供水管道泄漏自適應(yīng)檢測及定位信號處理方法研究.pdf

1、供水管道泄漏檢測及定位是一項具有重大經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益的工作。目前基于泄漏聲信號處理的方法——以相關(guān)檢漏儀為代表，被廣泛應(yīng)用于供水管道泄漏檢測與定位中。相關(guān)檢漏儀大多采用廣義互相關(guān)時延估計算法，需要已知或估計信號與噪聲的功率譜設(shè)計相應(yīng)濾波器，譜估計的準確性直接關(guān)系到時延估計器的性能。在實際供水管道泄漏檢測應(yīng)用中，泄漏信號自身的譜特征因管道參數(shù)及埋設(shè)環(huán)境的不同而各異，同時泄漏信號的傳播路徑及環(huán)境中各種噪聲干擾等多種復雜因素的影響，每次檢

2、測時其信號與噪聲的功率譜實際難以獲得，單一因素的差異即會導致譜估計的不準確，從而使整個泄漏檢測失效。
　　 近幾年來，作者所在的研究組將自適應(yīng)時延估計方法引入地下管道的泄漏檢測及漏點定位，實現(xiàn)對不同環(huán)境條件不同泄漏對象的自適應(yīng)檢測和定位。采用自適應(yīng)濾波代替廣義互相關(guān)算法，能夠根據(jù)現(xiàn)場采集信號的實際特征實時更新和調(diào)整，通過自適應(yīng)迭代由濾波器自身的參數(shù)直接得到泄漏聲信號的最優(yōu)相關(guān)結(jié)果，避免了相關(guān)檢漏儀需要知道信號和噪聲譜等先驗知識的

3、不足，使得泄漏檢測儀器具有很好的跟蹤和自適應(yīng)能力，而且計算簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)在線操作，取得了顯著的效果。但由于實際檢漏環(huán)境復雜，自適應(yīng)算法在復雜動態(tài)環(huán)境中的收斂狀態(tài)難以用傳統(tǒng)方法進行判斷；泄漏水聲的干擾因素很多，管道內(nèi)在與外在多種環(huán)境噪聲的疊加使得獲取的泄漏信號信噪比較低，噪聲引入的自適應(yīng)有偏估計對可檢測的信噪比極限及最優(yōu)檢測結(jié)果有影響；另外檢測環(huán)境中各種突發(fā)干擾的發(fā)生，會影響自適應(yīng)算法收斂解的位置。因此，論文提出了自適應(yīng)收斂動態(tài)判斷方法，

4、自適應(yīng)無偏時延估計以及突發(fā)干擾去除方法，相應(yīng)解決自適應(yīng)算法在低信噪比、非平穩(wěn)干擾環(huán)境及其他惡劣工況檢測條件下應(yīng)用時遇到的實際問題，并改善泄漏檢測定位的性能。
　　 論文的具體研究內(nèi)容有：
　　 ①研究了基于自適應(yīng)時延估計的供水管道泄漏檢測定位方法，以及泄漏檢測的定位誤差和時延估計誤差。通過研究指出自適應(yīng)算法在實際復雜環(huán)境及惡劣工況條件下檢測遇到的幾個關(guān)鍵問題，如自適應(yīng)算法在復雜動態(tài)噪聲背景下的收斂判斷，噪聲引入的自適應(yīng)有

5、偏估計問題，以及突發(fā)干擾對自適應(yīng)收斂解位置的影響等，為整個論文的研究工作打下基礎(chǔ)。
　　 ②基于自適應(yīng)濾波器工作在理想最優(yōu)條件時的正交原理，推導出考慮梯度噪聲影響時誤差與輸出實際近似正交的約束條件，根據(jù)每次迭代不斷更新的期望、輸出及誤差信號的均方估計，在線實時判斷自適應(yīng)算法是否收斂，克服了傳統(tǒng)判斷方法的缺點，解決了自適應(yīng)算法在復雜動態(tài)噪聲背景下收斂狀態(tài)的判斷問題。同時，通過在線實時評估自適應(yīng)解的質(zhì)量，在收斂點處選取最優(yōu)估計并停止

