基于最小二乘的极低频微弱信号实时检测方法

极低频信号由于对金属介质具有良好的穿透性,现被应用于管道机器人的示踪定位系统中.实现极低频信号的可靠检测是保证示踪定位系统正常工作的关键,现有检测系统中使用的检测方法易受噪声干扰,经常出现误报与漏报,可靠性低.根据实际工程中极低频信号动态范围大、观测时间有限的特点,提出了一种基于最小二乘的极低频信号实时检测方法,构造了检验统计量并通过MATLAB仿真分析了窄带高斯噪声情况下的检测性能.以DSP为核心设计实现了基于最小二乘的极低频磁场信号检测系统,通过仿真与工程实验验证了所提出方法的优越性.在信噪比为3 dB,恒虚警概率为1%的条件下,检测概率可达90%,完全满足管道机器人示踪定位系统中极低频信号实时检测的要求.     

基于反相双峰指数模型的微弱瞬态极低频信号的估计与检测

在铁磁管道环境下,同频窄带噪声中的微弱瞬态极低频信号的估计与检测问题是管道机器人跟踪定位中最为重要的科学问题之一。为实现窄带噪声中的微弱瞬态信号的有效检测,分析了接收线圈在不同空间姿态下的信号特点,针对信号与窄带噪声相位上的区别以及信号包络的形态,建立了相位反相的双峰指数函数数学模型;应用非线性最小二乘估计,实现了该数学模型和真实信号之间的拟合;通过仿真和实验验证了该数学模型与真实信号的高度匹配性,并应用蒙特卡洛仿真分析了该模型参数估计的性能;使用所建立的数学模型,构建了平均功率检测器和瞬时最大功率检测器,通过分析比较极低频发射机在不同移动速度和接收信噪比条件下的检测性能,得出了两种检测器的特点和适用范围,并指出在现有工程背景下平均功率检测器的优势。实验证明,相位反相信息对同频窄带噪声中的信号检测非常重要,平均功率检测器在低信噪比条件下的检测性能良好。在信噪比为0.05 d B、虚警概率设为1%时,该检测器的检测概率达98.8%。     

Generation and detection of multi-frequency calibration signal for distributed electromagnetic receiver

为了提高分布式电磁接收系统频域标定的效率和精度,提出了一种基于多频伪随机信号的标定方法并研究了多频标定信号的产生和标定数据的处理方法.首先,根据多频伪随机信号的解析式分析了其主频点的振幅和分布特点,通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了伪随机信号的编码合成并产生了高精度双极性标定信号源.然后,基于相关检测的噪声抑制原理,给出了检测含噪声多频标定输出信号幅度和相位的多次相关迭代法并通过仿真进行了验证.最后,对分布式双通道电磁接收系统的采集通道和磁场传感器进行了标定测试.结果表明:在外界噪声不大于标定输出信号幅度的环境下,检测结果幅度误差小于2％,相位误差小于1°.该标定方法快速准确,可用于分布式电磁接收系统在不同野外环境下的频域标定.     

油气管道中智能机器人跟踪定位关键技术综述

国民经济的持续快速发展对于油气供给提出了更大的需求。油气资源主要依靠管道进行运输,为保证管道运输安全可靠,需定期使用智能机器人对其进行检测。检测过程中要对智能机器人进行跟踪定位以确保知道管道内机器人的实时位置、状态,特别是发生故障如卡堵时的位置。油气管道通常为长距离管道,跟踪定位方式只能采用无缆或无线方式,其中极低频信号对于金属介质等具有良好穿透能力的特点特别适合于管道内智能机器人的跟踪定位。基于极低频磁技术的跟踪定位问题,本质上可以归纳为微弱磁信号的高分辨率探测和微弱瞬态磁信号的实时(快速)检测这两方面的问题。本文总结了油气管道中智能机器人的跟踪定位技术,介绍了国内外基于极低频技术的智能机器人跟踪定位装置;重点阐述了高分辨率磁传感器、微弱瞬态信号实时检测算法两项关键技术的研究现状,并介绍了基于极低频磁信号发射与接收的智能机器人跟踪定位系统的现有工作及未来展望。     

