Kalman滤波在磁检测信号分析中的应用-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告 题目 Kalman滤波 在磁检测信号分析中的应用专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 1、 选题的依据及意义： 石油、天然气是能源存在的主要形式之一，他们的远距离运输大部分是通过长输管道实现的1。管道运输作为石油、化工行业中输送原料与介质的重要途径，在长期使用的过程中，由于受到腐蚀，会出现局部的麻坑，甚至发生泄漏事故、造成环境污染，因此管道缺陷的无损检测技术对保证工业生产的安全有着十分重要的意义。国内外广泛采用的管道检测技术主要包括超声检测、涡流检测和漏磁检测等几种，漏磁检测法是当前国内外对在役石油、天然气长输管道缺陷检测最有效的方法之一。漏磁无损检测方法是建立在如钢管、钢棒等铁磁性材料的高磁导率这一特性上的。它通过拾取被磁化的钢管其缺陷处引起泄漏到外部的磁通信号,再经信号处理装置得到与缺陷的形状有关的电信号的一种方法2。通过测量或观测所获得信号通常包含两个部分其一是与所检测的对象存在直接或间接关系的有用部分,称为信息;另一部分是与所研究的对象无关的干挠部分,称为噪声。信号处理主要分为信号分析与信号过滤两类，信号分析主要是通过分析测量信号的性质，进而应用于目标检测；信号过滤主要用于信号除躁、频带划分、频谱成形等3。信号处理的目的就是最大限度去除或抑制与所研究对象无关的那部分干挠,突出或提取有用信息。随着信息技术和计算机技术的发展，以软件为主的基于现代控制理论和信号处理技术的方法逐渐发展起来4。Kalman滤波是一套由计算机实现的实时递推算法,它所处理的对象是随机信号,利用系统噪声和观测噪声的统计特性,以系统观测量作为滤波器的输入,以所要估计值(系统的状态或参数)作为滤波器的输出,滤波器的输入与输出之间是由时间更新和观测更新算法联系在一起的,根据系统方程和观测方程估计出所有需要处理的信号。它不但可以对平稳的一维的随机过程进行估计,也可以对非平稳的、多维随机过程进行估计,因此适用范围比较广泛。作为一种动态数据处理方法，kalman滤波能在即使并不知道模型的确切性质的条件下，估计信号的过去和当前状态。甚至能估计将来的状态5。它的基本思想是：以最小均方误差为最佳估计准则，采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和当前时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值，算法根据建立的系统方程和观测方程对需要处理的信号做出满足最小均方误差的估计。MathWorks公司针对不同的领域的应用，推出了信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、小波分析、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、优化设计、统计分析、财政金融、样条及通信等30多个具有专门功能的工具箱6。Matlab软件用于数字信号的处理具有灵活程度高、精度和稳定性较好、便于开发和升级、功能强大等优点，在解决相同问题的时候，Matlab的性能要远远超过用其他的变成语言所编制的计算机程序7。二、国内外研究概况及发展趋势：国外对漏磁探伤的理论研究比较早：1933年zuschlug初次提出用磁粉显示磁化刚体上由缺陷产生的漏磁场这种测定方法。 1947年Hastings设计了一套漏磁检测系统后,漏磁检测才得到了普遍承认。1965年,日本株式会社和住友金属株式会社设计出一记录式磁探伤机械装置。1966年,Sheherb一inin和Zatsepin提出了磁偶极子法。同年前苏联也于同年发表了第一篇定量分析缺陷漏磁场的论文,提出用磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶带来模拟工件表面的点状缺陷、浅裂纹和深裂缝。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法对漏磁场进行分析,首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。并且分析了矩形槽深度、宽度、角度对漏磁场的影响。