CN108731886B - 一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，该方法主要包括泄漏声信号互谱相位谱计算和多泄漏源迭代估计两个部分。首先对采集的多泄漏点声信号进行互功率谱分析，并确定信号互谱相位谱及其对应的频点分布。在进行多泄漏源迭代估计时，首先对信号进行广义互相关时延估计，根据时延估计值确定信号互谱相位谱的线性变化线组，使用该线性变化线组分步确定与泄漏点相关的频点。为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的频点移除。经过多次迭代递推计算估计出管道泄漏点的数量和位置。

Description

一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法

技术领域

本发明涉及一种供水管道多泄漏点定位方法，特别是基于迭代递推的管道多泄漏点声定位方法。该方法适用于供水管道泄漏声信号的分析与处理，属于无损检测领域。

背景技术

城市供水管道是现代社会的重要基础设施。但受到环境腐蚀、水压波动以及外界扰动等因素的影响，供水管道泄漏现象时有发生。供水管道的泄漏不仅会造成水资源的浪费，还会冲刷周边地基造成地面塌陷等次生灾害事故，因此，研究管道泄漏的检测理论及方法，实现对管道泄漏的精确定位，对于维护管网的安全运行及避免资源浪费，有重要的理论意义和应用价值。

针对城市管道泄漏检测的需要，目前已发展了多种泄漏检测方法，如探地雷达法、压力梯度法、负压波法以及声学检测法等。相比而言，声学检测法因其使用限制条件少、成本低等特点在管网泄漏检测中具有特殊优势。

在供水管道泄漏声定位检测中，当被检测管道上存在多个泄漏时，常会由于各漏点间泄漏噪声的相互影响而导致无法准确定位。现有的管道泄漏定位模型大多为单点泄漏模型，即假设两传感器之间只有1个漏点。利用常规泄漏定位方法，如广义互相关法、互功率谱法等可以实现管道单点泄漏定位。目前，国内外关于基于声学检测的管道多泄漏点定位模型及方法的研究较为有限。路炜[供水管道泄漏噪声传播特性及泄漏定位技术研究[D].重庆大学,2011]提出基于互谱分析的多点泄漏定位方法，该方法将多信源情况下信号互谱相位谱和相干函数的形态特征进行结合，以此确定各个泄漏点分布的频带，但通常情况下各个泄漏点的频带存在混叠；当泄漏信号的信噪比较低时，信号互谱相位谱和相干函数并无明显特征，该方法的辨识准确率和计算效率会大大降低。高华等[双谱在管道两点泄漏定位模型中的应用[J].纳米技术与精密工程,2009(5):445-450]等将双谱分析的方法应用于燃气管道两点泄漏定位，但它受限于两泄漏信号独立统计、噪声与信号独立的理想假设条件限制，难以应用于实际管道泄漏定位。

实际上，多声源定位一直是语音领域内学者关注的热点问题，该领域的研究可为管道多泄漏点定位提供有益的参考。例如，Rickard等[Blind separation of speechmixtures via time-frequency masking[J].Signal Processing IEEE Transactionson,2004,52(7):1830-1847]基于语音信号的时频掩蔽效应，使用盲源分离的方法实现信号中多个声源的分离。Teutsch等[Robust localization ofmultiple sources inreverberant environments using EB-ESPRIT with spherical microphone arrays[C]//2011IEEE International Conference on Acoustics,Speech and SignalProcessing(ICASSP).IEEE,2011:117-120]用旋转不变参数估计法实现了基于麦克风阵列的多重声源实时定位，该方法在使用时要求麦克风数量大于声源个数，在声源个数较多的情况下则无法进行声源定位。Pavlidi等[Real-Time Multiple Sound SourceLocalization and Counting Using a Circular Microphone Array[J].IEEETransactions on Audio Speech&Language Processing,2013,21(10):2193-2206]通过对不同时频域内的声源波达方向角进行估计，将这些波达方向角使用直方图的方法进行统计，实现了对信号中声源个数的估计。Liu Hong等[Multiple sound source localizationbased on TDOA clustering and multi-path matching pursuit[C]//IEEEInternational Conference onAcoustics,Speech and Signal Processing.IEEE,2017:3241-3245]提出一种基于声源到达时间差聚类分析以及多路径匹配追踪的方法，实现了对多个声源的定位，但在混响环境下声源到达时间差与真实值存在较大偏差，该方法聚类分析的效果并不理想。Rao[A two microphone-based approach for source localizationof multiple speech sources[J].IEEE transactions on audio,speech,and languageprocessing,2010,18(8):1913-1928]等基于语音信号在频域分布的稀疏特性将语音信号信道间相位差进行聚类分析，利用两个麦克风实现了对多重声源的定位，但该方法只在麦克风间距较小的情况下才适用。当两个麦克风相距较远时，两信道语音信号存在相位卷混，此时信号不存在明显的聚类特性，为实现对多重声源的定位，Tsz-Kin Hon等[AnIterative Approach to Source Counting and Localization Using Two DistantMicrophones[J].IEEE/ACM Transactions on Audio,Speech,and Language Processing,2016,24(6):1079-1093]将广义互相关法和信号信道间相位差分析法相结合，利用语音的时频掩蔽效应，提出了一种迭代的方法。通过对信号进行短时傅里叶变换，确定信号信道间相位差对应的时频点分布，在每次迭代时对信号进行广义互相关时延估计，确定并移除与声源相关的时频点，逐步实现对声源位置和个数的估计。