分布式电磁接收系统多频标定信号的产生与检测

为了提高分布式电磁接收系统频域标定的效率和精度,提出了一种基于多频伪随机信号的标定方法并研究了多频标定信号的产生和标定数据的处理方法。首先,根据多频伪随机信号的解析式分析了其主频点的振幅和分布特点,通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了伪随机信号的编码合成并产生了高精度双极性标定信号源。然后,基于相关检测的噪声抑制原理,给出了检测含噪声多频标定输出信号幅度和相位的多次相关迭代法并通过仿真进行了验证。最后,对分布式双通道电磁接收系统的采集通道和磁场传感器进行了标定测试。结果表明:在外界噪声不大于标定输出信号幅度的环境下,检测结果幅度误差小于2%,相位误差小于1°。该标定方法快速准确,可用于分布式电磁接收系统在不同野外环境下的频域标定。     

一种主/被动声呐目标回波信号模拟器的研制

根据实际需要，研制了一种主／被动声呐目标回波信号模拟器，该模拟器能够产生主／被动声呐测试、定检所需的主／被动声呐目标回波信号，目标回波信号中包含主动声呐、目标辐射噪声、海杂波、混响等信号，信号输出形式包括声信号和电信号2种。该模拟器可在空气介质条件下，实现声呐接收、处理、显示系统的定检，以及声呐测距系统和方位系统的定检；在水声环境中，可实现对接收换能器方向性、接收系统灵敏度等的测试。通过性能测试及与实际声呐系统联试，证明该模拟器达到了设计功能和性能指标要求，已交付用户使用。这里对其主要数学模型、系统硬件结构、软件流程进行了简要介绍。     

多通道磁信号测量系统的电路设计

为采用物理实验的方法,辅助研究心脏磁场理论及其应用算法和软件,我们研究和制作了一个9通道阵列磁信号同步测量系统.考虑HMC2003测量到的磁信号具有低通特性,在系统电路设计时,我们采用电路分层与磁噪声抑制的方法,有效地削弱了磁测量系统的自带磁噪声,尤其是低频成分.同时,我们在非屏蔽环境下的Helmholtz均匀静态场中对HMC2003的两类参数K与△做了同步标定.目前,该系统可实现X、Y、Z三轴磁信号测量,最大绝对误差小于240nT.     

频率调制随机共振的数值分析

对随机共振技术运用于强噪声背景下的弱信号检测进行了研究,提出了用频率调制的方法,实现了在大参数情况下从强噪声中检测微弱周期信号.数值计算结果表明,该方法可形成低频信号,该低频信号通过双稳系统易产生随机共振,能使微弱的故障信号特征突出、明显,易于捕捉.     

基于互信息的VMD算法在管道泄漏检测中的应用

针对在管道泄漏检测中,泄漏信号和噪声都与管道状态和环境密切相关,且变分模态分解(VMD)方法不能较好地分解高频部分的信号,存在一定的噪声干扰问题,提出了一种基于互信息的VMD自适应噪声消除算法。首先,通过VMD算法将泄漏信号分解成具有不同特征时间尺度的固有模态函数;然后根据互信息准则,通过依次计算相邻分量之间的互信息值来区分高频和低频信号;最后将经过小波去噪后的高频信号和低频信号一起进行信号重构,得到特征增强信号。试验结果表明,对于信号去噪方面,相对于VMD方法,该方法更具有优越性。     

太赫兹功率探测器高灵敏度调制解调系统设计

针对太赫兹被动成像系统前端功率探测器内部引入的低频噪声(1/f噪声)对成像精度的影响较为明显的问题,设计了一种高灵敏度调制解调系统来降低低频噪声对成像的干扰.通过控制外部信号源使功率探测器在正常工作与饱和状态之间快速切换,实现对目标信号的调制,从而将目标信号的频率调制到高于功率探测器引入的低频噪声频段以便将低频噪声滤除...     