6、迭代，保證了自適應(yīng)檢測結(jié)果的可靠性，還提高了迭代處理的效率。實驗結(jié)果表明，動態(tài)判斷收斂方法對平穩(wěn)和非平穩(wěn)檢測環(huán)境均適用，相應(yīng)檢測條件下的自適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)辨識及時延估計的方差因此得到較大改善。
　　 ③針對泄漏檢測中噪聲引入的自適應(yīng)有偏估計，基于Treichler的γ-LMS算法提出一種無偏自適應(yīng)時延估計方法。提出利用最佳逼近原理解釋濾波器中各信號間的幾何關(guān)系，借助傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波器得到的期望輸出信號來估計輸入噪聲功率，應(yīng)用γ-LMS

7、算法在迭代過程中逐步去除輸入噪聲的影響。該無偏估計算法利用自適應(yīng)濾波器可以獲得的信息去除噪聲影響，使最優(yōu)維納解的真實峰值得到增強，改善了低信噪比環(huán)境下的自適應(yīng)時延估計性能。實驗表明，此自適應(yīng)無偏估計算法使可檢測的信噪比極限從原來的-16dB下降至-20dB，通過增強峰值，還能夠抑制檢漏環(huán)境中非平穩(wěn)干擾的影響。
　　 ④研究了泄漏信號與非平穩(wěn)干擾噪聲的可分辨特征，根據(jù)二者產(chǎn)生機理的差別，以及突發(fā)干擾信號特有的局部時頻特性，利用時頻

8、字典匹配搜索的方法來去除來自不同源的不可預測突發(fā)干擾噪聲。構(gòu)建恰當?shù)臅r頻字典表，自適應(yīng)搜索混合信號與字典表中元素最佳匹配或相關(guān)的確定性干擾噪聲成分，分離出該信號，恢復出平穩(wěn)的隨機性泄漏信號。通過同時去除多種突發(fā)干擾源，提高了檢測定位系統(tǒng)在非平穩(wěn)干擾環(huán)境下的抗干擾能力、魯棒性，及檢測結(jié)果的可靠性。
　　 ⑤在研究組基于泄漏聲信號自適應(yīng)時延估計方法構(gòu)建的智能檢漏定位儀器平臺上，將論文中提出的信號處理方法分別應(yīng)用于系統(tǒng)的實際泄漏檢測，

9、通過大量數(shù)據(jù)處理實驗驗證了方法在實際檢測應(yīng)用中的有效性。自適應(yīng)解的實時動態(tài)自評估、無偏自適應(yīng)估計方法和采集信號中自適應(yīng)匹配搜索去除突發(fā)干擾的預處理方法，不僅解決了自適應(yīng)系統(tǒng)在泄漏檢測定位應(yīng)用中遇到的主要問題，而且可以使檢測定位系統(tǒng)的檢測靈敏度，復雜多變噪聲環(huán)境中定位的準確性和穩(wěn)定性，以及對環(huán)境中突發(fā)噪聲的抗干擾能力都有較大的提高。通過實時判優(yōu)，實際迭代時間平均減少至原來將數(shù)據(jù)迭代完畢時所需時間的1/5，實際非平穩(wěn)干擾環(huán)境下的泄漏檢測定位

10、誤差在2米以內(nèi)(大部分在1米以內(nèi))，接近于平穩(wěn)環(huán)境下的檢測結(jié)果；自適應(yīng)無偏估計算法不僅提高了實際的檢測靈敏度，而且可以使自適應(yīng)系統(tǒng)在多變檢漏環(huán)境中的穩(wěn)定性和檢測性能都有明顯提高；在去除突發(fā)干擾改善信號質(zhì)量后，避免自適應(yīng)系統(tǒng)收斂至多個穩(wěn)態(tài)解，提高了系統(tǒng)檢測結(jié)果的可靠性，使得穩(wěn)定后定位誤差范圍減小至去噪前的1/30～1/2，系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性得到增強。上述多種方法綜合運用于智能檢漏定位系統(tǒng)中，使得儀器不受環(huán)境限制，整體定位誤差在1米以