本专利借鉴了Tsz-Kin Hon学者使用双麦克风进行多声源定位的思想，发展一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，用于实现复杂工况下管道多泄漏点的定位。该方法对传感器接收信号间的相位差的求解方式进行改进，减小了信号间相位差的估计偏差。与路炜学者提出的基于互谱分析的多点泄漏定位方法相比，该方法对管道泄漏声信号进行广义互相关时延估计，有效解决了低信噪比情况下管道多泄漏点的辨识和定位问题，具有较强的适用性。该发明为解决强干扰噪声影响下供水管道多泄漏点定位做了有益探索。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法。首先对采集的多泄漏点声信号进行互功率谱分析，并确定信号互谱相位谱以及其对应的频点分布。之后对信号进行广义互相关时延估计，根据时延估计值确定信号相位谱的线性变化线组(包含1条原始的线性变化线及2条有偏的线性变化线)，使用该线性变化线组确定与泄漏点相关的频点。为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的频点移除。经过多次迭代递推计算估计出管道泄漏点的数量和位置。

本发明具有以下优点：1)通过对多泄漏点声信号进行迭代递推处理，将与各个泄漏点相关的信息逐步从信号中移除，实现了管道上泄漏点个数的自适应估计。2)在每次迭代时，对多泄漏点信号进行广义互相关分析，抑制了干扰噪声对信号时延估计影响，该方法实现了广义互相关法与多点泄漏定位模型的有机结合。

本发明采用的技术方案为一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，该方法的基本原理在于：

在泄漏检测实验中，传感器接收到的多个泄漏点声信号的模型简化为

式中x₁(t)与x₂(t)为两个传感器采集的泄漏声信号，i为信号中泄漏点的个数，a_i为泄漏声信号的衰减系数，s_i为第i个泄漏源信号，τ_i为两传感器间信号的时间延迟，n₁(t)与n₂(t)为信号中的噪声成分，假设源信号与噪声信号是互不相关的。

互相关函数在时域描述两传感器信号间的相关性，而互相关函数与互功率谱密度函数是一个傅里叶变换对，即互谱能在频域描述两信号的相关性。使用周期图法计算信号的互功率谱，在计算互功率谱时将信号分成k段，则每段信号的功率谱值表示为

式中为泄漏源信号的自谱。

由信号的互功率谱密度函数得到其相位谱值即在无噪声理想情况下，在源信号频带内随频率呈线性变化，但在实际情况下信号互谱相位谱值存在相位卷绕，因此又表示为

式中τ_kf为信号在频点f处的时延值，且τ_kf∈[τ₁,…,τ_i]，p_f为信号在频点f处的相位卷绕因子。绘制泄漏声信号在不同频率下各段信号互谱相位谱的频点分布图。

利用广义互相关法对泄漏声信号进行处理，确定信号的时延值τ_i。时延估计函数为

式中ψ(k,f)为加权函数，此处ψ(k,f)选取为相位变换权，即

W_snr(k,f)为信噪比权，表达式为

式中λ(k,f)为泄漏信号的信噪比系数，表示为λ(k,f)＝min(snr1,snr2)，λ_TH为泄漏声信号信噪比阈值。两个传感器采集信号的信噪比snr1与snr2表示为

