譜減法在船舶管道泄漏檢測中的應用研究

韓錫嶺

（92337部隊，遼寧大連 116023）

船舶管道泄漏會造成資源流失、連接部件腐蝕，更會給航行帶來重大安全隱患，管道的泄漏檢測一直是各國學者的研究熱點[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，基于振動和聲信號的相關檢測法得到了有效的驗證，成為泄漏監測的重要方法之一[3-4]。但由于船舶大部分管道結構復雜或包含敷設層，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檢測中的去噪聲應用。

1 基于譜減法的相關定位檢測

1.1 相關定位檢測原理

相關是指在同一時刻2 個時間序列的相關程度，在管道泄漏檢測中，相關是一種有效的定位方法。由于實測數據中泄漏信號和環境噪聲的相關函數具有不同特點，有效信號與噪聲的相關性弱，噪聲間的相關性弱，其相關函數值數量級很小，而泄漏信號的相關性強，其函數值較大[5]。所以對兩傳感器采集到的信號做互相關計算，即可以排除一定的噪聲干擾，也可以根據互相關函數峰值所對應時間差，求得泄漏位置。

設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組信號的相關函數Rff(τ)[6]為：

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

由于泄漏信號與噪聲的相關性弱、兩傳感器采集到的噪聲信號間相關性弱，故其值相對較小，即傳感器采集信號的相關函數Rff(τ)主要為泄漏信號的相關函數Rxx(τ)。函數的峰值處對應的即為泄漏信號抵達兩傳感器的時間差為Δt，由方程(3)、(4)，即求得泄漏點的相對位置[7]：

式中，Δt為泄漏信號抵達兩傳感器的時間差；v為信號的傳播速度；l1、l2為兩傳感器與泄漏點的距離；l為兩傳感器間的距離。

1.2 譜減法去噪處理

在實際環境中，并不是所有的干擾都是不相關的白噪聲，例如機械運轉產生的干擾信號經相關計算同樣會有不位于零點的峰值存在；并且信號沿管路傳播會產生衰減和畸變，所以應用相關法定位泄漏前，應先對信號進行必要的去噪聲處理。

譜減法多應用于對語音信號去噪[8]，其原理為將原信號進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，再根據新得到的幅值譜、相位譜進行信號還原[9]，因此譜減法可以去除背景中的平穩噪聲。在應用譜減法進行管道泄漏檢測時，需要將無泄漏情況的信號作為參考信號，用實際采集的信號頻譜減去參考信號的頻譜達到去噪目的。

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；k=0，1，…，N-1，N為每幀的長度：XAi（k）為xi（n）的相位譜。

對環境噪聲信號進行分幀處理，每幀長度與泄漏信號的分幀長度N相同，同樣進行離散傅里葉變換，得到的結果為Zi（k），設噪聲共分了M幀，則整段環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）是應用譜減法后得到的時域圖和頻譜圖，從時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上疊加了一個固定頻率的信號，模擬機器運轉的干擾。采用譜減法后，得到圖3（c）、（d）的結果。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 試驗研究

應用相關法進行泄漏定位，其定位原理是根據泄漏信號的相關性強，而噪聲干擾與之的相關性弱，將不同傳感器采集信號進行相關計算，其峰值處對應的即為泄漏信號抵達兩傳感器的時間差，進而達到定位泄漏點的目的[10]。試驗管道及傳感器布置圖如圖4 所示，將傳感器1 放置于泄漏點上游0.24 m 處，傳感器2 布置在泄漏點下游10 m處，同時采集信號。不同感應器采集實測信號的互相關函數如圖5 所示。由圖5 可以看到互相關函數峰值不太明顯，所以需要對信號進行必要的去噪聲處理。

圖4 試驗管道及傳感器布置圖

圖5 不同傳感器采集信號的互相關函數

假設管道發生泄漏前后背景噪聲不發生變化，所以可將未發生泄漏時采集的信號作為參考量進行譜減。在實際操作中，也可單獨布置傳感器專門記錄環境噪聲作為譜減參考，即成對的布置傳感器，一個布置在管道上，另一個布置在附近其他的穩定物體上，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譜減法去噪處理后進行互相關計算。圖6 為去噪后信號的互相關函數，經對比可以看到去噪后的互相關函數峰值較明顯，其峰值處對應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的距離差值（l1-l2）約為10.9 m，由式（4）可以計算出泄漏點相對位置為0.2 m，與實際情況大致相符。通過上述試驗可以認定，應用譜減法去噪有效去除了干擾噪聲，提高了定位的準確度。

圖6 去噪后信號的互相關函數

3 結束語

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，在互相關檢測的基礎上，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驗證。根據管道泄漏振動信號與環境噪聲的不同特點，應用譜減法對實測信號進行分解、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行分析和去噪，可以提高互相關定位計算的準確度，對管道的泄漏定位監測具有實用價值。