1986年,Edwards和Palae:在漏磁场的计算方面,把解析法向前推进了一步,对无限长表面开口裂纹进行了分析,得出了二维表达式;并且推出了有限长开口裂纹的三维表达式,从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时,漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论8-9。 然而,从当一前对漏磁检测理论研究和应用来看,国外一些国家,美国、英国、加拿大、日本、德国等研究较早,在深入理论研究的同时,将该技术应用到生产实际中并取得良好的效果。 在国内,理论和实验研究较多,漏磁场的研究、缺陷的定性和定量分析以及应用新的方法研究漏磁检测都还未取得实用效果,一些结论还处在探索阶段,实际生产应用领域主要靠进口国外的仪器和技术,整个漏磁检测技术的发展与国外相比还有一段距离。而在进行管道磁检测的过程中目前存在一定的技术难点，比如说：由于管道缺陷识别是一个逆问题,输出和输入之间存在非唯一性,而且漏磁信号与缺陷尺寸之间是非常复杂的非线性关系,所以缺陷识别技术是当前管道无损检测中的一大技术难点和研究重点。利用神经网络法识别缺陷工作量庞大、容易出现局部极值、过拟合现象等。 在工程系统随机控制和信息处理问题中,通常所得到的观测信号中不仅包含所需的信号,而且还包含有随机观测噪声和干扰信号。通过对一系列带有观测噪声和干扰信号的实际观测数据的处理,从中得到所需要的各种参量的估计值,这就是估计问题10。 而卡尔曼滤波作为一种数值估计优化方法，其高效的实时处理功能，使得当信号中含有噪声时，kalman滤波能在以最小均方差条件下给出信号的最佳估计而且是在时域中采用递推的方式进行10。 因而速度更快，也便于实现实时处理。 3、 研究内容及实验方案：1.研究内容：研究所采集漏磁检测信号的特点，分析所采集信号的特点，并对其进行数学建模，利用适当的算法、理论与Matlab软件实现模型构建。2.实验方案：发现问题实验程序编写与修改实现滤波 Matlab 数据处理 数学建模漏磁信号采集分析采集到的信号的特点设计成功问题分析图2.1 实验方案框图(1) 漏磁信号采集(2) 建立准确的管道漏磁检测数学模型(3) 从模型出发，应用Matlab软件设计滤波器(4) 检验所设计的滤波器对于所采集的漏磁检测信号的处理是否正确(5) 调整滤波器，进一步细化、完善滤波过程4、 目标、主要特色及工作进度1.目标：通过使用卡尔曼滤波，使得磁检测的信号处理更加快速、高效、可靠。并实现检测结果可视化较强的目的。2.特色：(1)利用kalman滤波实现数据的实时处理(2)利用kalman滤波在磁检测中的应用，对于缺陷的检测实现估计检测，避免大量的人力、物力的浪费。(3)利用matlab实现处理结果的可视化。(4)基于matlab的kalman滤波使得程序的编写更加简单明了。3工作进度：20xx.3.920xx.3.20 前期资料搜集调研20xx.3.2020xx.4.5 撰写开题报告 20xx.4.620xx.5.1 掌握最优估计在kalman滤波中的应用 20xx.5.220xx.6.1 程序编写，并进行数据处理 20xx.6.220xx.6.26 撰写毕业论文，准备毕业答辩 5、 参考文献1 王玉梅. 小波变换在管道漏磁检测信号分析技术中的应用D. 沈阳: 沈阳工业大学, 2002: 2526.2 崔益铭. 管道漏磁检测技术的研究D. 沈阳: 沈阳工业大学, 2009: 1112.3 陈汉友. Matlab在数字信号处理中的应用J. 计算机与现代化, 200, 21(1): 2122.4 朱爱华. 卡尔曼滤波和序贯概率比检验在管道泄漏监测中的应用D. 天津: 天津大学, 2006: 2324.5 彭丁聪. 卡尔曼滤波的基本原理及应用J. 软件导刊, 2009, 11(8): 1819.6 邓巍. Matlab在图像处理和分析中的应用J. 农机化研究, 2006, 11(2): 2122.7 于洋. 基于Matlab的信号处理系统与分析J. 电子世界, 2009, 10（9): 2526.8 韩亮. 铁磁构建表层裂纹漏磁分析D. 重庆: 重庆大学, 2012: 5152.9 孙岳江. 油管底板腐蚀缺陷漏磁检测及其应用研究D. 北京: 北京交通大学, 2012: 4243.10 龚文引. 演化Kalman滤波及其应用研究D. 中国地质大学, 2007: 2728.11 王利