[发明专利]基于声波实时数据二级筛选的管道泄漏检测方法

摘要

本发明提供一种基于声波实时数据二级筛选的管道泄漏检测方法，涉及管道泄漏检测技术领域。采用包括声波传感器模块、DSP处理模块、ARM控制模块、A/D转换模块、数据存储模块、GPRS无线通信模块、GPS校时定位模块、信号调理放大模块和太阳能蓄电池模块的装置实现，声波信号经采集转换后为模拟量，再转成数字信号传给DSP处理模块和数据存储模块，处理、分析、筛选后将需发送的数据包发给ARM控制模块，从数据存储模块中将相应的数据包经GPRS无线通信模块发至上位机。根据声波实时数据信息，对典型信号进行二级筛选，在野外环境中无线发送管道泄漏信号，传输数据量有效减少，大大的节约了上位机的存储空间，提高效率。

主权项

1.一种基于声波实时数据二级筛选的管道泄漏检测方法，其特征在于：采用一种基于声波实时数据二级筛选的管道泄漏检测装置实现，该装置包括声波传感器模块、野外二级数据筛选无线发送模块和太阳能蓄电池模块；所述声波传感器模块，为分布在待监控管道管壁上的对多个点的声波信号进行采集的加速度传感器，用于将采集到的声波数据传送至所述野外二级数据筛选无线发送模块；所述野外二级数据筛选无线发送模块，工作在野外，用于将采集到的声波数据进行筛选处理，将关注的典型信号发送至上位机，同时对太阳能蓄电池模块进行电源管理；所述太阳能蓄电池模块包括太阳电池板和蓄电池，用于对整个管道泄漏检测装置进行供电；所述野外二级数据筛选无线发送模块包括DSP处理模块、ARM控制模块、A/D转换模块、数据存储模块、GPRS无线通信模块、GPS校时定位模块和信号调理放大模块；所述DSP处理模块用于对数据进行处理、分析和筛选；所述ARM控制模块用于将AD转换后的声波数据同时传递到所述数据存储模块和DSP处理模块，将GPS接收校时信息打包加入数据包，最后将需要发送的典型数据、时间、地理位置通过GPRS无线通信模块打包，通过无线网络传至上位机，并对所述太阳能蓄电池模块的电能情况进行管理；所述数据存储模块用于将数据进行实时的离线存储；所述GPRS无线通信模块用于将数据包通过无线网络发送至上位机；所述GPS校时定位模块用于根据GPS天线接收到卫星的信息将时间进行解码校时，并在校时中采用秒脉冲的上升边沿进行时间同步；所述信号调理放大模块包括供电电路与滤波放大电路，所述供电电路用于对IEPE加速度传感器提供恒流源，所述滤波放大电路用于将采集的声波信号滤波放大后转换为便于测量的±10V信号范围；所述A/D转换模块用于将所述声波传感器模块采集到的声波模拟信号转化成数字信号，并传递给所述ARM控制模块；所述野外二级数据筛选无线发送模块包括三块基板和一块底板，所述DSP处理模块与ARM控制模块和数据存储模块设于第一基板上，第一基板上包括控制芯片DSP处理器及ARM处理器、辅助工作电路、外设接口、状态指示灯和稳压电路；所述GPRS无线通信模块和GPS校时定位模块设于第二基板上，第二基板上包括辅助外部电路、GPRS天线和GPS天线的同轴接线端；所述A/D转换模块与信号调理放大模块设于第三基板上；所述第一基板、第二基板和第三基板通过总线插槽连接在底板上，使得各个基板相互连接，太阳能蓄电池模块对各个基板提供电源；该方法包括以下步骤：步骤1：安装基于声波实时数据二级筛选的管道泄漏检测装置，在启动装置前，对该装置中的各模块进行初始化操作；步骤2：启动装置，设置声波信号的采样频率和滤波电路的截止频率，采集声波信号，并经过滤波放大后转化成数字信号；步骤3：GPS校时定位模块将接收到的卫星信号传输到ARM控制模块中，在秒脉冲上升沿到达时进行校时；步骤4：ARM控制模块将声波数字信号以每秒进行打包存储为秒级声波数据包，同时根据GPS的校时时间和地理位置信息给秒级声波数据包打上标签，然后将秒级声波数据包传给DSP处理模块；步骤5：DSP处理模块对秒级声波数据包进行粗略FFT筛选和精细EMD筛选的二级筛选，判断是否为典型信号，将此信息发送给ARM处理模块，具体方法为：步骤5.1：采用FFT将时域的信号转换到频域进行阈值和自相关处理，对秒级声波数据包的筛选首先进行一级粗略筛选，具体包括如下步骤：步骤5.1.1：对有限长离散声波数字信号进行分解，得到声波两点的DFT，其中声波数字信号的采样频率为N