基于盲源分离的管道声波信号分析及处理方法探究

段玉波，殷 琴，高丙坤

（东北石油大学，大庆 163318）

0 引言

管道泄漏检测技术是与国民经济紧密相连的主要技术。事后监测是目前管道检测的普通现象，事故发生后才能得到报警。而且在实际生产应用中，由于管道的长距离运输，会存在大量的干扰信号，在管道传输过程中会有随机干扰信号与破坏信号相混合，两种信号是如何混合的是无法知道的，源信号也是无法测量的，从而判断结果真实性就无法确保。为了得到准确真实的管道泄漏信号就要利用盲源分离技术获得近似真实的源信号。

1 管道声波信号盲源分离的实现

第一、布置实验现场、将管道两端与两个加速传感器相连接。

第二、利用震动器在管道模型上作用取得随即干扰信号，再利用手摇钻在管道模型上作

用取得钻孔信号，此时实验结果为一组随即干扰和钻孔信号混合信号。

第三、以一秒时间为基本单位取得信号波形

干扰信号和钻孔信号通过盲源分离系统被分离出来，且分离后波形比之前的混合信号更明显。我们检验信号是否符合管道泄漏检测是通过信号的特征值而从波形上是判断不出原信号与分离后信号的相似程度。

2 功率谱估计

如果振动信号是震动源引起的由震源引起的，那么该振动信号就可以被看作是广义平稳的随机信号，分析这种信号的方法中，信号的功率谱分析是一种经典的频域分析方法[1]。

2.1 功率谱密度定义

自相关函数的傅立叶变换即功率谱度的定义，对离散随机信号有:

2.2 经典功率谱估计

直接法和间接法是经典功率谱估计的两种有效算法。

a) 直接法

直接法是在1899年由舒斯特提出的，也被叫做周期图法。把平稳信号序列的n点观察数据当作能量有限信号，得出傅立叶变换结果Xn(k) 。计算得出的傅立叶变换结果的平方，再除以数据长度N的功率谱的估计。

b) 间接法

间接法，是在1958年由图基和布莱克曼在维纳一辛钦定理的基础上最先提出的，也被叫做BT法或自相关法。间接法最后的计算结果中方差是正比于频谱的平方的。由此可知，经典谱估计在普遍情况中不能做它的一致估计。

图1 钻孔信号的功率谱估计

2.3 经典谱估计的改进算法

由于真实谱S（ω）不像经典谱估计那样只需对有限长数据求功率谱，它应在集合平均意义上求出，但没有统计平均值，导致两种功率谱估计之间产生了大的方差。

平滑和平均是在对经典谱估计性能进行优化时多用到的两种方法。

平滑法的基本原理即BT谱估计，也叫加权处理。设加窗后的功率谱估计值S（ω）为：

又因为频域卷积即时域乘积，得：

因为傅立叶变换的性质决定了在计算时需要通过有限个数据对无限多个数据特征进行估计。确定数据长度N后，无论是采用先估计自相关函数，再进行FFT变换得到功率谱，还是用改进后的周期图法中的任意一种经典谱估计方法，都需要平衡可靠性和分辨率。现在多被应用的谱估计方法中，用傅立叶快速计算法，保证谱的分辨率与2π/N成正比，其中N是与信噪比不相关的数据长度。

3 管道声波信号分析

图1中(a) 为间接法功率谱估计，(b)为平滑法功率谱估计，

经过分析图中结果可得，平滑法的图形比较平缓，利于提取特征。平滑法能使真实谱和功率谱估计的方差减小，分辨率也高。所以应选用平滑法对信号进行功率谱估计。

以上研究表明，完全可以将钻孔信号与敲击信号分开，通过功率谱估计来识别出钻孔信号。三种信号充分表明最大熵算法很好得解决线性瞬时混合的盲源分离问题，为管道检测预警提供了一种新的方法。

4 总结

本文通过对实验得到的钻孔和震动信号的混合信号进行分离，得到较为满意的结论。用经典功率谱估计法对分离信号进行分析及处理，验证了分离信号有很大的应用空间。例如，在管道泄漏检测中，可对钻孔信号进行分析判断。进一步证明采用盲源分离的算法对管道泄漏声波预警检测是可行并且效果十分显著的。为管道泄漏检测提出了新的研究方法和途径。

[1]程乾生.数学信号处理[M],北京：北京大学出版社,2005,48-52.

[2]刘海峰,胡剑,杨俊.国内油气长输管道检测技术的现状与发展趋势田[J].天然气工业(工程建设版),2004,24(11):147-150.

[3]向前,林春生,程锦房. 噪声背景下的盲源分离算法[J].数据采集与处理. 2006,21(1):42-45.

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