基于四阶累积量的供水管道泄漏振动信号自适应时延估计

在相关高斯噪声干扰下,特别是在低信噪比时基于互相关的供水管道泄漏振动信号时延估计性能严重下降。因此,提出基于四阶累积量及递归最小二乘(RLS)自适应滤波的供水管道泄漏振动信号时延估计方法。首先,通过自、互四阶累积量分割信号频带,获得含有泄漏振动信号特征的一维切片;然后,引入可变步长的RLS算法,提高收敛速度;最后,利用RLS算法对上述一维切片进行迭代计算,分析滤波器权系数曲线及误差曲线得出时延估计结果。仿真与实验结果表明,该方法能够有效的实现供水管道泄漏定位:在低信噪比与相关高斯噪声背景下,互相关方法失效;与四阶累积量-互相关方法相比,所提方法的平均相对定位误差减少了2.56倍,标准差减小了1.736倍。     

归一化循环相关超声回波时延估计

传统超声回波时延估计算法是在高斯噪声背景下展开研究的,而实际工况中超声回波不仅含有高斯噪声,还含有脉冲冲击噪声(α稳定分布噪声)等,这导致传统算法失效。为了解决上述问题,本文提出了一种针对混合噪声特别是包含噪声背景下的超声回波时延估计算法:归一化循环相关时延估计算法。首先,对归一化循环相关算法理论进行了简要的介绍。接着,对归一化循环相关时延估计算法进行了理论推导分析。然后,结合仿真分析,在相同α混合噪声情况下对传统循环相关和归一化循环相关时延估计进行比较。最后,在不同信噪比下,对归一化循环相关时延估计算法的估计性能进行了分析。通过对比实验发现,在噪声特征指数趋于1时,循环相关算法已不能估计出时延,而归一化循环相关算法的误差仍能保持在0.4μs;且在-10dB信噪比下,归一化循环相关算法时延估计也能保持在10μs误差范围内。本文所提归一化循环相关算法在混合噪声特别是包含α噪声情况下能够对超声回波时延进行精确估计,具有传统算法所不能比拟的优势。     

低信噪比环境下基于γ-LMS算法的修正无偏自适应时延估计方法

当环境信噪比低于某一阈值,由输入噪声引入的有偏维纳解使最小均方(LMS)自适应时延估计器的错误时延估计概率陡然增加.系统分析了LMS自适应算法有偏估计的噪声来源及有偏时延估计器的性能,并基于Treichler的γ-LMS 算法提出了一种修正无偏自适应时延估计方法.该方法利用传统LMS自适应滤波器可以获得的信息估计输入噪声功率,然后根据γ-LMS 算法的思想在迭代过程中引入一个修正因子,逐步去除输入噪声的影响,无需假设输入与输出噪声功率相等或功率比已知、有用信号应为白过程等限制条件.自适应时延估计的仿真实验与供水管道泄漏检测定位中的实际数据处理都验证了该方法的有效性.     

基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏声振动定位方法

针对供水管道泄漏声振动信号的信噪比较低导致用于时延估计泄漏定位误差大的问题,提出基于改进经验小波变换及互谱相位差谱的供水管道泄漏定位方法。首先采用小波包分解得到不同尺度的信号能量谱,根据小波包能量谱局部极小值的分布自适应确定频带分割区间,解决了传统经验小波变换中频谱划分问题;然后基于频带分割区间构建正交小波滤波器组对信号进行经验小波变换分解得到多个分量,根据相关系数选取有效分量,同时利用有效分量的互谱相位差谱呈水平变化的频带对有效分量信号进行带通滤波,滤除干扰噪声;最后对滤波后的信号进行互相关时延估计来确定泄漏位置。仿真及实验结果表明,该方法能够有效的实现供水管道泄漏定位,并与互相关、VMD与互谱分析相结合的泄漏定位方法相比,平均相对定位误差分别减少6.7倍和1.5倍。     