基于迭代补偿的纳米粒子磁化信号检测方法研究

磁粒子成像是一种无创成像技术,通过检测磁粒子示踪剂磁化信号,表征其浓度分布图像。在实际检测中,检测线圈的感应信号包含激励磁场信号与磁性纳米粒子磁化信号。将激励信号从感应电压中去除,获取粒子信号是磁性粒子成像信号检测需要解决的关键问题。针对磁性纳米粒子成像信号检测中激励磁场耦合消除方法进行研究,设计平面梯度检测线圈,并提出迭代补偿控制方法,消除激励磁场耦合,实现磁性纳米粒子磁化信号检测。仿真计算与实验测量的结果表明,对于不同检测模型,所提出的检测方法均可以完成粒子信号检测。该方法获得的粒子信号的信噪比是原有信号消去检测方法的2.2倍,与滤波方法相比信噪比提高到1.3倍,激励磁场耦合衰减可达到34 dB。     

周期扫描磁信号特征对光磁复合方位 探测统计分布的影响

针对超近程来袭目标方位探测统计分布问题，研究了光磁复合方位测量方法周期扫描磁信号对探测精度的影响机理。建立了永磁体旋转扫描空间磁场数学模型，推导出周期扫描磁信号方程，结合磁信号特征和恒阈值时间测量方法，推导出周期扫描磁信号时间测量概率统计分布函数解析式。研究了扫描周期、磁场强度、阈值电压和噪声对时间测量概率统计分布的影响规律。结果表明，随着扫描周期和磁场强度的增加，概率分布函数对称性不受影响，概率分布半宽会随之减小，且分布峰值随之呈现0.75～1.88范围内的增加。随着阈值检测电压的提高，概率分布首先呈现半宽减小、峰值提升0.48态势，进而出现半宽增大、峰值降低0.54现象，且在峰值前后分布曲线的上升沿和下降沿出现不同走势。随着等效噪声电压的增加，概率分布函数对称性不受影响，但分布半宽会随之增大，且分布峰值随之减小0.4～0.48。     

高速漏磁检测过程中管道内外壁缺陷定位方法研究

管道内外壁缺陷的有效区分是对缺陷进行有效量化的前提,提出一种基于动生涡流的高速漏磁检测过程中管道内外壁缺陷的定位区分方法,利用涡流磁场与外磁场的耦合作用时内外壁磁场信号的变化差异特征区分缺陷位置。首先建立高速漏磁检测数学模型,分析了涡流分布特点以及涡流磁场与外磁场耦合作用规律,利用有限元方法计算分析不同位置时,耦合作用规律对管道内外壁磁化状态影响及内外壁缺陷漏磁场信号差异特征;设计高速漏磁检测实验平台,对不同运行速度、不同检测位置处钢管内外壁缺陷区分效果进行实验研究。结果表明,接近磁化线圈位置时,管壁内产生的涡流磁场方向与管道外壁磁场方向相同、与管道内壁磁场方向相反,在离开磁化线圈位置时,涡流磁场方向与管道外壁磁场方向相反、与管道内壁磁场方向相同;不同检测位置处,管壁磁场变化规律相反,且速度越快,磁化状态影响受影响程度越大,内外壁漏磁场信号差异特征越明显,高速检测时可有效对管道内外壁缺陷进行定位区分,实验结果和理论分析具有很好的一致性。     

