壓力管道聲發(fā)射信號(hào)去噪方法研究

孫瓊瓊，李 嫄

(泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，壓力管道作為重要的承壓類特種設(shè)備被廣泛應(yīng)用于石油、化工等基礎(chǔ)行業(yè)，并承擔(dān)著易燃、易爆、高溫、高壓介質(zhì)的輸送任務(wù)。一旦管道發(fā)生爆炸或泄漏，不僅對(duì)周圍環(huán)境及人身安全造成重大威脅，甚至?xí)斐蓢?guó)民經(jīng)濟(jì)的重大損失，因此定期對(duì)壓力管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)，能對(duì)可能發(fā)生的缺陷、失效模式進(jìn)行預(yù)警，從而保障壓力管道的安全運(yùn)行。

當(dāng)材料受到內(nèi)力或外力作用時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生變形或斷裂等外形變化，此時(shí)材料內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力波并釋放能量，這種現(xiàn)象叫做聲發(fā)射現(xiàn)象。其中，聲發(fā)射信號(hào)中含有材料內(nèi)部變化的大量缺陷信息，通過(guò)采集聲發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力管道的內(nèi)部損傷。

但是在壓力管道檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，由于傳播路徑、耦合效果和傳感器的響應(yīng)對(duì)最后接收到的聲發(fā)射信號(hào)都有影響，且周圍設(shè)備產(chǎn)生的噪聲信號(hào)及人為噪聲的廣泛存在，使得傳感器采集的聲發(fā)射信號(hào)淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中甚至嚴(yán)重失真，因此通過(guò)研究壓力管道聲發(fā)射信號(hào)采集過(guò)程中的去噪問(wèn)題，可將含噪的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行提純，對(duì)壓力管道泄漏定位將產(chǎn)生重要影響。

2 小波去噪

2.1 小波變換基礎(chǔ)理論

小波變換是一種可以處理時(shí)變信號(hào)的時(shí)頻分析方法。其原理是用一族函數(shù)來(lái)逼近信號(hào)，通過(guò)小波基不同尺度的平移和擴(kuò)展，形成小波函數(shù)系[2-3]。將基本小波函數(shù)記作ψ，伸縮因子為ψa,b(t)，平移因子τ，則小波函數(shù)ψa,τ(t)為：

(1)

(2)

(3)

2.2 小波閾值去噪

根據(jù)噪聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)在不同頻段的不同性能特征，小波閾值將設(shè)定閾值參數(shù)，將經(jīng)過(guò)小波分解后的小波系數(shù)，根據(jù)閾值參數(shù)分別進(jìn)行處理，最后將新得到的小波系數(shù)重構(gòu)，從而得到去噪后的信號(hào)。

假設(shè)壓力容器檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的聲發(fā)射信號(hào)為:s(t)=f(t)+δe(t)，其中f(t)為純凈的聲發(fā)射信號(hào)，e(t)為噪聲信號(hào)，s(t)為含噪聲的聲發(fā)射信號(hào)。在工程中多應(yīng)用小波閾值去噪進(jìn)行消噪處理。其基本步驟如下：

1.選擇最佳的小波基函數(shù)和分解層數(shù)，并對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到小波變換系數(shù)ωj,k；

3.將估計(jì)小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得到去噪后的信號(hào)。

3 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波器處理線性狀態(tài)空間中的含噪輸入信號(hào)和觀測(cè)信號(hào)，從而估計(jì)出最佳系統(tǒng)狀態(tài)，以獲得真實(shí)信號(hào)[5-6]。它利用遞歸算法和狀態(tài)空間，具有計(jì)算簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)量小，濾波狀態(tài)好，實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，可直接應(yīng)用于非平穩(wěn)和平穩(wěn)信號(hào)，其算法流程圖如圖1所示。

圖1 卡爾曼濾波流程圖

其中，方差更新為:

K(n)=K(n,n-1)-F(n,n+1)G(n)K(n,n-1)

下一時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)為：

新息更新為：

卡爾曼增益為：

G(n)=F(n+1,n)K(n,n-1)CH(n)[C(n)K

(n,n-1)CH(n)+Q2(n)]-1

方差預(yù)測(cè)為：

K(n+1,n)=F(n+1,n)K(n)FH(n+1,n)+

Q1(n)

4 小波-卡爾曼聯(lián)合濾波

4.1 小波-卡爾曼聯(lián)合濾波理論

由于壓力管道聲發(fā)射信號(hào)是典型的連續(xù)性、非平穩(wěn)信號(hào)，且不同干擾源對(duì)聲發(fā)射信號(hào)造成干擾的振動(dòng)幅度和持續(xù)時(shí)間都具有不確定性。但這些因素都會(huì)造成卡爾曼增益的變化，甚至造成系統(tǒng)發(fā)散，為克服卡爾曼的不足，故將小波濾波與卡爾曼濾波結(jié)合實(shí)現(xiàn)信號(hào)去噪預(yù)處理。圖2為小波-卡爾曼聯(lián)合濾波流程圖。

圖2 小波-卡爾曼聯(lián)合濾波流程圖

在小波閾值去噪過(guò)程中，影響去噪效果的4個(gè)因素分別為：小波基函數(shù)、閾值參數(shù)、分解層數(shù)和閾值函數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選用Symlets小波作為分析聲發(fā)射信號(hào)小波基函數(shù)，并進(jìn)行4層分解，通過(guò)軟閾值去噪方式進(jìn)行去噪預(yù)處理。

4.2 仿真試驗(yàn)

選用MATLAB為編程上位機(jī)，采集壓力管道泄漏信號(hào)，圖3為含噪信號(hào)與經(jīng)過(guò)小波-卡爾曼濾波后信號(hào)對(duì)比圖，經(jīng)信噪比計(jì)算，原始信號(hào)信噪比為13.1 dB，濾波處理后信噪比為34.2 dB，信噪比提高了21.1 dB，信噪比增益為2.7?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)小波-卡爾曼濾波處理后，信號(hào)的本底噪聲得到了大量剔除，且在信號(hào)泄漏突變部位變化較明顯，更有利于識(shí)別泄漏信號(hào)，后續(xù)定位處理將更為精確。

圖3 含噪聲信號(hào)與去噪后信號(hào)對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)壓力管道檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的聲發(fā)射信號(hào)及噪聲特點(diǎn)，研究了小波閾值去噪、卡爾曼濾波的理論基礎(chǔ)，采用小波-卡爾曼聯(lián)合濾波進(jìn)行含噪信號(hào)去噪處理。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，小波-卡爾曼聯(lián)合濾波能明顯去除噪聲，提高信號(hào)信噪比，對(duì)后續(xù)泄漏定位具有重要意義，可廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。