一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法技术

本发明专利技术涉及一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，包括以下步骤：将单指向型的差分模拟输出MEMS麦克风进行正反双面紧密圆形布阵，构成垂直于管道方向的双指向性麦克风圆阵，用于采集管道泄漏声波信号；优化调理电路的设计，对每个通道的信号进行低噪前放、自动增益放大和模拟带通滤波等处理，在相位差可以忽略的前提下，使用精密运放构成的加法电路将多通道模拟信号合并为单一输出信号，实现模拟域的信号增强，通过模数转换器将其转换为数字信号；利用融合基于负熵的FastICA算法和维纳滤波算法对数字信号进行降噪处理，得到增强后的泄漏声波信号。与现有技术相比，本发明专利技术具有获取高信噪比泄漏信号的优点。发明专利技术具有获取高信噪比泄漏信号的优点。发明专利技术具有获取高信噪比泄漏信号的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法


[0001]本专利技术涉及管道安全监测
，尤其是涉及一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济社会的发展，气体管道的应用范围不断扩大。然而，在气体管道运输过程中，管道泄漏事故的发生也随之增多。为了确保管道的安全运行，有效地监测管道运行状态、发现泄漏事件并准确地定位变得至关重要。在超低压运行工况下进行管道泄漏监测，获得高信噪比的泄漏信号是管道信号检测和泄漏点定位的关键环节。高信噪比的泄漏信号可以提高检测的准确性和可靠性，并帮助及时采取措施来防止事故的发生和扩大。因此，研究和开发能够获得高信噪比的泄漏信号检测方法和技术具有重要的实际意义和应用价值。
[0003]在现有的沿气体管道方向的泄漏信号检测方法中，主要存在以下缺陷：1）在每个采样点上放置一个全指向型麦克风采集泄漏声波信号，由于单一采样点只含有一个麦克风，导致所接收的声波信号弱。
[0004]2）由于全指向型麦克风会采集其周围360
°
范围内的声波信号，其中包括管道泄漏声波信号以及环境噪声。而气体泄漏所产生的声波信号传输是沿管道方向传播到采样点麦克风，所以全指向型麦克风接收到的目标信号弱，且信噪比低。
[0005]3）传统维纳滤波算法对接收到声波信号进行增强，通常受到输入信号和噪声的统计特性的限制、无法处理非线性系统和非高斯噪声、依赖滤波器的长度等因素的影响，信号增强效果并不好，且并很难达到期望的目标信号效果。
专利技术内容
[0006]本专利技术的目的是为了提供一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法。该方法包括以下步骤：首先，将单指向型的差分模拟输出MEMS麦克风进行正反双面紧密圆形布阵，构成垂直于管道方向的双指向性麦克风圆阵，用于采集管道泄漏声波信号；然后，优化调理电路的设计，对每个通道的信号进行低噪前放（LNA）、自动增益放大（AGC）和模拟带通滤波（ABF）等处理，在相位差可以忽略的前提下，使用精密运放构成的加法电路将多通道模拟信号合并为单一输出信号，实现模拟域的信号增强，通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号；最后，利用融合基于负熵的FastICA算法和维纳滤波算法对数字信号进行降噪处理。该方法综合了模拟域和数字域的信号增强处理方法，从而获得具有较高信噪比的泄漏声波信号，以便于在后续的泄漏点定位等方面应用。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，包括以下步骤：S1、将单指向型的差分模拟输出MEMS麦克风进行正反双面紧密圆形布阵，构成垂直于管道方向的双指向性麦克风圆阵，用于采集管道泄漏声波信号；S2、优化调理电路的设计，对每个通道的信号进行低噪前放（LNA）、自动增益放大
（AGC）和模拟带通滤波（ABF）等处理，在相位差可以忽略的前提下，使用精密运放构成的加法电路将多通道模拟信号合并为单一输出信号，实现模拟域的信号增强，通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号；S3、利用融合基于负熵的FastICA算法和维纳滤波算法对数字信号进行降噪处理，得到增强后的泄漏声波信号。与现有技术相比，本专利技术具有获取高信噪比泄漏信号的优点。
[0008]所述双指向性麦克风阵列由正反两个紧密布阵且平行排列的麦克风组构成的圆形麦克风阵列，其中，左侧麦克风组中的麦克风接收声波信号的方向沿管道向左，而右侧麦克风组中的麦克风接收声波信号的方向沿管道向右。
[0009]所述麦克风为单指向型的差分模拟输出MEMS麦克风。
[0010]所述圆形麦克风阵列的直径大小决定了麦克风阵列中不同麦克风接收泄漏声波信号对应的最大时间差，本专利技术中设定麦克风的直径为5mm。
[0011]所述步骤S2包括以下步骤：S21、设计一种优化的调理电路，用垂直于管道方向的双指向性麦克风圆阵采集管道泄漏声波信号，每个通道的信号都要经过低噪前放（LNA）、自动增益放大（AGC）和模拟带通滤波（ABF）这三步处理；S22、在相位差可以忽略的前提下，用精密运放构成的加法电路把经过滤波处理后的左侧和右侧麦克风组对应的多路泄漏声波模拟信号分别合并为左右侧各自的单一输出信号，从而完成在模拟域的信号增强处理；S23、对步骤S22得到的左右侧双路输出信号进行双通道A/D采集，并将其转换为两路泄漏声波数字信号。