式中为两传感器信号的互功率谱，为两传感器信号的自功率谱。

在估计出泄漏点的时延值τ_i后，根据τ_i确定其对应的互谱相位谱线性变化线(Phase-linear variation line，PVL)，即

由式(3)中相位谱值通过取余运算(mod(2π))获得，它在[-π,π]范围内变化。

求取信号相位谱值的偏移值，即它与该频率处相位谱线性变化值之间的差值。

若ρ(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点。

在噪声影响下，泄漏相关的频点不一定分布在线性变化线附近，即相位谱与线性变化值之间相差较大。为尽可能确定与泄漏相关的所有频点，使用互谱相位谱线性变化线组来确定与泄漏点相关的频点，该线性变化线组由1条原始线性变化线(PVL)和2条有偏的线性变化线(Shift-PVL，PVL的平行线)组成。

信号互谱相位谱值与该频率处的有偏线性变化值之间的差值为

式中δ_q为有偏的线性变化线相对于原始线性变化线的偏移值。

在确定δ_q时，将式(11)在范围内进行全局寻优，即

式(11)表示当取得最佳的偏移值时，有偏线性变化线捕捉到最多的频点，此时所有频点的相位谱值与有偏线性变化线的差值之和最小。

此时，若ρ'(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点。

在确定与某泄漏点相关的频点后，为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的信息从信号中移除，此过程可表示为

式中W_R(k,f)为移除频点时对应的权函数，对于所有与某个泄漏点相关的频点，

令W_R(k,f)＝0。

当所有泄漏点被确定时，泄漏声信号相关函数不会存在明显峰值，相关系数也较低。因此使用泄漏声信号相关函数的品质因数值作为迭代终止的判定准则，即

Q_R(τ)＜Q_TH (13)

式中Q_R(τ)为泄漏声信号相关函数的品质因数，Q_TH为品质因数阈值。相关函数品质因数的定义为

式中R(τ)_max为互相关函数相关系数的最大值，B为带宽，即相关系数超过峰值一半以上对应的时间序列范围。

在泄漏声信号迭代计算时，可能会对同一个泄漏点进行多次估计，因此要进行漏点合并。

|τ_p-τ_q|＜d/c,τ_m←{τ_p,τ_q} (15)

式中d为两泄漏点间距，c为波速，τ_m为两时延值为τ_p与τ_q相近的漏点合并后对应泄漏点的时延值。在实际应用中，可将间距小于0.5m的两泄漏点合并，且最终的结果以这两个泄漏点中相关系数较大者为准，即

本发明提出的一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，是通过以下步骤实现的：

步骤1：在实验系统中进行实验，采集管道多泄漏点声信号。

步骤2：对采集的管道多泄漏点声信号进行互功率谱分析，求取信号的互谱相位谱并确定信号相位谱对应的频点分布。

步骤3：对泄漏声信号进行广义互相关时延估计，确定两传感器间信号的时间延迟值τ_i，τ_i为当前信号中能量最强的泄漏点对应的时延值。

步骤4：根据信号时延值τ_i确定信号互谱相位谱线性变化线组，即1条原始的线性变化线和2条有偏的线性变化线，使用这3条线性变化线分步确定与泄漏点相关的频点。

步骤5：将泄漏声信号中与当前泄漏点相关的频点信息移除。

步骤6：重复步骤3～步骤5，对泄漏声信号中的其他泄漏点进行估计，当泄漏声信号相关函数的品质因数值低于设定阈值时，迭代终止。

步骤7：对所有检测出的泄漏点进行合并，计算最终各个泄漏点的位置和定位误差，实现对多泄漏点个数和位置的估计。

附图说明

图1实验室输水管道泄漏点分布示意图

图2实验采集的多泄漏点声信号波形及频谱图

图3多泄漏点声信号互谱相位谱频点分布图

图4多泄漏点声信号迭代递推结果图

图5多泄漏点声信号定位结果统计表

图6本发明方法的流程图

具体实施方式

下面结合具体实验对本发明作进一步说明：

在实验室搭建输水管道系统，管道为长22m、直径200mm、壁厚5mm的镀锌钢管。将水听器(工作频率为20Hz-50kHz)安置在管道中采集泄漏声信号。两个水听器间距设置为17.51m，其中水听器1与管道左端的间距为2m，在管道上设置了3个泄漏点，将每个泄漏点处的阀门都打开，以此模拟管道多处泄漏，两个水听器接收的信号分别为左、右声道信号，管道上泄漏点的分布及相关信息如图1所示。

