采用余弦调制滤波器组泄漏检信号处理研究 .pdf

第 3 6卷第 1 2期 2 0 1 5年 1 2月 仪 器 仪 表 学 报 C h in e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u me n t Vo 1 3 6 N o 1 2 De c 201 5 采用余 弦调制滤波器组泄漏检信 号处理研究 史革 文玉梅 李平 郭晨城 郭靖扬 重庆大学光电工程学院重庆4 0 0 0 4 4 摘要 供水管道泄漏检测定位 中 定位的不确定度由检测信号的信噪比决定 抑制噪声干扰 提高信噪比 是提高泄漏检测定 位精度的关键 在充分分析泄漏信号特征的基础上 提出将改进的余弦调制滤波器组用于泄漏检测信号的噪声抑制 该方法 利用分析滤波器组将信号分解为若干个带宽相同的子带信号 然后选择有效子带 再通过综合滤波器组将有效子带信号合成 该方法是一种不需要泄漏信号和噪声先验知识的自适应信号处理方法 能够有效抑制噪声 由于余弦调制滤波器分解的特性 即使泄漏信号处于不同频率段时 噪声抑制效果基本相同 处理后信噪 比较处理前平均提高 8 d B左右 实际工程应用验证表 明 该方法去噪处理后的定位结果优于现有各种噪声抑制 信号增强方法的结果 关键词 泄漏定位 余弦调制滤波器组 信噪比 中图分 类号 T N 9 1 1 7 T H 8 6 文献标 识码 A 国家标 准学科分 类代码 5 1 0 4 0 Re s e a r c h o n l e a k d e t e c t io n s ig n a l pr o c e s s ing wit h c o s ine mo d ul a t e d fi l t e r ba n k S h i G e We n Yu me i L i P in g Gu o C h e n c h e n g Gu o J in g y a n g C o l l e g e o f t o e l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g C h o n g q i n g U n i v e r s it y C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 C h i n a Ab s t r a c t T h e u n c e r t a in t y o f l e a k l o c a t io n is d e t e r min e d b y t h e s ig n a l t o n o is e r a t i o S NR o f t h e c o l l e c t e d s ignal i n l e a k d e t e c t io n a n d l O c a t io n of wa t e r d is t r ib u t io n p ip e l in e s a n d S O s u p p r e s s in g n o is e in t e r f e r e n c e a n d imp r o v in g S NR is e s s e n t ia l t o imp r o v e t h e p r e c is io n o f l e a k d e t e c t io n Ba s e d o n t ho r o u g h l y a n aly z ing a n d un d e r s t a nd ing t he c h a r a c t e ri s t ic s of t he l e a k s ign a l the imp r o v e d c o s in e mo d u l a t e d fi l t e r b an k C MF B i s p r o p o s e d a n d u s e d t O s u p p r e s s t h e n o is e i n l e a k d e t e c t i o n s i g n a1 T h i s m e t h o d a d o p t s t h e a n a l y s i s fil t e r b a n k t o d e c o m p o s e t h e s ig n al in t o s e v e r a l s u b b a n d s w it h t h e s a me b a n d wi d t h t h e n s e l e c t s t h e e f f e c t i v e s u b b a n d s a n d t h e s y n t h e s is fi l t e r b a n k iS u s e d t o s y n t h e s iz e t he e f f e c t iv e s u b b a n d s ign a l s t o r e c o n s t ruc t t h e n o is e s u p p r e s s e d s ign a1 This me t h o d is a n a da p t