筒状构件应力集中磁记忆检测补偿方法研究

筒状构件是一种常用的工程构件,一旦发生事故将会造成重大损失,应力集中是导致构件失效的重要原因。磁记忆检测方法是一种有效的应力集中检测方法。对筒状构件进行圆周扫查时,地磁场的作用变化影响磁记忆检测结果,容易造成应力集中区域的误判。建立铁磁质筒状构件外表面地磁场分布模型,探究地磁场在筒状构件外表面作用效果及补偿方法。试验结果显示,对铁磁质筒状构件进行圆周扫查时,法向分量与幅值约为地磁场的2倍。将磁信号法向分量减去2倍地磁场作为筒状构件磁记忆检测补偿方法,补偿后与直线扫查相关系数稳定在0.8以上,优于传统反向补偿法。提出的筒状构件补偿方法有效提高了应力集中区域定位精度。     

钢管纵向伤高速高精漏磁探伤磁化方法

在钢管螺旋推进漏磁检测扫描中,检测速度越快,要求的检测探靴轴向长度越长,使得扫描覆盖范围超出了均匀磁化区,出现信号不一致的问题。针对钢管纵向伤检测中检测精度与速度相互制约的问题,以保证钢管纵向伤高速检测的信号一致性为目标,采用有限元仿真与实验验证相结合的方法,分析了周向磁化中磁极靴的结构对钢管表面磁场均匀性的影响。在此基础上提出了一种纵向伤漏磁检测磁化方法,扩大了钢管表面的均匀磁场区域,在同样的检测区域内提高了检测信号的一致性。     

消化道定点施药系统中磁定位信号预处理方法研究

磁定位信号的预处理方法对消化道定点施药系统的定位精度有重要意义。本文对磁信号检测中的普遍存在的地磁场干扰和电磁干扰问题进行了深入研究。针对地磁场干扰,采用静态磁场值来补偿地磁场值;对于电磁干扰,采用滑动平均滤波和小波默认阈值方法分别对静态磁场信号和动态磁场信号进行滤波处理。通过比较发现,小波阈值的方法可以较好地抑制静态磁场信号中的高频噪声,而滑动平均滤波的方法对处理动态磁场信号可以取得较好的效果。     

基于磁-声结合的特殊螺纹油管密封检测方法研究*

针对特殊螺纹油管下井后仍存在密封失效的问题,提出采用金属磁记忆和超声相结合的检测技术应用于特殊螺纹油管密封性能的检测。搭建金属磁记忆检测系统,采集上扣前后接头的磁记忆信号,提取并分析特征参数磁记忆信号梯度值。结果表明:磁信号梯度值可以表征螺纹形貌;上扣后啮合螺纹应力分布不均,起始端磁信号梯度值大,应力集中程度高。搭建超声检测系统,采集上扣前后油管密封面回波信号,计算声强反射系数,并利用声强反射系数与接触应力的关系得到密封面接触应力分布。结果表明,上扣后密封面环形带上保持了较高的接触应力,具有一定密封能力。磁-声结合的检测方法实现了对接头螺纹连接部位应力集中情况和密封面接触应力分布的检测,进而可评估密封性能,为保障油管下井服役提供了更安全更有效的密封检测手段。     

基于Kp微扰算法的磁场中MMM信号特征的研究

金属磁记忆(MMM)法可以对铁磁性金属构件微观损伤区域进行早期预判和评估,但是磁记忆信号很容易受到外界强磁场的干扰,给检测结果带来偏差。为研究磁场强度对磁记忆信号的影响规律,采用Kp微扰算法,在K空间,通过有效玻尔磁子数p建立多元超原胞磁力学模型,计算在外界磁场作用下,磁力学定量变化关系。研究结果表明,在外界磁场作用下,电子轨道运动增强,晶格结构发生畸变,原子磁矩增大。当磁场较小时,磁记忆信号随外界磁场强度增大而线性增大;当磁场强度达到临界值时,原子磁矩近似等于独立原子的磁矩,磁记忆信号趋于定值;当磁场强度大于临界值以后,应力集中区的磁记忆信号将被磁场覆盖。磁记忆检测实验结果与理论分析结果具有很好的一致性。