本发明提出的一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法的具体步骤为：

步骤1：在如图1所示的实验系统下进行实验，采集管道多泄漏点声信号，信号时长为5s，采样率为5000，多泄漏点声信号的波形及频谱如图2所示。

步骤2：对水听器1和2采集的管道多泄漏点声信号进行互功率谱分析，在进行互谱分析时，信号傅里叶变换点数选取为2048，窗函数选为汉宁窗，重叠率设置为0.75，此时信号被分为15段，信号互谱矩阵大小为1025×15，求取泄漏声信号的互谱相位谱值将进行取余运算(mod(2π))，使其在[-π,π]范围内变化，绘制不同频率下各段信号互谱相位谱的频点分布图，如图3所示。

步骤3：对泄漏声信号进行广义互相关时延估计，确定两传感器间信号的时间延迟值τ_i，τ_i为当前信号中能量最强的泄漏点对应的时延值。在进行广义互相关时延估计时，加权函数为相位变换权，信噪比阈值设置为0dB。

步骤4：根据信号时延值τ_i确定信号互谱相位谱线性变化线组，即1条原始的线性变化线(PVL)和2条有偏的线性变化线(Shift-PVL)。首先利用原始线性变化线捕捉与时延值为τ_i的泄漏点对应的频点，即计算与该频率处相位谱线性变化值之间的差值，即

若ρ(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点。

之后再利用2条有偏线性变化线分别捕捉与时延值为τ_i的泄漏点对应的频点，即

若ρ₁'(k,f,τ_i)与ρ₂'(k,f,τ_i)均小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点。此处泄漏相关频点判定阈值设置为0.55。

步骤5：将步骤4中捕捉到的时延值为τ_i的泄漏点相关的频点移除。

步骤6：重复步骤3～步骤5，对泄漏声信号中的其他泄漏点进行估计，当泄漏声信号相关函数的品质因数值低于设定阈值Q_TH时，迭代终止。此处阈值Q_TH设置为0.5，多泄漏点声信号迭代递推的结果如图4所示。

步骤7：对所有检测出的泄漏点进行合并，计算最终各个泄漏点的位置和定位误差，实现对多泄漏点个数和位置的估计。

将每次迭代中广义互相关估计得到的时延值τ_i代入式子中计算出管道泄漏位置，式中L_i为管道泄漏点与左侧传感器的间距，D为两个传感器的间距，v为管道中泄漏声波的传播速度，通过实验标定获得其大小为1200m/s。

本实验中，多泄漏点声信号经过3次迭代递推计算，信号相关函数品质因数值小于0.5，迭代终止，依次确定出泄漏声信号中含有时延值为0.0012s、0.0048s和-0.0032s的泄漏点。3个泄漏点的信号时延估计值均比较准确，最终的泄漏定位误差均小于1m，多泄漏点声信号的定位结果如图5所示。

本方法的实施流程图如图6所示。

以上是本发明的一个典型应用，本发明的应用不限于此。

Claims (2)

1.一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，其特征在于：

本方法基本原理为：

在泄漏检测实验中，传感器接收到的多个泄漏点声信号的模型简化为

式中x₁(t)与x₂(t)为两个传感器采集的泄漏声信号，i为信号中泄漏点的个数，a_i为泄漏声信号的衰减系数，s_i为第i个泄漏源信号，τ_i为两传感器间信号的时间延迟，n₁(t)与n₂(t)为信号中的噪声成分，假设源信号与噪声信号是互不相关的；

互相关函数在时域描述两传感器信号间的相关性，而互相关函数与互功率谱密度函数是一个傅里叶变换对，即互谱能在频域描述两信号的相关性；使用周期图法计算信号的互功率谱，在计算互功率谱时将信号分成k段，则每段信号的功率谱值表示为

式中为泄漏源信号的自谱；

由信号的互功率谱密度函数得到其相位谱值即在无噪声理想情况下，在源信号频带内随频率呈线性变化，但在实际情况下信号互谱相位谱值存在相位卷绕，因此还能表示为

式中τ_kf为信号在频点f处的时延值，且τ_kf∈[τ₁,…,τ_i]，p_f为信号在频点f处的相位卷绕因子；绘制泄漏声信号在不同频率下各段信号互谱相位谱的频点分布图；