iv e s ig n al pr o c e s s in g me t ho d whic h c a n e f f e c t iv e l y s u p p r e s s n o is e a n d n o t r e q u ir e s t h e p ri o r k n o wl e d g e of t h e l e a k s ign a l a n d n o is e Du e t o t h e f e a t u r e o f C MF B d e c o mp o s it io n t h e n o is e c a n c e l l a t io n e f f e c t s a l e b a s ic all y t h e s a l T l e e v e n if t h e l e a k s ign al is in d if f e r e n t f r e q u e n c y b a n d s A f t e r p r o c e s s in g t h e S NR is im p r o v e d b y a b o u t 8 d B o n a v e r a g e P r a c t ic al e n g in e e ri n g a p p l ic a t io n v e ri fi e s t h a t t h e l e a k l o c a t io n r e s u l t s of t h e p r o p o s e d me t h o d a f t e r d e n o is in g p r o c e s s in g ale b e t t e r tha n t h o s e o b t a in e d u s in g o t h e r c u r r e n t n o is e c a n c e l l a t io n s ign al e n h a n c in g me t h o d s Ke y wo r d s l e a k l o c a t i o n c o s in e m o d u l a t e d fil t e r b a n k C MF B s i g n a l t o n o i s e r a t i o S N R 1 引 言 时延估计是 目前管道泄漏定位 中常用 的方法 H 但 是时延估计 的不确定度 由泄漏 检测信号 的信 噪 比决定 信噪 比越低时延估计误差越大 供水管道泄漏检测定 位 中 泄漏检测信号中混有管道内外的多种噪声 严重影响 收稿 13 期 2 0 1 5 0 8 R e c e i v e d D a t e 2 0 1 5 0 8 了时延估计 的精度 为 了抑制噪声 提高泄漏检测信号信噪 比 研究者提 出了多种方法 文献 5 将小波分析的方法应用于泄漏 检测信号处理 中 泄漏检测信号 经过小 波分解 然后利 用小波 阈值判定有效信号进行重构 但是只有小 波基 函 数与泄漏检测信号匹配且选取合适阈值才能取得较好 的 噪声抑制效果 而这需要知道泄漏检测信号的先验 知识 但泄漏检测信号的先验知识往往是未知 的 文献 6 中 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 8 5 0 仪器仪表学报 第 3 6卷 将 自适应噪声抵消器应用到泄漏检测信号处理 中 该方 法使用一个参考传感器获取管道周 围环境 中的噪声作为 参考信号 然后通过 自适应滤波器抑制 噪声 但是该方 法 1 增加 了检测仪器 的硬 件成本 2 参考传感器 无法 获取管道 内部 噪声 不能 够抑 制管 道 内部 噪声 文献 7 中利用不同带宽信号 的 自相关长度不同的特征抑制 泄漏信号中的宽频噪声和窄带干扰 使用该方法的前提 条件是 1 泄漏信号 宽频 噪声 窄带干扰 的 自相关长度 不 同 2 泄漏信号是单带信号 但是泄漏信号 的频带范 围并不确定 且有 可能包含 多个频带 当泄漏信号包含 多个频带时 每个频带的带宽较窄 这种情况下泄漏信号 的部分成分有可能被当作窄带干扰抑制掉 造成定位误 差增大 以上方法的处理结果都与经验参数相关 这导 致 以上方法使用受到限制 文献 8 提出利用改进 的经 验模态分解 e m p i r i c a l m o d e d e c o m p o s it i o n E MD 方法增 强泄漏检测信号 E M D方法 自适应 地将信号分解 为多 个 固有模态函数 i n t r i n s ic m o d e f u n c t i o n I M F 该方法分 解得到的每个 I M F的频 带宽度不 同 高频部分分解得到 的 I M F数 量较少 每个 I M F频带 较宽 低 频部分 相反 这导致改进的 E M D方法对低频信号噪声抑制效果优于 高频信号 而且 E M D方法计算复杂度较 高 计算时 间长 针对泄漏信号频率范围与频带宽度不 固定 以及有可 能出现多个频带 的特点 本文提 出利用改进 的余 弦调制 滤波器组 c o s i n e mo d u la t e d f i lt e r b a n k C MF B 