譜減法在船舶管道泄漏檢測中的應(yīng)用研究

韓錫嶺

（92337部隊(duì)，遼寧大連 116023）

船舶管道泄漏會(huì)造成資源流失、連接部件腐蝕，更會(huì)給航行帶來重大安全隱患，管道的泄漏檢測一直是各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1]。目前，管道的泄漏檢測方法有聽音法、壓力檢測法、流量檢測法、探地雷達(dá)法、示蹤劑追蹤法、紅外熱成像法等[2]。在各種檢測方法中，基于振動(dòng)和聲信號的相關(guān)檢測法得到了有效的驗(yàn)證，成為泄漏監(jiān)測的重要方法之一[3-4]。但由于船舶大部分管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜或包含敷設(shè)層，可采集到的故障信號十分微弱，加之各種噪聲干擾對采集信號的影響，有用信號幾乎被淹沒在噪聲中，因此如何對信號去噪是十分重要的問題。本文研究了譜減法在泄漏信號相關(guān)檢測中的去噪聲應(yīng)用。

1 基于譜減法的相關(guān)定位檢測

1.1 相關(guān)定位檢測原理

相關(guān)是指在同一時(shí)刻2 個(gè)時(shí)間序列的相關(guān)程度，在管道泄漏檢測中，相關(guān)是一種有效的定位方法。由于實(shí)測數(shù)據(jù)中泄漏信號和環(huán)境噪聲的相關(guān)函數(shù)具有不同特點(diǎn)，有效信號與噪聲的相關(guān)性弱，噪聲間的相關(guān)性弱，其相關(guān)函數(shù)值數(shù)量級很小，而泄漏信號的相關(guān)性強(qiáng)，其函數(shù)值較大[5]。所以對兩傳感器采集到的信號做互相關(guān)計(jì)算，即可以排除一定的噪聲干擾，也可以根據(jù)互相關(guān)函數(shù)峰值所對應(yīng)時(shí)間差，求得泄漏位置。

設(shè)傳感器接收泄漏信號為x1（t）、x2（t），噪聲信號為n1（t）、n2（t），則兩傳感器采集的信號f1（t）、f2（t）可以簡化為：

2組信號的相關(guān)函數(shù)Rff(τ)[6]為：

式中，Rxx(τ)、Rx1n2(τ)為x1(t)x2(t)和x1(t)n2(t)的互相關(guān)函數(shù)；Rn1x2(τ)、Rnn(τ)為n1(t)x2(t)和n1(t)n2(t)的互相關(guān)函數(shù)；τ為時(shí)間間隔。

由于泄漏信號與噪聲的相關(guān)性弱、兩傳感器采集到的噪聲信號間相關(guān)性弱，故其值相對較小，即傳感器采集信號的相關(guān)函數(shù)Rff(τ)主要為泄漏信號的相關(guān)函數(shù)Rxx(τ)。函數(shù)的峰值處對應(yīng)的即為泄漏信號抵達(dá)兩傳感器的時(shí)間差為Δt，由方程(3)、(4)，即求得泄漏點(diǎn)的相對位置[7]：

式中，Δt為泄漏信號抵達(dá)兩傳感器的時(shí)間差；v為信號的傳播速度；l1、l2為兩傳感器與泄漏點(diǎn)的距離；l為兩傳感器間的距離。

1.2 譜減法去噪處理

在實(shí)際環(huán)境中，并不是所有的干擾都是不相關(guān)的白噪聲，例如機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的干擾信號經(jīng)相關(guān)計(jì)算同樣會(huì)有不位于零點(diǎn)的峰值存在；并且信號沿管路傳播會(huì)產(chǎn)生衰減和畸變，所以應(yīng)用相關(guān)法定位泄漏前，應(yīng)先對信號進(jìn)行必要的去噪聲處理。

譜減法多應(yīng)用于對語音信號去噪[8]，其原理為將原信號進(jìn)行幅值譜和相位譜的分解，將幅值小于一定值的噪聲部分去掉之后，再根據(jù)新得到的幅值譜、相位譜進(jìn)行信號還原[9]，因此譜減法可以去除背景中的平穩(wěn)噪聲。在應(yīng)用譜減法進(jìn)行管道泄漏檢測時(shí)，需要將無泄漏情況的信號作為參考信號，用實(shí)際采集的信號頻譜減去參考信號的頻譜達(dá)到去噪目的。

譜減法的第一步是將信號分幀做離散傅里葉變換后可得其幅值：

式中，Xi(k)為第i幀分量的幅值；xi（n）為分幀處理得到第i幀信號，n為自變量；j為虛數(shù)；k=0，1，…，N-1，N為每幀的長度：XAi（k）為xi（n）的相位譜。