利用广义互相关法对泄漏声信号进行处理，确定信号的时延值τ_i；时延估计函数为

式中ψ(k,f)为加权函数，此处ψ(k,f)选取为相位变换权，即

W_snr(k,f)为信噪比权，表达式为

式中λ(k,f)为泄漏声信号的信噪比系数，表示为λ(k,f)＝min(snr1,snr2)，λ_TH为泄漏声信号信噪比阈值；两个传感器采集信号的信噪比snr1与snr2表示为

式中为两传感器信号的互功率谱，为两传感器信号的自功率谱；

在估计出泄漏点的时延值τ_i后，根据τ_i确定其对应的互谱相位谱线性变化线(Phase-linear variation line，PVL)，即

由式(3)中相位谱值通过取余运算(mod(2π))获得，它在[-π,π]范围内变化；

求取信号相位谱值的偏移值，即偏移值与该频率处相位谱线性变化值之间的差值；

若ρ(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点；

在噪声影响下，泄漏相关的频点不一定分布在线性变化线附近，即相位谱与线性变化值之间相差较大；为尽可能确定与泄漏相关的所有频点，使用互谱相位谱线性变化线组来确定与泄漏点相关的频点，该线性变化线组由1条原始线性变化线(PVL)和2条有偏的线性变化线(Shift-PVL，PVL的平行线)组成；

信号互谱相位谱值与该频率处的有偏线性变化值之间的差值为

式中δ_q为有偏的线性变化线相对于原始线性变化线的偏移值；

在确定δ_q时，将式(11)在范围内进行全局寻优，即

式(11)表示当取得最佳的偏移值时，有偏线性变化线捕捉到最多的频点，此时所有频点的相位谱值与有偏线性变化线的差值之和最小；

此时，若ρ'(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点；

在确定与某泄漏点相关的频点后，为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的信息从信号中移除，表示为

式中W_R(k,f)为移除频点时对应的权函数，对于所有与某个泄漏点相关的频点，

令W_R(k,f)＝0；

当所有泄漏点被确定时，泄漏声信号相关函数不会存在明显峰值，相关系数也较低；因此使用泄漏声信号相关函数的品质因数值作为迭代终止的判定准则，即

Q_R(τ)＜Q_TH (13)

式中Q_R(τ)为泄漏声信号相关函数的品质因数，Q_TH为品质因数阈值；相关函数品质因数的定义为

式中R(τ)_max为互相关函数相关系数的最大值，B为带宽，即相关系数超过峰值一半以上对应的时间序列范围；

在泄漏声信号迭代计算时，可能会对同一个泄漏点进行多次估计，因此要进行漏点合并；

|τ_p-τ_q|＜d/c,τ_m←{τ_p,τ_q} (15)

式中d为两泄漏点间距，c为波速，τ_m为两时延值为τ_p与τ_q相近的漏点合并后对应泄漏点的时延值；在实际应用中，将间距小于0.5m的两泄漏点合并，且最终的结果以这两个泄漏点中相关系数较大者为准，即

2.根据权利要求1所述的一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，其特征在于：

该方法是通过以下步骤实现的：

步骤1：搭建输水管道系统，采集管道多泄漏点声信号；

步骤2：对采集的管道多泄漏点声信号进行互功率谱分析，求取信号的互谱相位谱并确定信号相位谱对应的频点分布；

步骤3：对泄漏声信号进行广义互相关时延估计，确定两传感器间信号的时间延迟值τ_i，τ_i为当前信号中能量最强的泄漏点对应的时延值；

步骤4：根据信号时延值τ_i确定信号互谱相位谱线性变化线组，即1条原始的线性变化线和2条有偏的线性变化线，使用这3条线性变化线分步确定与泄漏点相关的频点；

步骤5：将泄漏声信号中与当前泄漏点相关的频点信息移除；

步骤6：重复步骤3～步骤5，对泄漏声信号中的其他泄漏点进行估计，当泄漏声信号相关函数的品质因数值低于设定阈值时，迭代终止；

步骤7：对所有检测出的泄漏点进行合并，计算最终各个泄漏点的位置和定位误差，实现对多泄漏点个数和位置的估计。