專利名稱：一種管道信號噪聲抑制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力管道信號噪聲消除技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種管道信號噪聲抑制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
管道運輸是運輸量大、安全性高、節(jié)能經(jīng)濟的油氣輸送方式。近期我國將建成多條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”，超過10萬公里的油氣管輸格局。
由于管道運輸固有的高壓、易燃、易爆特性，長輸管道的安全管理極為重要。泄漏是長輸管道運行中最主要的安全隱患之一，氣體管道的泄漏往往會造成中毒、火災(zāi)和爆炸等嚴重事故。近年來，犯罪分子在原油、成品油管道打孔盜油，給國家造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此加強對管道的安全性管理，提高管道泄漏監(jiān)控的有效性成為當務(wù)之急。而對管道泄漏的有效監(jiān)控，是以獲得及時可靠的管道運行信號為基礎(chǔ)的。
目前，由于信號失真而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤報情況舉不勝舉，使得管道泄漏監(jiān)控成為紙上談兵，實際上，油氣管道因及時監(jiān)控到泄漏信息而獲得的經(jīng)濟效益微乎其微。


發(fā)明內(nèi)容
針對管道監(jiān)控實際環(huán)境中獲取的監(jiān)控信號往往信噪比極低，影響和限制了監(jiān)控可靠性和定位準確度這一實際問題，以及目前用于管道信號中的去噪方法研究滯后這一理論問題；本發(fā)明立足于對管道信號噪音的處理，將系統(tǒng)獲得的信號通過管道信號噪聲抑制方法以抑制管道信號噪聲；即通過自適應(yīng)濾波、背景噪音功率譜估計、維納濾波，提高被檢測信號的信噪比，然后將去除噪音及干擾之后的目標信號傳輸給系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對管道泄漏的有效監(jiān)控。
為此，本發(fā)明提出了一種管道信號噪聲抑制系統(tǒng)，該管道信號模型如下 y(n)＝s(n)+b(n)+c(n) 其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號，采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾；s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號，可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號；b(n)是背景噪聲信號；c(n)是干擾噪聲信號；該系統(tǒng)包括在管道上安裝采集y(n)信號的多個傳感器，采集管道上不同位置的信號；維納濾波器，對采集的信號抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲；自適應(yīng)濾波器，對經(jīng)過維納濾波器處理后的信號抑制管道操作引起的干擾噪聲。
本發(fā)明還提出一種管道信號噪聲抑制方法，該管道信號模型如下 y(n)＝s(n)+b(n)+c(n) 其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號，采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾；s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號，可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號；b(n)是背景噪聲信號；c(n)是干擾噪聲信號；該方法包括在管道上安裝采集y(n)信號的多個傳感器，采集管道上不同位置的信號，對采集的信號通過維納濾波抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，并對經(jīng)過維納濾波后的信號通過自適應(yīng)濾波抑制管道操作引起的干擾噪聲； 其中，通過傳感器采集管道停輸狀態(tài)，管道啟輸狀態(tài)，管道輸送狀態(tài)和管道停輸狀態(tài)這四種狀態(tài)的背景噪聲，估計其噪聲功率譜均值，經(jīng)加權(quán)平均后作為系統(tǒng)背景噪聲功率譜初始值 并選擇系統(tǒng)信噪比較低的時刻和頻率點，進行背景噪聲功率譜的如下更新 其中λ是遺忘因子，系統(tǒng)中選擇λ取值范圍為0.8到1.0之間，β用來控制跟蹤噪聲信號功率譜的信噪比，系統(tǒng)中選擇β取值范圍在1.2到5.0之間； 在此基礎(chǔ)上，通過維納濾波可以線性最優(yōu)地去除背景噪聲； 自適應(yīng)濾波將經(jīng)過維納濾波的信號采用最小均方差誤差準則，利用LMS方法，估計自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，并去除干擾噪聲；基于自適應(yīng)濾波的干擾噪聲抑制方法，迭代步驟如下 (1)初始化，選定初始權(quán)值ω(k) (2)計算k時刻濾波器的輸出為z(k)＝ω(k)y(k) (3)抵消器誤差輸出e(k)＝y(tǒng)(k)-z(k) (4)下一時刻權(quán)向量更新為w(k+1)＝ω(k)+2μe(k)y(k) (5)k＝k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)，重復(fù)迭代，直到算法收斂。



