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供水管网泄漏检测定位中的信号处理研究

文静  
【摘要】: 在管道系统的整体监控中,泄漏检测与定位占据着极其重要的地位,深入研究流体输送管道泄漏的检测与定位方法,不但具有重要的理论意义,而且也具有巨大的实际应用价值。㎝ 本文以供水管网的泄漏检测定位为背景,主要研究泄漏检测中的信号采集和处理技术。针对泄漏检测工程实际环境中获取的检测信号往往信噪比极低,影响和限制了检测可靠性和定位准确度这一工程实际问题,论文对信号的采集、去噪和抗噪声干扰的时延估计进行研究。研究工作在课题组已经研发出供水管道泄漏智能检测定位系统的基础上展开,充分研究,分析了各项现有技术的局限性以及在实际工程环境中应用所遇到的实际问题,在信号采集和处理方面提出了具有创新性的方法,并利用采用虚拟仪器技术的开放式仪器系统平台,开发了相应的算法,对提出的方法进行验证和应用。论文的主要研究工作和取得的成果包括: ①针对实际的供水管道,采用时频分析,功率谱分析和自相关函数分析等信号分析方法对各种实际应用条件下采集的管道振动信号进行了分析,得出关于泄漏传感信号中包含的泄漏和干扰噪声的相关知识。在此基础上,建立了描述管道泄漏的信号模型。 ②根据泄漏检测系统采用的时延估计定位原理,从建立的传感泄漏信号模型出发,推导了用于时延估计的泄漏检测信号的模型,其表达不同于以往的相关检测中所假设的信号模型。 ③在信号采集的设计中,对采样技术进行了研究。重点研究周期非均匀采样方法,包括其采样定理,重构方法,以及在重构中的优化子频带划分方法。提出采用加权延时法重构周期非均匀采样信号,可通过减少重构滤波器的数量来减小非理想滤波带来的重构误差;指出在子频带内重构信号,可以让信号以更低的采样率被有效采样,并推导优化子频带划分方法;通过对优化子频带划分结果的通用表达的分析得出让信号能以Landau率被有效采样的实现方法。 ④分析目前用于管道泄漏检测中的去噪方法的局限性以及在实际工程环境中应用所遇到的实际问题,针对供水管道泄漏检测中检测信号的特点,提出一种新的去噪方法,EWC-LP-ANC去噪方法。该方法利用泄漏信号与干扰噪声在相关时间上的不同将二者分开,通过基于噪声白化准则(EWC)的线性预测(LP),和自适应噪声抵消(ANC)来实现。推导去噪后信号的信号噪声功率密度比与原信号的信号噪声功率密度比的比值,用其来评估去噪方法的性能。 ⑤分析目前用于管道泄漏检测中的时延估计方法的优缺点,针对管道泄漏检测中,获取的信号中必然包含噪声的工程实际情况,指出采用现有的LMS自适应时延估计方法必然是对系统参数的有偏估计,这使得时延估计性能劣化,在信噪比低时,会严重降低泄漏检测的性能和定位准确度。论文提出一种新的自适应时延估计方法,采用双递推滤波器(SDF),即使在输入信号和参考信号均包含有噪声时,仍能得到系统响应的无偏估计,在此基础上,可以得到两个系统之间时延值的无偏估计。应用此方法能给出优于LMS时延估计以及现有的多种时延估计方法的结果。 ⑥将论文中提出的EWC-LP-ANC去噪方法和SDF自适应时延估计方法用于实际的供水管道泄漏检测,通过对检测结果的分析证实了这两种方法的采用明显改善了泄漏检测性能和定位准确度。检测结果表明EWC-LP-ANC去噪方法的使用,使系统最大可检测距离增加50m左右;SDF自适应时延估计方法的采用使系统最大可检测距离增加40m左右;EWC-LP-ANC去噪方法和SDF自适应时延估计方法的同时使用,使系统最大可检测距离增加70m左右,最小可检测到的泄漏量减小0.02m3/hr.左右。


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