声学故障诊断中的宽带相关噪声信号分离方法

为了提取混合噪声中待诊设备的噪声信号，利用传声器组构造线性测量阵列流型，建立多声源机器系统的宽带相关噪声混合模型。使用聚集变换技术消除频率对参数估计的影响，并同时消除相关信号功率谱矩阵的奇异性，采用宽带相关MUSIC法估计噪声方差与声源方位，从混合信号频谱中分离噪声源信号频谱。该方法可减小其他噪声源信号的干扰，提高待检设备噪声信号的信噪比。实验结果验证了模型与算法的可行性。     

基于傅里叶相位差的抗噪声位移估计算法

提出了一种利用连续图像相位谱的差估计运动目标位移的抗噪声算法。根据傅里叶相移特性,用连续两幅图像相位谱差的周期性变化或剖面的斜率计算图像中运动物体的位移。向量滤波的应用在去除噪声的同时,有效保留了周期性信号在一个周期结束点的跳变性质。分段拟合是从周期性信号中计算斜率的合理方法。本算法在频域估计运动位移,能够克服背景光照变化的影响,克服10％的高斯白噪声,分辨率达到一个像素。     

基于离散小波变换的气固两相流参数检测

针对传统电容式传感器灵敏场分布不均匀的缺点,设计了双层螺旋电极电容式传感器,并且通过有限元仿真分析传感器结构参数对灵敏场分布的影响。对传统的相关时延估计算法进行了改进,提出了基于离散小波变换的相关时延算法,并将其应用到气固两相流速度测量当中,将两种算法测量结果进行了对比。实验证明,与传统的时延算法相比,基于离散小变换的相关时延算法具有更强的压制信号噪音能力,在低信噪比情况下也能准确进行时延估计。     

供水管道泄漏定位中基于互谱的时延估计

供水管道泄漏时产生泄漏声波，根据泄漏声波到达安装在管道上的2个传感器的时间差可以估计泄漏位置。减小时延估计的方差必须对信号滤波以提高信噪比，但泄漏信号所在的频带是不能预先确知的。互谱相位谱和相干函数在频域上反映了2个信号的相关性，根据它们估计泄漏信号的频带、设定滤波器截止频率，在较低信噪比的情况下提高滤波效果及检测结果的置信度。实际检测结果表明，该方法减小了泄漏定位的误差。     

基于变采样长度相关滤波的不平衡信号提取法

根据相关滤波提取信号幅值和相位的原理,定义了不平衡信号的近频噪声干扰度的概念,并构建了近频噪声干扰度模型,揭示了干扰度随频率差变化的分布规律;进而提出了一种基于变采样长度相关滤波的不平衡信号提取法,在短数据情况下根据MUSIC谱确定幅值最大的近频干扰信号频率,结合近频干扰度分布规律合理选择采样长度提取不平衡信号幅值和相位。电主轴动平衡测量实验和仿真结果表明：与传统定采样长度相关滤波相比,所提方法受信噪比波动影响小,抗近频干扰能力强,在采样长度更短时提取的不平衡信号幅值和相位的方差更小。     

非泄漏固定声源干扰下的管网泄漏定位技术研究

实际管网泄漏检测环境中,管内外非泄漏固定噪声(如施工、管道阀门噪声等)叠加在管道泄漏声信号中,传感观测信号间的互相关函数中有多个相关峰值,若不能正确识别峰值来自泄漏还是非泄漏声源,将导致漏点定位错误。以两传感观测信号的自相关函数构建非泄漏和泄漏信号特征提取函数,通过特征提取函数识别出管道传播媒质对两类信号的衰减特征信息,该衰减特征结合互相关函数的相关峰值时延信息,识别出峰值来自泄漏还是非泄漏声源。实际定位应用表明,在管内外非泄漏固定噪声干扰下,漏点定位误差在1 m以内,突破了传统基于时延估计的泄漏定位技术及仪器需要在夜间,或人为关闭某些管道阀门、支路等安静环境下,通过回避干扰噪声才能进行定位的限制。     