下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。
圖1無分支無噪聲源管道傳感器安裝方法； 圖2無分支無噪聲源管道傳感器安裝方法； 圖3有分支噪聲源管道，4傳感器安裝方法； 圖4有分支噪聲源管道，多傳感器安裝方法； 圖5系統(tǒng)工作原理框圖； 圖6自適應(yīng)噪聲抵消方法。

具體實施例方式 首先，需要在管道上安裝多個傳感器(可以是加速度傳感器、振動傳感器、壓力傳感器、聲波傳感器、溫度傳感器和流量信號傳感器等)采集管道上不同位置的信號。然后利用維納濾波器抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，利用自適應(yīng)濾波器抑制管道操作引起的干擾。
首先定義管道信號模型如下 y(n)＝s(n)+b(n)+c(n) (1) 其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號。采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號。通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾。
s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號?？梢允羌铀俣刃盘?、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，該信號未知。
b(n)是背景噪聲信號。這里把電路噪聲、管道內(nèi)信號噪聲等功率譜隨時間緩慢變化的信號定義為背景噪聲信號。
c(n)是干擾噪聲信號。這里把管道操作引起的信號干擾、人為破壞引起的信號干擾等功率譜隨時間變化較快的信號定義為干擾噪聲信號。
把公式(1)變換到頻域，結(jié)果如下 Y(k)＝S(k)+B(k)+C(k) (2) 其中，Y(k)是采集到信號的功率譜；S(k)是目標信號功率譜；B(k)是背景噪聲功率譜；C(k)是干擾噪聲功率譜。
1.傳感器安裝方法 為了達到良好的噪聲抑制效果，需要精心選擇傳感器安裝位置。本發(fā)明提出如下傳感器安裝方法 1.1無分支管道，管道沒有噪聲源 選擇管道上安裝2個傳感器，如圖1所示。兩個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自某個方向的信號噪聲。
1.2無分支管道，管道有噪聲源 選擇管道上安裝4個傳感器，如圖2所示。4個傳感器組成2個傳感器對。每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自某個方向的信號噪聲。
1.3有1個或多個分支管道，分支管道有噪聲源 方法1在管道上安裝4個傳感器，如圖3所示。4個傳感器組成2個傳感器對。每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自某個方向的信號噪聲。
方法2在管道上安裝多個傳感器，如圖4所示。多個傳感器組成2個傳感器陣列。每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。通過自適應(yīng)濾波，可以有效過濾來自某個方向的信號噪聲。
基于此，本方法及系統(tǒng)利用維納濾波抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，利用自適應(yīng)濾波器抑制管道操作引起的干擾。系統(tǒng)工作流程框圖如圖5所示。
2.維納濾波 維納濾波是Norbert Wiener在二十世紀四十年代提出的一種濾波器，主要是為解決最佳線性過濾和預(yù)測問題，它是均方誤差最小準則上的線性最優(yōu)解。對于平穩(wěn)噪聲，維納濾波能夠?qū)崿F(xiàn)較好的噪聲抑制，并且不會引起很大的目標估計失真和背景殘留噪聲。
研究發(fā)現(xiàn)，基于后驗信噪比估計的維納濾波對平穩(wěn)噪聲，特別是單音干擾降噪效果非常理想。對于信噪比0db-20db的條件下，濾波后信噪比大約能提高10db，目標信號得到有效增強。
基于維納濾波的管道背景噪聲抑制方法通常在頻域進行處理，步驟如下 1)系統(tǒng)背景噪聲功率譜初始化 由于管道運行狀態(tài)不同，背景噪聲也不同。通常，在SCADA系統(tǒng)調(diào)試階段采集不同狀態(tài)下的系統(tǒng)背景噪聲，并估計其噪聲功率譜均值。經(jīng)過加權(quán)平均后的噪聲功率譜做為系統(tǒng)背景噪聲功率譜初始值，如公式(3)所示。本方法及系統(tǒng)選擇4個狀態(tài)，采集管道背景噪聲，分別是管道停輸狀態(tài)，管道啟輸狀態(tài)，管道輸送狀態(tài)和管道停輸狀態(tài)。
2)背景噪聲功率譜估計 在采集到的信號頻譜圖上，當目標信號能量很低時，信號主要是噪聲信號。可以自適應(yīng)的跟蹤噪聲信號的功率譜，如公式(4)所示。本方法選擇系統(tǒng)信噪比較低的時刻和頻率點，進行背景噪聲功率譜的更新。其中λ是遺忘因子，本方法及系統(tǒng)中選擇λ取值范圍為0.8到1.0之間。β用來控制跟蹤噪聲信號功率譜的信噪比，本方法及系統(tǒng)中選擇β取值范圍在1.2到5.0之間。
