪声有较好的平滑作用，所以，在短时能量曲线中原有的尖峰毛刺噪声被很好地削弱；再根据短时能量曲线，设立合适的阈值，就能够较为准确地找到原始敲击信号中起始峰处的起始点。所以，该算法对尖峰毛刺噪声有一定的抑制能力，能够解决直接阈值法中无法解决的问题。

Claims (8)

1.一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，将两个压电传感器A和B安装在管道上，两个压电传感器之间的距离为L，敲击其中一个压电传感器外侧的管道；通过数据采集系统同步采集两路压电传感器拾取到的敲击信号；敲击信号在n₀时刻先到达压电传感器A，经过两个压电传感器之间的距离L后，在n₁时刻到达压电传感器B；设敲击信号的采样频率为Fs，敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T＝(n₁-n₀)/Fs；通过测量敲击信号到达两个压电传感器的起始时刻来确定传播时间，进而得到声速V＝L/T；其特征在于：

对两个压电传感器拾取到的两路敲击信号分别进行预处理；对预处理后的两路敲击信号分别求平方；用移动的矩形窗去截取平方后的敲击信号，计算敲击信号的短时能量；根据这两路敲击信号的短时能量选择合适的阈值；根据阈值确定两路敲击信号的起始点；两个起始点之间的时间差就是敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间；固定两个压电传感器之间的距离，进行多次实验，得到多个传播时间，并取平均，得到某一距离下的平均传播时间；再多次改变两个压电传感器之间的距离进行敲击实验，得到不同距离下的平均传播时间；针对两个压电传感器之间不同的距离和不同的平均传播时间进行线性拟合，得出一条直线方程；计算出该直线方程斜率的倒数，就得到声速。

2.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：对两个压电传感器同步拾取到的两路敲击信号分别进行低通滤波、去均值和归一化的预处理。

3.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：对预处理后的两路敲击信号分别求平方，将去均值后幅值为负的信号也变成正值。

4.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：用一个移动的矩形窗截取平方后的敲击信号，计算矩形窗内平方后的敲击信号的短时能量；具体地，对平方处理后的敲击信号用一个长度较短且固定为M点的矩形窗函数去截取平方后从0点到M点这一段的敲击信号，计算矩形窗内这些信号之和，得到敲击信号在M/2点处的局部能量E(M/2)；再移动矩形窗，分别计算从M/2点到N-M/2点范围内每一点的局部能量，这些局部能量构成了敲击信号的短时能量E(n)。

5.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：先根据其中一路敲击信号的起始峰和其短时能量曲线，确定这路敲击信号的阈值选取范围；再用同样的方法确定另外一路敲击信号阈值的选取范围；取这两个求得的阈值范围的交集，得到两路敲击信号公共的阈值选取范围；在这个公共的阈值范围内选取一个值作为最终的阈值。

6.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：根据短时能量曲线以及确定的阈值计算敲击信号的起始点；针对短时能量的曲线，从M/2点处开始检索，将短时能量曲线上的值与阈值进行比较；由于敲击信号的短时能量曲线与敲击信号之间在时间上是一一对应的，所以，短时能量曲线上比阈值大的第一个点的横坐标就是敲击信号的起始点；由于两路敲击信号是被同步采样的，所以，两路敲击信号起始点之差就是敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间；设第一路敲击信号的起始点为n₀，第二路敲击信号的起始点为n₁，两路敲击信号的采样频率为Fs，则两路敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间T＝(n₁-n₀)/Fs。

7.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：固定两个压电传感器之间的距离，进行多次敲击实验，计算每一次敲击信号在两个压电传感器之间的传播时间，再对这些传播时间求平均，得到在这一距离下的平均传播时间。

8.如权利要求1所述的一种基于短时能量和线性拟合的泄漏信号传播速度测量方法，其特征在于：通过多次改变两个压电传感器之间的距离，进行敲定实验，计算敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间；再对敲击信号在不同传播距离下的平均传播时间运用最小二乘法进行线性拟合，拟合出的直线斜率的倒数就是要测量的声速。