[发明专利]一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法

摘要

本发明公开了一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，该方法主要包括泄漏声信号互谱相位谱计算和多泄漏源迭代估计两个部分。首先对采集的多泄漏点声信号进行互功率谱分析，并确定信号互谱相位谱及其对应的频点分布。在进行多泄漏源迭代估计时，首先对信号进行广义互相关时延估计，根据时延估计值确定信号互谱相位谱的线性变化线组，使用该线性变化线组分步确定与泄漏点相关的频点。为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的频点移除。经过多次迭代递推计算估计出管道泄漏点的数量和位置。

主权项

1.一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法，其特征在于：本方法基本原理为：在泄漏检测实验中，传感器接收到的多个泄漏点声信号的模型简化为式中x₁(t)与x₂(t)为两个传感器采集的泄漏声信号，i为信号中泄漏点的个数，a_i为泄漏声信号的衰减系数，s_i为第i个泄漏源信号，τ_i为两传感器间信号的时间延迟，n₁(t)与n₂(t)为信号中的噪声成分，假设源信号与噪声信号是互不相关的；互相关函数在时域描述两传感器信号间的相关性，而互相关函数与互功率谱密度函数是一个傅里叶变换对，即互谱能在频域描述两信号的相关性；使用周期图法计算信号的互功率谱，在计算互功率谱时将信号分成k段，则每段信号的功率谱值表示为式中为泄漏源信号的自谱；由信号的互功率谱密度函数得到其相位谱值即在无噪声理想情况下，在源信号频带内随频率呈线性变化，但在实际情况下信号互谱相位谱值存在相位卷绕，因此还能表示为式中τ_kf为信号在频点f处的时延值，且τ_kf∈[τ₁,…,τ_i]，p_f为信号在频点f处的相位卷绕因子；绘制泄漏声信号在不同频率下各段信号互谱相位谱的频点分布图；利用广义互相关法对泄漏声信号进行处理，确定信号的时延值τ_i；时延估计函数为式中ψ(k,f)为加权函数，此处ψ(k,f)选取为相位变换权，即W_snr(k,f)为信噪比权，表达式为式中λ(k,f)为泄漏声信号的信噪比系数，表示为λ(k,f)＝min(snr1,snr2)，λ_TH为泄漏声信号信噪比阈值；两个传感器采集信号的信噪比snr1与snr2表示为式中为两传感器信号的互功率谱，为两传感器信号的自功率谱；在估计出泄漏点的时延值τ_i后，根据τ_i确定其对应的互谱相位谱线性变化线(Phase‑linear variation line，PVL)，即由式(3)中相位谱值通过取余运算(mod(2π))获得，它在[‑π,π]范围内变化；求取信号相位谱值的偏移值，即偏移值与该频率处相位谱线性变化值之间的差值；若ρ(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点；在噪声影响下，泄漏相关的频点不一定分布在线性变化线附近，即相位谱与线性变化值之间相差较大；为尽可能确定与泄漏相关的所有频点，使用互谱相位谱线性变化线组来确定与泄漏点相关的频点，该线性变化线组由1条原始线性变化线(PVL)和2条有偏的线性变化线(Shift‑PVL，PVL的平行线)组成；信号互谱相位谱值与该频率处的有偏线性变化值之间的差值为式中δ_q为有偏的线性变化线相对于原始线性变化线的偏移值；在确定δ_q时，将式(11)在范围内进行全局寻优，即式(11)表示当取得最佳的偏移值时，有偏线性变化线捕捉到最多的频点，此时所有频点的相位谱值与有偏线性变化线的差值之和最小；此时，若ρ'(k,f,τ_i)小于阈值ρ_TH，则该频点为泄漏相关的频点；在确定与某泄漏点相关的频点后，为实现对下一个泄漏点的估计，需要将信号中与上一个泄漏点相关的信息从信号中移除，表示为式中W_R(k,f)为移除频点时对应的权函数，对于所有与某个泄漏点相关的频点，令W_R(k,f)＝0；当所有泄漏点被确定时，泄漏声信号相关函数不会存在明显峰值，相关系数也较低；因此使用泄漏声信号相关函数的品质因数值作为迭代终止的判定准则，即Q_R(τ)＜Q_TH    (13)式中Q_R(τ)为泄漏声信号相关函数的品质因数，Q_TH为品质因数阈值；相关函数品质因数的定义为式中R(τ)_max为互相关函数相关系数的最大值，B为带宽，即相关系数超过峰值一半以上对应的时间序列范围；在泄漏声信号迭代计算时，可能会对同一个泄漏点进行多次估计，因此要进行漏点合并；|τ_p‑τ_q|＜d/c,τ_m←{τ_p,τ_q}    (15)式中d为两泄漏点间距，c为波速，τ_m为两时延值为τ_p与τ_q相近的漏点合并后对应泄漏点的时延值；在实际应用中，将间距小于0.5m的两泄漏点合并，且最终的结果以这两个泄漏点中相关系数较大者为准，即