对泄漏检 测信号进行处理 一方面该方法不需要泄漏信号 的先验 知识 另一方面该方法在泄漏信号处于不同频率段时噪 声抑制效果基本相 同 有效地克服 了上述文献 中方法 的 缺点 此外 C M F B的分析滤 波器组与综合 滤波器组 可 以通过对原型滤波器进行余弦变换实现 计算速度较快 2 泄漏定位原 理及 泄漏信号特征 2 1 管道泄漏定位原理 埋地管道泄漏定位原理图如 图 1所示 管道泄漏产 生的泄漏信号沿管壁 管内流体向两边传播 在传播过程 中有噪声叠加到泄漏信号 中 在距 离泄漏 口分别 为 和 的位置分别放置传感器 A和 B采集泄漏信号 两 个传感器采集到的信号模型如下 一 5 1 8 k O iS k D n 式中 s 表示传 播到 A点 的泄漏信号 1 1 c n c 是两个传感器采集 到的噪声 D是两个传感器接收到泄 漏信号 的时延 是 由于泄漏信 号传播距离不 同造成 的 信号衰减 泄漏点距离 A点的距离 为 L A L v D 2 2 式中 L为传感器 A B之间管道的长度 为泄漏信号传 播的速度 图 l泄漏定位原理图 F ig 1 S c h e ma t ic d ia g r a m o f le a k lo c a t io n 2 2 泄漏信号特征 泄漏信号是 由泄漏点处的摩擦 湍流噪声 空泡噪声 等引起 空泡溃灭会产生较高频率成分的信号 摩擦和湍 流引起的信号频率成分 相对较低 但 三者产生的频率成 分相互叠加 使得泄漏信号在频谱 内的能量 集中度 比较 高 功率谱分布在某一带宽范围内 同时泄漏信号的 频谱分布范围与管道漏点的特征 管道材质 管道直径 管道内流体流量和压力等 因素有关 根据 实际的泄 漏检测实验发现 低频信号是泄漏检测 中最有效的信号 尤其是在检测距离较远时 高频信号衰减严重 仅低频信 号可以用于泄漏定位 在不同工况情况下 泄漏信号可 能分布在多 个不 同 的频带 上 各 个频 带 的宽度 并不 固 定 在埋地管道 中能够用 于检测定位 的泄漏信号频 率一般低于 2 0 0 0 H z 且泄漏信号的带宽在 4 0 0 5 0 0 H z 范 围 内 综 上 所述 泄 漏 信 号 是 一 种 频 率 小 于 2 0 0 0 H z 总带宽为 4 0 0 5 0 0 H z 可能出现多个频带 的 的随机信号 但是泄漏信号 中心频率与管道 自身 的特性 和漏点的特征相关 3 余弦调制滤波器组噪声抑制原理 3 1 滤波器组设计 M通道滤波器 组 的结 构如 图 2所 示 在 C MF B 中 原型滤波器日 n z 是有线性相位的低 通 F I R滤波器 截 止频率 为 r r 2 M 分 析滤波器组 和 综合滤波器组与原型滤波器的关系为 h k n 2 h 咖 s 1 n 一 1 i 0 11 N一1 0 k M 一1 3 g k n 咖 s 1 n 一 一 1 号 0 n N一1 0 k M一1 4 式中 为原 型滤波 器长 度 为滤 波器 组 的通道 数 h n 是原型滤波器的脉冲响应 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 1 2期 史革 等 采用余弦调制滤波器组泄漏检信号处理研究 2 8 5 5 对比表 3不同的泄漏信号处理方法的定位结果发 3 现 C MF B方法定位误差最小 其次 为 E M D 小波 与基 于 互相关长度结合方法定位效果最差 小波和基于互相关 长度结合方法 由小波 自适应线性 预测器和 自适应 线性 增强器组成 自适应线性预测器与 自适应线性增强器的 结构完全相 同 只是输 出不同 两者均是用过去若 干个 J 观测信号预测 当前信号 预测结果与信号之 问的关联性 相关 信号之间关联性越强 预测结果越 准确 反之 预测 结果越差 泄漏信号是一种随机信号 且泄漏信号包含 有大量的噪声 信号之间的关联性较弱 预测结果较差导 致定位误差较大 对 比改进 的 E MD方法与改进 的 C MF B方 法可 以发 现 两者有多组 的数据的定位结果相 同 其 中第 1 2 3 r 7 8 1 3组定位结果 相 同是 因为 当泄漏 信号处 于低频段 时 两者的去噪效果基本相同 第4 1 0 1 1 1 2组泄漏信 号为高频信号 定位结 果基本相 同的原 因可能是噪声 与 泄漏信号相关性差 对定位结 果几乎没有影 响 其它 组 改进的 C M F B方法定位结果优 于改进 的 E MD方法 的原 因是因为 1 泄漏信号处于高频时 C MF B方法 的去噪能 力更强 2 在信噪比较低情况下 E M D对有效子带信号的 7 判断容易失败 5 结 论 本文提出的改进 的 C M F B方法处 理泄漏信 号 首 先 利用 C MF B中的分析滤波器组将泄漏信号分解成为若干 l 8 J 个子带信号 其次判断有泄漏信号存在的子带 最后对有 效 的子带信号进 行合成 作 为泄漏 信号 进行 定位计 算 该方法相比于现有的其他信号处理方法具有以下优点 1 该方法不需要泄漏信号与噪声 的先验 知识 能够较大 限度地抑制噪声 提高泄漏检测信号信噪比 2 该方法在 泄漏信号处于不同频率段时 噪声抑制效果基本相 同 3 C MF B中分析滤波器组与综合 滤波器组是原型滤波器通 过余弦变换实现 计算 复杂度低 计算速度快 