一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法技术

本发明专利技术公开了数据降噪领域的一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，包括：采集泄露管道次声波的泄露原始数据X

【技术实现步骤摘要】
一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法


[0001]本专利技术属于数据降噪领域，具体涉及一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市化进程的快速推进，管道输送在城市生产生活中的地位日益重要。然而，由于受到自身老化、施工过程不规范和外界环境等因素的影响，管道泄漏事故时有发生，不仅造成巨大人身伤亡和财产损失，而且对给城市公共安全和生态环境带来重大威胁。如果能够及时发现泄漏，并准确定位泄漏源位置，对保障城市安全和居民生活都有重要意义。
[0003]次声波因其特有的传播距离长、衰减慢等优势，被人们用于城市管道泄漏检测中，但由于次声波泄漏信号中往往夹带大量高背景噪声信号，导致信号干扰，造成泄漏定位不准确，因此各种信号去噪方法应运而生。但是由于使用现有方法当噪声能量变化较大时，会导致噪声抑制率较小且信号失真率较大，以至于信号消噪效果不佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法及系统，有效解决在噪声能量变化较大的情况下，造成去噪效果不佳的情况。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]本专利技术一方面提供了一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，包括：
[0007]采集泄露管道次声波的泄露原始数据X
i
(t)；
[0008]将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，并利用傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，建立频域信号X
F,i
(s)的幅值频谱图；以幅值频谱图的峰值对应频率f
t
为基准构建有效频率窗口；
[0009]将频域信号X
F,i
(s)分为M段单元信号x
m
，利用差分能量模型去除受噪声影响的单元信号x
m
，并重新结合形成稳定信号x
c,i
；
[0010]对稳定信号x
c,i
进行Prony分解，计算出极值和留数；根据有效频率窗口对极值和留数进行筛选后，重构真实信号得到消噪完成后的完整信号x(t)。
[0011]优选的，将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，并利用傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，方法包括：
[0012]将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，按照一定时间间隔对各时域信号x
n,i
(t)进行采样获得采样信号x
n,i
(a)；对采样信号x
n,i
(a)进行傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，计算公式为：
[0013][0014]公式中，为旋转因子，j为虚部；A为采样信号x
n,i
(a)的信号长度。
[0015]优选的，建立频域信号X
F,i
(s)的幅值频谱图，方法包括：
[0016]计算频域信号X
F,i
(s)对应的频率f
s
，公式为：
[0017][0018]公式中，s为频域信号X
F,i
(s)对应的序号；n为时域信号x
n,i
(t)的时间；f
c
表示为时域信号x
n,i
(t)对应的频率；
[0019]以频率f
s
为横坐标，频域信号X
F,i
(s)的幅值为纵坐标建立幅值频谱图。
[0020]优选的，以幅值频谱图的峰值对应频率f
t
为基准构建有效频率窗口，方法包括：将幅值频谱图的峰值对应频率f
t
作为基准，设定有效频率宽度为b，构建有效频率窗口为[f
t
‑
b,f
t
+b]。
[0021]优选的，利用差分能量模型去除受噪声影响的单元信号x
m
，并重新结合形成稳定信号x
c,i
；方法包括：
[0022]所述差分能量模型的计算公式为：
[0023][0024]Δx
m
＝x
m+1
‑
x
m
[0025][0026]公式中，Δx
m
表示为相邻段的单元信号x
m
的能量差；ρ为噪声不确定性参数；表示为频域信号X
F,i
(s)中单元信号x
m
能量差值的统计平均值；
[0027]当时，对单元信号x
m
进行去除；当时，对单元信号x
m
进行保留；将保留的单元信号进行重新结合形成稳定信号x
c,i
。
[0028]优选的，噪声不确定性参数ρ的计算方法，包括；
[0029]设定频域信号X
F,i
(s)为无噪声信号X
w,i
(s)与高斯白噪声X
n,i
(s)的叠加；
[0030]对频域信号X
F,i
(s)进行小波变换并去除无噪声信号X
w,i
(s)，获得处理信号W
X
(α,β)，计算公式为：
[0031][0032][0033]公式中，表示为小波变换基函数；表示为经过伸缩和平移后的小波函数；α为伸缩因子；β为平移因子；
[0034]根据处理信号W
X
(α,β)推导出噪声标准差和噪声方差并计算噪声不确定性参数ρ，计算公式为：
[0035][0036][0037][0038]公式中，表示为噪声方差；表示为噪声标准差；表示为处理信号W
X
(α,β)的功率；Med[.]为中值函数。
[0039]优选的，对稳定信号x
c,i
进行Prony分解，计算出极值和留数；包括：
[0040]构建稳定信号x
c,i
的矩阵H(c)，并以α、β分别为矩阵H(c)的行数和列数，表达公式为：
[0041][0042]根据矩阵H(c)推导获得系统矩阵Q，对系统矩阵Q进行特征值分析得到特征值z
r
；
[0043]将稳定信号x
c,i
(c＝0,1,...,n
‑
1)复指数分解为极值λ
r
和留数γ
r
，表达公式为：
[0044][0045][0046]式中，P为分解阶次，Δt表示为信号采样的时间间隔。
[0047]优选的，根据有效频率窗口对极值和留数进行筛选后，重构真实信号得到消噪完成后的完整信号x(t)，方法包括：
[0048]将极值λ
r
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，其特征在于，包括：采集泄露管道次声波的泄露原始数据X
i
(t)；将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，并利用傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，建立频域信号X
F,i
(s)的幅值频谱图；以幅值频谱图的峰值对应频率f
t
为基准构建有效频率窗口；将频域信号X
F,i
(s)分为M段单元信号x
m
，利用差分能量模型去除受噪声影响的单元信号x
m
，并重新结合形成稳定信号x
c,i
；对稳定信号x
c,i
进行Prony分解，计算出极值和留数；根据有效频率窗口对极值和留数进行筛选后，重构真实信号得到消噪完成后的完整信号x(t)。2.根据权利要求1所述的一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，其特征在于，将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，并利用傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，方法包括：将泄露原始数据X
i
(t)中截取等长度的时域信号x
n,i
(t)，按照一定时间间隔对各时域信号x
n,i
(t)进行采样获得采样信号x
n,i
(a)；对采样信号x
n,i
(a)进行傅里叶变换计算得频域信号X
F,i
(s)，计算公式为：公式中，为旋转因子，j为虚部；A为采样信号x
n,i
(a)的信号长度。3.根据权利要求2所述的一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，其特征在于，建立频域信号X
F,i
(s)的幅值频谱图，方法包括：计算频域信号X
F,i
(s)对应的频率f
s
，公式为：公式中，s为频域信号X
F,i
(s)对应的序号；n为时域信号x
n,i
(t)的时间；f
c
表示为时域信号x
n,i
(t)对应的频率；以频率f
s
为横坐标，频域信号X
F,i
(s)的幅值为纵坐标建立幅值频谱图。4.根据权利要求3所述的一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，其特征在于，以幅值频谱图的峰值对应频率f
t
为基准构建有效频率窗口，方法包括：将幅值频谱图的峰值对应频率f
t
作为基准，设定有效频率宽度为b，构建有效频率窗口为[f
t
‑
b,f
t
+b]。5.根据权利要求4所述的一种基于城市管道泄漏的监测数据降噪方法，其特征在于，利用差分能量模型去除受噪声影响的单元信号x
m
，并重新结合形成稳定信号x
c,i
；方法包括：所述差分能量模...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，郝永梅，蒋军成，刑志祥，许宁，杨健，吴凡，郑凯，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：