3)維納濾波器參數(shù)估計 本方法及系統(tǒng)中認為背景噪聲和被檢測信號不相關(guān)。在完成背景噪聲功率譜估計的情況下，根據(jù)維納濾波，可以獲得去除背景噪聲的線性最優(yōu)解，如公式(5)所示。
4)濾波 3.自適應(yīng)噪聲抵消 采集到的信號經(jīng)過維納濾波之后得到的信號包括目標信號s(n)和干擾信號c(n)。本方法及系統(tǒng)中將采用自適應(yīng)濾波的方法去除管道操作和人為破壞引起的干擾信號。
經(jīng)過維納濾波的信號主要表示為 y(n)＝s(n)+c(n) (7) 根據(jù)管道現(xiàn)場情況，噪聲傳感器的輸出c(n)經(jīng)參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器后，送入抵消器，產(chǎn)生的輸出信號z(n)，根據(jù)兩噪聲信號相關(guān)和信號噪聲獨立的特性，利用自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)數(shù)字濾波器的參數(shù)，使得輸出信號z(n)逼近信號源迭加的噪聲c(n)，這樣抵消器的輸出信號e(n)逼近被測信號s(n)。
如圖6所示，本方法及系統(tǒng)中采用最小均方差誤差準則，利用LMS方法，估計自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，并去除干擾噪聲。
基于自適應(yīng)濾波的干擾噪聲抑制方法，迭代算法步驟如下 (1)初始化，選定初始權(quán)值ω(k)。
(2)計算k時刻濾波器的輸出為z(k)＝ω(k)y(k)。
(3)抵消器誤差輸出e(k)＝y(tǒng)(k)-z(k)。
(4)下一時刻權(quán)向量更新為w(k+1)＝ω(k)+2μe(k)y(k)。
(5)k＝k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)，重復(fù)迭代，直到算法收斂。
算法穩(wěn)定性取決于兩個因素，自適應(yīng)步長參數(shù)μ和自相關(guān)矩陣R。算法收斂件是0＜μ＜1/λmax，λmax是相關(guān)矩陣R的最大特征值，權(quán)值向量趨近最佳維納解。μ的取值和濾波器的階數(shù)成反比，根據(jù)濾波器的階數(shù)取不同的步長，可以保證較好的處理結(jié)果。當濾波器階數(shù)一定時，μ的大小控制著算法的收斂速度和達到穩(wěn)態(tài)的失調(diào)量的大小。收斂速度和失調(diào)量是一對矛盾，選用較大的μ，有較快的收斂速度，但是由于大的μ值相應(yīng)的信噪比小，會導(dǎo)致較大的失調(diào)量；過渡過程出現(xiàn)振蕩，不能收斂。μ取值過小信噪比大，但收斂速度會很慢，所以取值要折中。
權(quán)利要求
1.一種管道信號噪聲抑制系統(tǒng)，該管道信號模型如下
y(n)＝s(n)+b(n)+c(n)
其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號，采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾；s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號，可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號；b(n)是背景噪聲信號；c(n)是干擾噪聲信號；該系統(tǒng)包括在管道上安裝采集y(n)信號的多個傳感器，采集管道上不同位置的信號；維納濾波器，對采集的信號抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲；自適應(yīng)濾波器，對經(jīng)過維納濾波器處理后的信號抑制管道操作引起的干擾噪聲；
其中，通過傳感器采集管道停輸狀態(tài)，管道啟輸狀態(tài)，管道輸送狀態(tài)和管道停輸狀態(tài)這四種狀態(tài)的背景噪聲，估計其噪聲功率譜均值，經(jīng)加權(quán)平均后作為系統(tǒng)背景噪戶功率譜初始值
并選擇系統(tǒng)信噪比較低的時刻和頻率點，進行背景噪聲功率譜的如下更新
其中λ是遺忘因子，系統(tǒng)中選擇λ取值范圍為0.8到1.0之間，β用來控制跟蹤噪聲信號功率譜的信噪比，系統(tǒng)中選擇β取值范圍在1.2到5.0之間；
在此基礎(chǔ)上，通過維納濾波器可以線性最優(yōu)地去除背景噪聲；
自適應(yīng)濾波器將經(jīng)過維納濾波的信號采用最小均方差誤差準則，利用LMS方法，估計自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，并去除干擾噪聲；基于自適應(yīng)濾波的干擾噪聲抑制方法，迭代步驟如下
(1)初始化，選定初始權(quán)值ω(k)
(2)計算k時刻濾波器的輸出為z(k)＝ω(k)y(k)
(3)抵消器誤差輸出e(k)＝y(tǒng)(k)-z(k)
(4)下一時刻權(quán)向量更新為w(k+1)＝ω(k)+2μe(k)y(k)