气体管道泄漏声发射单一非频散模态定位

针对气体管道泄漏声发射信号的多模态、频散特性导致互相关泄漏定位误差大的问题,提出采用单一非频散模态提取的气体管道泄漏声发射定位方法。对检测信号的互谱加窗,并根据模态波数确定窗参数,可获得泄漏声发射信号的单一非频散模态导波的互谱。对单一非频散模态导波的互谱进行傅里叶反变换,得到泄漏声发射中单一非频散模态信号的互相关函数以及时延估计,就可以采用单一非频散模态声速,更准确计算出泄漏位置。对气体管道泄漏进行定位实验,相比用未经分解的泄漏声发射信号进行定位,由于声发射单一非频散模态信号的相关性增强,且选用的声速更准确,定位相对误差平均降低7%以上。这表明,通过提取泄漏信号互谱的单一非频散模态成分进行时延估计,可以提高泄漏检测的有效性和减小定位误差。     

时延估计在被动声定位中的应用

时间延迟的估计算法在声音定位中非常重要,其精度直接决定了定位的精度。讨论和比较了广义互相关算法、互功率谱相位法和自适应算法在被动声定位中的应用,得出广义互相关算法相较于其他2种算法有更好的定位精度,在研究声源定位中有更广泛的应用前景。     

双五元十字阵被动声定位融合算法及性能分析

为了提高被动声测量的准确度和克服声源目标空间方位模糊的问题,提出了双五元十字阵被动声定位融合算法。首先设计了一种双五元十字阵传声器阵列模型,依据模型定义了声源点象限判断准则;然后根据被动声定位原理推导了单一五元十字阵的声源点坐标计算公式,根据俯仰角度正弦值作为加权系数,构造了双五元十字阵被动声定位融合算法模型;最后对该模型测距和测向的精度进行了理论分析,给出了时延估计误差、俯仰角以及方位角与双五元十字阵定位性能的关系。理论分析和仿真实验结果表明,该算法克服了声源目标空间方位模糊的问题、减小了时延估计误差对测距测向性能的影响。本文算法能够更加准确地测量出声源点的位置信息。     

漏磁信号增强算法研究

对漏磁信号进行增强处理以提高其信噪比是实现漏磁数据智能分析的重要前提。漏磁信号中同时包含低频和高频噪声,直接进行处理往往会产生较高的错误率。从无限长矩形凹槽的磁偶极子模型中发现,漏磁场的切向分量和法向分量的原函数和一阶导数具有较强的交叉相关性。于是,利用这种交叉相关性,提出将漏磁场磁感应强度切向分量和法向分量融合的漏磁信号增强算法,对检测目标位置的信号进行增强,同时对其余位置的噪声进行抑制,从而提高漏磁信号的信噪比。利用牵拉实验数据和在役管道漏磁内检测数据对算法进行了初步验证和推广。最后,从在役管道漏磁内检测数据中收集了若干样本,并提出适合于漏磁信号的信号质量评估方法,对所提增强算法进行量化评估。实验结果显示,几乎所有样本的信号质量均得到了提高,大多数样本得到了不小于10 dB的提高。     

公共场所异常声源定位中时延估计方法研究

HB(Hassab-Boucher)加权广义互相关(generalized cross correlation based on HB weighted function,GCC-HB)是常用的时延估计方法,在环境为弱高斯噪声情况下,可获得较为精确的时延估计值用于声源定位。通过分析认为,通常公共场所异常声音是一种短时信号,背景噪声主要为粉红噪声与脉冲噪声,符合分数低阶α稳定分布(fractional lower order alpha-stable,FLOA)。在此背景噪声的低信噪比环境下,GCC-HB方法的时延估计性能急剧下降。为此,提出基于反正切变换的改进GCC-HB的时延估计方法(improved GCC-HB method based on arc tangent transform,ATAN-IHB)。该方法首先对加噪信号采用反正切变换抑制噪声中尖峰脉冲的影响,然后结合每帧的信噪比对HB加权函数进行改变,并由多帧HB加权后的峰值确定出时延估计值。理论分析和计算机仿真结果表明,所提出的方法即使在低信噪比的环境下,也可以获得比较满意的时延估计值,具有一定的实用性价值。     