模拟泄漏 信号实验与实际工程泄漏定位结果均表明 相比于现有 的泄漏信 号处理方法 该方法能够有效抑制噪声干扰 提 高泄漏信 号信噪 比 使泄漏定位更加准确 参考文献 l u 1 F U C H S H V R I E H L E R T e n y e a r s o f e x p e 6 e n e e w i t h le a k d e t e c t io n b y a c o u s t i c s ig n a l a n a l y s is J A p p l ie d A c o u s t ic s 1 9 9 1 3 3 1 1 1 9 2 G A O Y B R E N N A NM J J O S E P HP F A c o mp a r i s o n o f t ime d e la y e s t ima t o r s f o r t h e d e t e c t io n o f le a k n o is e s ig n a l s in p l a s t i c w a t e r d is t rib u t i o n p ip e s J J o u r n a l o f 1 1 S o u n d a n d Vi b r a t io n 2 0 0 6 2 9 2 3 5 5 2 5 7 0 A L MEI D A F B RENN AN M J OS EP H P e t a 1 On t h e a c o u s t ic fi lt e ri n g o f t h e p ip e a n d s e n s o r in a b u r ie d p la s t ic wa t e r pip e a n d it s e f f e c t o n le a k de t e c t io n An e x p e r ime n t al i n v e s t ig a t i o n J S e n s o r s 2 0 1 4 1 4 3 55 95 5 61 0 LI S W EN Y LI P e t a 1 Le a k lo c a t io n in g a s p ip e lin e s u s in g c r o s s t ime fre q u e n c y s p e c t r u m o f le a k a g e in d u c e d a c o u s t i c v ib r a t io n s J J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n 2 0 1 4 3 3 3 1 7 3 8 8 9 3 9 0 3 WEN Y L I P YANG J e t a1 I n f o r ma t i o n p r o c e s s in g i n b u ri e d p ip e li n e le a k d e t e c t io n s y s t e m C P r o c e e d in g s o f I n t e r na t io na l Co n f e r e nc e o n I n f o r ma t io n Ac qu is it io n 2 00 4 48 9 4 9 3 靳世久 孙家鼎 姜弘彦 等 强环境噪声下地下管道 泄漏 检 测 J 天 津 大 学 学 报 1 9 9 4 2 7 6 78 2 78 7 J I N S H J S U N J D J I AN G H Y Re s e a r c h o n le a k d e t e c t io n o f u n d e r g r o u n d p ip e lin e s w it h s t r o n g e n v ir o n me n t a l n o is e J J o u r n a l o f T i a n j i n U n i v e r s it y 1 9 9 4 2 7 6 7 8 2 7 8 7 文玉梅 谢仁峰 杨进 等 管道泄漏检测 中的噪声 自适应抑 制 J 仪器仪表 学报 2 0 1 2 3 3 1 0 2 2 28 22 3 3 W E N Y XI E R F YANG J e t a 1 Ad a p t iv e n o i s e s u p p r e s s i o n i n p i p e lin e l e a k d e t e c t io n J C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fic I n s t r u m e n t 2 0 1 2 3 3 1 0 2 2 2 8 2 2 3 3 郭晨城 文玉梅 李平 等 采用 E M D的管道泄漏声 信 号 增 强 J 仪 器 仪 表 学 报 2 0 1 5 3 6 6 1 3 9 7 1 4 0 5 GUO C H C H W E N Y M L I P e t a l En h a n c e me n t o f le a k s ig n al s u s i n g E MD in p ip e li n e