(5)k＝k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)，重復(fù)迭代，直到算法收斂。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其傳感器包括加速度傳感器，振動傳感器，壓力傳感器，聲波傳感器，溫度傳感器，流量信號傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，對于管道沒有噪聲源的無分支管道，在管道上安裝2個傳感器，兩個傳感器之間的安裝間距為5米~200米；而對于管道有噪聲源的無分支管道，在管道上安裝4個傳感器，4個傳感器組成2個傳感器對，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，對于有噪聲源的具有1個或多個分支的管道，在管道上安裝4個傳感器，4個傳感器組成2個傳感器對，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，對于有噪聲源的具有1個或多個分支的管道，在管道上安裝多個傳感器，多個傳感器組成2個傳感器陣列，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
6.一種管道信號噪聲抑制方法，該管道信號模型如下
y(n)＝s(n)+b(n)+c(n)
其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號，采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾；s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號，可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號；b(n)是背景噪聲信號；c(n)是干擾噪聲信號；該方法包括在管道上安裝采集y(n)信號的多個傳感器，采集管道上不同位置的信號，對采集的信號通過維納濾波抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，并對經(jīng)過維納濾波后的信號通過自適應(yīng)濾波抑制管道操作引起的干擾噪聲；
其中，通過傳感器采集管道停輸狀態(tài)，管道啟輸狀態(tài)，管道輸送狀態(tài)和管道停輸狀態(tài)四種狀態(tài)的背景噪聲，估計其噪聲功率譜均值，經(jīng)加權(quán)平均后作為系統(tǒng)背景噪戶功率譜初始值
并選擇系統(tǒng)信噪比較低的時刻和頻率點，進行背景噪聲功率譜的如下更新
其中λ是遺忘因子，系統(tǒng)中選擇λ取值范圍為0.8到1.0之間，β用來控制跟蹤噪聲信號功率譜的信噪比，系統(tǒng)中選擇β取值范圍在1.2到5.0之間；
在此基礎(chǔ)上，通過維納濾波可以線性最優(yōu)地去除背景噪聲；
自適應(yīng)濾波將經(jīng)過維納濾波的信號采用最小均方差誤差準則，利用LMS方法，估計自適應(yīng)濾波器的參數(shù)，并去除干擾噪聲；基于自適應(yīng)濾波的干擾噪聲抑制方法，迭代步驟如下
(1)初始化，選定初始權(quán)值ω(k)
(2)計算k時刻濾波器的輸出為z(k)＝ω(k)y(k)
(3)抵消器誤差輸出e(k)＝y(tǒng)(k)-z(k)
(4)下一時刻權(quán)向量更新為w(k+1)＝ω(k)+2μe(k)y(k)
(5)k＝k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)，重復(fù)迭代，直到算法收斂。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其傳感器包括加速度傳感器，振動傳感器，壓力傳感器，聲波傳感器，溫度傳感器，流量信號傳感器。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，對于管道沒有噪聲源的無分支管道，在管道上安裝2個傳感器，兩個傳感器之間的安裝間距為5米~200米；而對于管道有噪聲源的無分支管道，在管道上安裝4個傳感器，4個傳感器組成2個傳感器對，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，對于有噪聲源的具有1個或多個分支的管道，在管道上安裝4個傳感器，4個傳感器組成2個傳感器對，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，對于有噪聲源的具有1個或多個分支的管道，在管道上安裝多個傳感器，多個傳感器組成2個傳感器陣列，每個傳感器對的2個傳感器之間的安裝間距為5米~200米。
全文摘要
一種管道信號噪聲抑制方法及系統(tǒng)，該管道信號模型為y(n)＝s(n)+b(n)+c(n)，其中，y(n)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信號，采集到的信號可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號，通常，采集到的信號包括目標信號及各種噪聲和干擾；s(n)是管道內(nèi)待檢測目標信號，可以是加速度信號、振動信號、壓力信號、聲波信號、溫度信號和流量信號；b(n)是背景噪聲信號；c(n)是干擾噪聲信號；通過在管道上安裝采集y(n)信號的多個傳感器，采集管道上不同位置的信號，對采集的信號通過維納濾波器抑制平穩(wěn)或者緩慢變化的背景噪聲，并對經(jīng)過維納濾波器處理后的信號通過自適應(yīng)濾波器抑制管道操作引起的干擾噪聲。
文檔編號F16L55/02GK101718384SQ20091025920
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者羅宇, 萬洪杰, 龍軼偉, 傅強, 張海云 申請人:北京知容寓遠軟件科技有限公司