[0012]所述步骤S3包括以下步骤：S31、采用基于负熵的FastICA算法对泄漏声波数字信号中的独立成分的分离，得到一组互相独立的泄漏声波信号；S32、采用维纳滤波算法对互相独立的泄漏声波信号进行滤波处理，得到增强后的泄漏声波信号。
[0013]所述步骤S31包括基于去均值处理和白化处理的数据预处理和基于非多项式函数逼近的负熵估计求解最优混叠矩阵，以得到一组互相独立的泄漏声波信号。
[0014]所述数据预处理具体包括以下步骤：对原始的泄漏声波数字信号进行中心化，以消除其中的直流成分；对中心化后的泄漏声波数字信号进行白化操作，使得其协方差矩阵成为单位矩阵。
[0015]所述基于非多项式函数逼近的负熵估计求解最优混叠矩阵，以得到一组互相独立的泄漏声波信号具体包括以下步骤：设初始混叠矩阵W为M
×
K阶矩阵，混叠矩阵W的一个M维列向量为w表示混叠后的信号维度，则采用FastICA算法求解一个最优的W，使负熵J(w
i
)最大：
[0016]其中，E为数学期望，u为标准正态分布，G(
·
)为一个非线性函数：
[0017]对负熵直接求偏导，得：
[0018]且满足约束条件：
[0019]则J(w
i
)的最大值可求解的最优解得到。
[0020]根据Kuhn
‑
Tucker定理，的最优解等价于一个无约束的优化问题，其目标函数如下：
[0021]其中，g(
·
)是G(
·
)的导数；设函数，则对函数F(w
i
)进行w
i
求导，可得Jacobi矩阵：
[0022]其中，I表示单位矩阵；的简化形式为：
[0023]其中w
i
的求解结果为：
[0024]求解解混矩阵W的迭代算法为：
[0025]判断是否满足迭代终止条件：|w
i
(j+1)
‑
w
i
(j)|≤ε。若不满足，则表明迭代算法未收敛，将迭代次数加1，更新且归一化向量w
i
(j+1)，直到满足迭代终止条件，算法收敛，此时输出向量w
i
(j+1)，即得到最优的混叠矩阵W。
[0026]假设时域附加噪声的泄漏声波数字信号x(m)为：x(m)=s(m)+n(m)，其中，m是离散时间索引，s(m)是相对纯净声波信号，n(m)是加性噪声；利用时域加窗对泄漏声波数字信号x(m)进行分段，得到观本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于双指向性麦克风圆阵采集管道泄漏声波信号，其中，所述双指向性麦克风圆阵垂直于管道方向布置；S2、优化调理电路的设计，对每个通道的信号进行低噪前放、自动增益放大和模拟带通滤波处理，在相位差可以忽略的前提下，使用精密运放构成的加法电路将多通道模拟信号合并为单一输出信号，实现模拟域的信号增强，并通过模数转换器将其转换为数字信号；S3、利用融合基于负熵的FastICA算法和维纳滤波算法对数字信号进行降噪处理，得到增强后的泄漏声波信号。2.根据权利要求1所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述双指向性麦克风圆阵为由正反两个紧密布阵且平行排列的麦克风组构成的圆形麦克风阵列，其中，左侧麦克风组中的麦克风接收声波信号的方向沿管道向左，右侧麦克风组中的麦克风接收声波信号的方向沿管道向右。3.根据权利要求2所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述麦克风为单指向型的差分模拟输出MEMS麦克风。4.根据权利要求2所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述圆形麦克风阵列的直径大小决定了麦克风阵列中不同麦克风接收泄漏声波信号对应的最大时间差。5.根据权利要求2所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：S21、设计一种优化的调理电路，对采集的管道泄漏声波信号每个通道的信号进行低噪前放、自动增益放大和模拟带通滤波处理；S22、在相位差可以忽略的前提下，用精密运放构成的加法电路把经过调理电路处理后的左侧和右侧麦克风组对应的多路泄漏声波模拟信号分别合并为左右侧各自的单一输出信号，完成在模拟域的信号增强处理；S23、对步骤S22得到的左右侧双路输出信号进行双通道A/D采集，并将其转换为两路泄漏声波数字信号。6.根据权利要求1所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：S31、采用基于负熵的FastICA算法对泄漏声波数字信号中的独立成分进行分离，得到一组互相独立的泄漏声波信号；S32、采用维纳滤波算法对互相独立的泄漏声波信号进行滤波处理，得到增强后的泄漏声波信号。7.根据权利要求6所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述步骤S31包括基于去均值处理和白化处理的数据预处理和基于非多项式函数逼近的负熵估计求解最优混叠矩阵，以得到一组互相独立的泄漏声波信号。8.根据权利要求7所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述数据预处理具体包括以下步骤：对原始的泄漏声波数字信号进行中心化，以消除其中的直流成分；对中心化后的泄漏声波数字信号进行白化操作，使得其协方差矩阵成为单位矩阵。
9.根据权利要求7所述的一种双指向性超低压气体管道泄漏声波信号检测方法，其特征在于，所述基于非多项式函数逼近的...

【专利技术属性】
技术研发人员：施剑，吕品，吴志鹏，粟玉平，蔡骋，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：