Hz，一共进行次分解；步骤5.1.2：将声波数据按顺序存入数据存储模块，通过变址运算将自然顺序的存储变成码位倒置顺序的存储，进行FFT的原位运算；步骤5.1.3：进行声波信号的第一级蝶形运算至第级蝶形运算，得到频率谱；步骤5.1.4：在频率谱中针对不同地理环境下的管线设置不同的带通阈值进行滤波，去掉低频段和高频段的背景噪声，得到关心的典型信号滤波后的声波信号x(n)；步骤5.1.5：对不同的管道进行无泄漏时声波数据的采集，得到无泄漏数据函数y(m)，将这些无泄漏数据函数作为管线的函数库存储于DSP处理模块中，用于调用；步骤5.1.6：在DSP处理模块中对步骤5.1.4滤波后得到的声波信号x(n)与步骤5.1.5得到的无泄漏声波数据函数y(m)进行快速相关运算，得到互相关函数公式为：ryx(n)＝IFFT(Ryx(k))，其中，Ryx(k)＝X(k)×Y*(k)，为X(k)与Y(k)的卷积运算，X(k)与Y(k)分别为声波信号x(n)和无泄漏时声波数据函数y(m)的FFT；步骤5.1.7：确定快速互相关函数ryx(n)的最大值rmax，对得到的互相关函数进行判断，当相关性较大，即最大值rmax大于等于预设阈值T时，则本次声波信号数据x(n)关于阈值T是不发送数据的标志，将不发送的标志位返回到ARM控制模块，粗略筛选结束，执行步骤6；当相关性较小，即最大值rmax小于预设阈值T时，执行步骤5.2，进行精细EMD筛选；步骤5.2：将原始声波信号分解成多个特征模态函数(IMF)声波，对于秒级声波数据包进行二级精细EMD筛选，具体包括如下步骤：步骤5.2.1：确定采集的原始声波信号x(t)上的局部极大值点与局部极小值点，利用三次样条插值曲线，将声波信号的所有局部极大值点拟合出上包络线声波信号xmax(t)，将声波信号的所有局部极小值点拟合出下包络线声波信号xmin(t)；步骤5.2.2：确定上下两条包络线声波信号的均值m₁(t)，步骤5.2.3：用原始声波信号数据x(t)减去m1(t)得到声波序列h1(t)，h1(t)＝x(t)‑m1(t)；步骤5.2.4：判断得到的声波序列h1(t)是否满足IMF的已知限制条件，若不满足，则将声波序列h1(t)作为新的声波信号替换原始声波信号x(t)，返回步骤5.2.1，重新确定上下包络线，重新进行本次分解；若满足，则将声波序列h1(t)作为从原始声波信号筛选出的第一阶段IMF分量C1(t)，其中包含了声波信号的高频成分，执行步骤5.2.5；步骤5.2.5：将第一阶段IMF分量C1(t)从原始声波信号x(t)中分离出来，得到一个去掉高频分量的差值声波信号r1(t)，r1(t)＝x(t)‑C1(t)；步骤5.2.6：判断差值声波信号r1(t)是否为单调函数，若否，则将差值声波信号r1(t)作为新的声波信号替换原始声波信号x(t)，返回步骤5.2.1，进行下一次分解，直到分解得到的差值声波信号是单调函数，该差值声波信号则为残余声波信号，执行步骤5.2.7；步骤5.2.7：将原始声波信号x(t)用分解得到的IMF分量的和与最后一次分解得到的残余声波信号相加来表示，即其中，C_j(t)表示第j次分解得到的IMF分量，各个IMF分量声波信号分别代表了从高到低的不同频段的成分，s表示分解的IMF分量的个数，r_s(t)表示最后一次分解得到的残余声波信号；步骤5.3：利用步骤5.1的FFT变换方法对典型信号x(n)与无泄漏数据函数y(m)得到经验模态分解后的前L层IMF的频率特征；步骤5.4：对不同的工况得到背景噪声的IMF的频率特征与采集到的不同的IMF的频率特征进行幅值比较，得到是否为典型信号；若没有得到典型信号，则将不发送标志位返回到ARM控制模块；若得到典型信号，则将发送标志位返回到ARM控制模块；步骤6：当ARM控制模块接收到不发送标志位指令时，将管道泄漏检测装置正常标志发送给数据发送模块，数据发送模块将管道泄漏检测装置正常工作状态传递给上位机；当ARM控制模块接收到发送标志位指令时，ARM控制模块将存在数据存储模块的前λ分钟的数据包传递给GPRS无线通信模块，GPRS无线通信模块通过无线网络传输到上位机。