基于改进能量算子和K-RV互卷积窗的闪变参数检测*

IEC标准61000-4-15推荐采用正弦波和矩形波两种波形对闪变仪检验,目前电压闪变检测研究主要针对正弦波调制模型,而人眼更加敏感的矩形波调制下的闪变快速准确检测研究较少。针对矩形波调制下的闪变快速准确检测,建立基于间隔采样改进能量算子的波动分量提取算法,构建新型优化K-RV互卷积窗函数,推导基于新型K-RV互卷积窗三谱线改进快速傅里叶变换(FFT)谱分析方法,据此提出基于改进能量算子新型K-RV互卷积窗的矩形波调制闪变检测方法,开发基于PXI+LabVIEW架构的电压闪变参数检测平台。仿真与实验结果表明,所提出的算法在简单矩形波调制、多频率调制、含有各类谐波干扰、电网基波频率变动及含有噪声干扰情况下,均能有效实现闪变的准确检测与分析,相比传统方法具有更高的准确度。     

超声波流量计中相关时差法的应用

介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.     

Identification of acoustic wave propagation in a duct line and its application to detection of impact source location based on signal processing

For the detection of the impact location in a pipeline system, the correlation method has been the conventional method. For the application of the correlation method, the diameter of a duct should be small so that the acoustic wave inside the duct can propagate with nondispersive characteristics, in the form of, for example, a plane wave. This correlation method calculates the cross-correlation between acoustic waves measured at two acceleration sensors attached to a buried duct. It also gives information about the arrival time delay of an acoustic wave between two sensors. These arrival time delays are used for the estimation of the impact location. However, when the diameter of the duct is large, the acoustic waves inside the duct propagate with dispersive characteristics owing to the reflection of the acoustic wave off of the wall of the duct. This dispersive characteristic is related to the acoustic modes inside a duct. Therefore, the correlation method does not work correctly for the detection of the impact location. This paper proposes new methods of accurately measuring the arrival time delay between two sensors attached to duct line system. This method is based on the time-frequency analyses of the short time Fourier transform (STFT) and continuous wavelet transform (CWT). These methods can discriminate direct waves (non-dispersive waves) and reflective waves (dispersive waves) from the measured wave signals through the time-frequency analysis. The direct wave or the reflective wave is used to estimate the arrival time delay. This delay is used for the identification of the impact location. This systematic method can predict the impact location due to the impact forces of construction equipment with more accuracy than the correlation method.     

钢板声发射时间反转聚焦增强定位方法

声发射检测方法具有实时动态监测优点,应用越来越广泛,但是对声源的定位始终没有更大的突破。在钢板声发射检测中,提出一种基于时间反转理论的声发射源准确定位的方法。由于声发射检测是一种被动检测技术,结合时间反转聚焦理论,推导出对声源信号实现时间反转聚焦增强处理方法,可增强检测信号中声源幅值,提高信噪比;然后根据声源信号到达时间推算出声源聚焦时刻,利用弹性波传播理论对传感器监测区域重建信号传播波动图,显示出声源位置和区域;最后通过实验测试对该方法进行验证,结果表明该方法能有效提高损伤声源信号的能量,对检测区域的信号重建和定位显示准确地给出损伤声源位置。     

基于智能手机TDOA估计的被动声源定位方法与系统实现

被动目标监测广泛应用于国防、安全等领域。针对被动声目标监测,首次提出了基于手机平台的被动式声目标定位方法,并设计和开发了原型系统。针对手机间时钟同步对被动式信号到达时间差精度的影响,采用手机内置的麦克风和扬声器发送和接收同步声信号的方式,从而避免了节点间无线同步到声信号采集间的时间延迟不确定性。为了提高信号发送和接收时刻的估计精度,将时间戳信息调制到设定的线性调频声信号,并采用广义互相关方法来实现信号波形检测。进一步,针对被动目标声源的非合作特性,采用统计判决理论和语音活动性检测相结合的方法对观测信号进行联合检波,获得被动目标声源到达时间的高精度估计,即被动声源到手机间的到达时间差。最后,通过多部手机搭建了原型系统并设计实验,结果表明定位误差不超过10%的概率达到80%。