對環(huán)境噪聲信號進(jìn)行分幀處理，每幀長度與泄漏信號的分幀長度N相同，同樣進(jìn)行離散傅里葉變換，得到的結(jié)果為Zi（k），設(shè)噪聲共分了M幀，則整段環(huán)境噪聲的幅值平均值-Z(k)為：

在泄漏信號的幅值中減去噪聲的幅值即為譜減法原理，得到的幅值譜XPi（k）為：

根據(jù)譜減法得到的幅值譜XPi（k）及原信號f（n）的相位譜XAi（k），采用傅里葉逆變換即為譜減后的信號xpi（n）。譜減法工作流程如圖1所示。

圖1 譜減法工作流程

譜減法去除隨機(jī)干擾前后對比圖見圖2，譜減法去除信號中固定頻率干擾前后對比圖見圖3。從圖2（a）知，正弦信號受到了噪聲的干擾；由圖2（b）知，除了20 Hz 線譜外，還有寬頻帶的噪聲頻率成份。圖2（c)、（d）是應(yīng)用譜減法后得到的時(shí)域圖和頻譜圖，從時(shí)域曲線和頻域曲線可知噪聲被濾除。圖3中，信號中的噪聲是在背景噪聲的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)固定頻率的信號，模擬機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的干擾。采用譜減法后，得到圖3（c）、（d）的結(jié)果。由此可知該方法對這種干擾噪聲有良好的去噪效果。

圖2 譜減法去除隨機(jī)干擾前后對比圖

圖3 譜減法去除信號中固定頻率干擾前后對比圖

2 試驗(yàn)研究

應(yīng)用相關(guān)法進(jìn)行泄漏定位，其定位原理是根據(jù)泄漏信號的相關(guān)性強(qiáng)，而噪聲干擾與之的相關(guān)性弱，將不同傳感器采集信號進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，其峰值處對應(yīng)的即為泄漏信號抵達(dá)兩傳感器的時(shí)間差，進(jìn)而達(dá)到定位泄漏點(diǎn)的目的[10]。試驗(yàn)管道及傳感器布置圖如圖4 所示，將傳感器1 放置于泄漏點(diǎn)上游0.24 m 處，傳感器2 布置在泄漏點(diǎn)下游10 m處，同時(shí)采集信號。不同感應(yīng)器采集實(shí)測信號的互相關(guān)函數(shù)如圖5 所示。由圖5 可以看到互相關(guān)函數(shù)峰值不太明顯，所以需要對信號進(jìn)行必要的去噪聲處理。

圖4 試驗(yàn)管道及傳感器布置圖

圖5 不同傳感器采集信號的互相關(guān)函數(shù)

假設(shè)管道發(fā)生泄漏前后背景噪聲不發(fā)生變化，所以可將未發(fā)生泄漏時(shí)采集的信號作為參考量進(jìn)行譜減。在實(shí)際操作中，也可單獨(dú)布置傳感器專門記錄環(huán)境噪聲作為譜減參考，即成對的布置傳感器，一個(gè)布置在管道上，另一個(gè)布置在附近其他的穩(wěn)定物體上，用來采集背景信號作為譜減的參考。

將兩傳感器采集的信號經(jīng)譜減法去噪處理后進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算。圖6 為去噪后信號的互相關(guān)函數(shù)，經(jīng)對比可以看到去噪后的互相關(guān)函數(shù)峰值較明顯，其峰值處對應(yīng)0.002 1 s，已知鋼鐵中波速大概為5 200 m/s，故兩傳感器與泄漏點(diǎn)的距離差值（l1-l2）約為10.9 m，由式（4）可以計(jì)算出泄漏點(diǎn)相對位置為0.2 m，與實(shí)際情況大致相符。通過上述試驗(yàn)可以認(rèn)定，應(yīng)用譜減法去噪有效去除了干擾噪聲，提高了定位的準(zhǔn)確度。

圖6 去噪后信號的互相關(guān)函數(shù)

3 結(jié)束語

船舶管道泄漏過程中，其故障信號不可避免地受到噪聲干擾，在互相關(guān)檢測的基礎(chǔ)上，研究了泄漏故障信號譜減去噪法，并對其開展了仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)管道泄漏振動(dòng)信號與環(huán)境噪聲的不同特點(diǎn)，應(yīng)用譜減法對實(shí)測信號進(jìn)行分解、去噪、重建，有效地去除了信號中的噪聲。采用譜減法對管道的泄漏信號進(jìn)行分析和去噪，可以提高互相關(guān)定位計(jì)算的準(zhǔn)確度，對管道的泄漏定位監(jiān)測具有實(shí)用價(jià)值。