J C h i n e s e J o u r n a l o f S c ie n t i fi c I n s t r u m e n t 2 0 1 5 3 6 6 1 3 9 7 1 4 0 5 文静 文玉梅 李平 地下管道泄漏检测定位中的时 延估计方 法 J 仪 器 仪表 学报 2 0 0 7 2 8 7 l27 4 1 2 8 0 WEN J WEN Y M L I P T ime d e la y e s t im a t i o n me t h o d fo r le a k a g e l o c a t io n o f b u ri e d w a t e r d i s t rib u t io n p i p e s J C h in e s e J o u r n a l o f S c ie n t i fic I n s t r u m e n t 2 0 0 7 2 8 7 1 2 7 4 1 2 8 0 文玉梅 张雪园 文静 等 依据声信号频率分布和 复杂度的供水管道泄漏 辨识 J 仪 器仪表学报 2 0 1 4 3 5 6 1 2 2 3 1 2 2 9 WE N Y M Z HANG X Y WE N J e t a 1 I d e n t i fi c a t i o n o f pipe line le a k a g e f r o m a c o u s t ic s ig n a l fre q u e n c y d is t r i b u t i o n a n d c o mp le x it y J C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fic I n s t r u me n t 2 0 1 4 3 5 6 1 2 2 3 1 2 2 9 杨进 文玉梅 李平 自来水铸铁管道泄漏声信号频 率特征研究 J 应用声学 2 0 0 6 2 5 1 3 0 3 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 8 5 6 仪器仪表学报 第 3 6卷 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 YANG J WE N Y M L I P S t u d y o n t h e fr e q u e n cy f e a t u r e o f a co u s t i c l e a k s ig n a l i n ca s t i r o n w a t e r d is t r ib u t i o n p ip e s J A p p l i e d A co u s t ics 2 0 0 6 2 5 1 3 0 3 7 文静 供水 管网泄漏 检测定位 中的信 号处理 研 究 D 重庆 重庆大学 2 0 0 7 2 3 3 1 WEN J S i g n a l p r o ce s s i n g f o r l e a k d e t e ct i o n a n d l o ca t i o n o f w a t e r d i s t r i b u t io n p i p e l in e s D C h o n g q i n g C h o n g q in g U n iv e r s it y 2 0 0 7 2 3 3 1 路炜 文玉梅 供水管道泄漏声信号及其传播特 性 J 声学技术 2 0 0 8 2 6 5 8 7 1 8 7 6 LU W W EN Y M L e a k a g e n o is e a nd it s pr o pa g a t io n in w a t e r p i p e l i n e J T e ch n i ca l A co u s t i cs 2 0 0 8 2 6 5 8 71 8 7 6 H E L L E R P N K A R P T N G U Y E N T Q A g e n e r a l f o r m u l a t io n o f m o d u l a t e d f i l t e r b a n k s J I E E E T r a n s a c t io n s o n S ig n a l P r o ce s s i n g 1 9 9 9 4 7 4 9 8 6 1 0 0 2 N G U Y E N T Q K O I L P I L L A I R D T h e t h e o r y a n d d e s i g n o f a r b it r a ry l e n g t h co s in e mo d u l a t e d fi l t e r b a n k s a n d w a v e l e t s s a t i s f y i n g p e r f e ct r e co n s t r u ct i o n J I E E E T r a n s a ct io n s o n S i g n a l P r o ce s s i n g 1 9 9 6 4 4 3 47 3 48 3 李伟 基于余弦调制的子带滤波器