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1、1011202054 精密仪器与光电工程学院 张鑫基于函数拟合的声学地面标记器定位算法1 问题的提出 声学地面标记器检测管道内检测器与管壁摩擦的声音， 以摩擦声信号幅值最大点作为内 检测器通过地面标记器正下方的时刻， 即：对信号进行全波整形， 获取摩擦声信号的各个极 值，对极值点进行插值处理得到摩擦声的包络 3,4 ，以包络的峰值点所在的时刻作为地面标 记时刻。但在实际应用过程中发现这种方法存在较大定位误差。如图1-2 所示，传统标记方法采用基于极值插值的包络提取方法，先滤除噪声和全波整形，再获取摩擦声信号的极值， 最后对极值点进行插值处理得到摩擦声的包络。 传统包络提取方法对窄带、 规则的信

2、号进行 包络提取的效果较好；对于频带较宽、复杂多变的信号， 往往难以得到光滑的包络，也无法 精确地判断地面标记时刻 基于函数拟合的声学地面标记器检测算法原理 基于函数拟合的地面标记方法从被测信号的数学模型出发， 用被测量的数学函数拟合被 测数据， 得到拟合包络线， 再以拟合包络线的峰值作为地面标记时刻。 它不同于传统地面标 记方法， 它基于客观理论， 用理论函数拟合被测数据， 得到的拟合包络线是一条与理论函数 一致的光滑单峰曲线， 不易受尖刺干扰。 基于函数拟合的包络提取方法不依赖于被测数据的 极值，极值误差对包络提取的影响很小，适用于复杂多变的信号。 基于函数拟合的包络提取方法的实施步骤如图

3、3 所示，主要分成三部分： 数学模型建立、 信号预处理和函数拟合。 数学模型建立着重研究摩擦声信号的理论模型， 作为函数拟合的模 板；信号预处理滤除摩擦声的噪声， 对摩擦声信号取绝对值和幅值； 函数拟合是利用数学模 型对摩擦声的幅值进行拟合，得到地面标记时刻。 因此，本文提出基于最小二乘的函数拟合的声学地面标记算法， 以提高定位精度。图 1 声学地面标记器测量的摩擦声信号图2 整形后的摩擦声信号和采用传统包络提取方法得到的摩擦声包络1011202054 精密仪器与光电工程学院 张鑫图3应用到现场中，现场管道内检测器与传感器器的位置关系如图4所示 .图 4 管道内检测器与传感器器的位置关系经过推

4、导，传感器接收到摩擦声信号的理论数学函数为：u0h2 v2 (t t0)2h2 v2 (t t0 )20VPeP1）由于管线位置已知，传感器一般放置在管道正上方，因此管道埋深即为传感器到管道的 距离 h， h可以通过查管道手册获得。内检测器在管道内运行速度v 等于内检测器两皮碗的距离比两皮碗撞击焊缝的时刻差， v一般为 2 m/s 左右。唯有声源振幅 u0、衰减因子 、土 壤中声速 Vp 和标记时刻 t0 无法事先获得，为了得到精确合理的地面标记时刻t0，对（ 1）式中的四个未知量进行拟合。然后令A = u0，B = - /Vp，C= t 0，可以将（ 1）式化为：Ah2 v2 (t C)2B

5、 h2 v2 (t C)2e(2)最后，用（ 2）式拟合现场测量的数据，得到对A、 B、 C 的估计，其中 C 即为地面标记时刻 t0。3 实验 为了检验函数拟合包络法的地面标记效果，在廊坊管道局的实验管道进行了一系列实验。实验结构示意图如图 5 所示，包括清管器、强磁铁、实验管道、声传感器、漏磁地面标 记器、采集卡和上位机。实验管道长 2.5 km，直径 0.168 m。用清管器替代内检测器进行模 拟实验，清管器如图 6 所示。清管器长 0.18 m，直径 0.168 m ，两端有皮碗，皮碗与管道内 径过盈配合， 依靠水压推动清管器前进， 清管器内部固定了一块永磁铁。 实验管道中充满水， 将

6、清管器放入管道内后， 依靠水压推动清管器前进。 置于地面的上位机采集声传感器接收到1011202054 精密仪器与光电工程学院 张鑫的清管器皮碗与管壁的摩擦声信号， 记录清管器经过声学地面标记器正下方的整个过程。 磁 传感器紧贴管壁放置， 通过检测清管器内磁铁的通过， 准确得到地面标记时刻， 并作为参考 时刻。343m87m5761- 数据采集上位机 2- 采集卡 3,4- 声学地面标记器 5,8- 漏磁型地 面标记器 6- 管道 7- 清管器 9- 强磁铁图5 实验结构示意图4 数据处理4.1 谱分析 声学传感器采集到的摩擦声数据如图 6 所示，频谱如图 7 所示。由于摩擦声经过管壁到土壤、

7、土壤中传播、 土壤到传感器的三级衰减，信号频率较低，频带较窄，主要集中在高频分量衰减严重， 最后地面上声传感器采集到的50 500 Hz，首先需要利用带通滤波器降噪。图 6 采集到的摩擦声信号时域波形图7 采集到的摩擦声信号频谱4.2 数据预处理 本文对信号的滤波采用 FIR 带通滤波，通带截止频率为 50600 hz 。原始摩擦声信号如 图 8(a) 所示，滤波后的信号如图 8(b) 所示。全波整形就是对信号取绝对值，使得信号幅度全 部为正，方便进行包络提取，如图 8(c)所示。极大值点如图 8(c)中黑点所示。1011202054 精密仪器与光电工程学院 张鑫度幅(c) 整形后的摩擦声信号

8、及其极大值0.010.00522.51.5 时间 (s)0.5图 8 摩擦声信号的预处理4.3 最小二乘拟合 利用传统包络法提取的摩擦声信号包络如图 9 所示，利用最小二乘函数拟合包络法得到 的包络如图 10 所示。度幅图 9 传统包络法提取的摩擦声信号包络1011202054 精密仪器与光电工程学院 张鑫函数拟合法提取的包络图 10 函数拟合法提取的摩擦声信号包络-3x 105 结果分析 可以看到，包络非常光滑，符合理论模型，不易受尖刺影响，不会出现多峰值现象，无需峰值查找便可从拟合数据中得到标记时刻。函数拟合得到的摩擦声峰值时刻为T=2.055s，真实的地面标记时刻为 2.066s，误差为

9、 0.011s，引入的缺陷定位误差为 0.055m。传统方法， 摩擦声峰值时刻为 T=2.202s ，真实的地面标记时刻为 2.066s，误差为 0.136s，引入的缺陷定 位误差为 0.272m。相比传统方法，基于最小二乘函数拟合的地面标记方法精度提高，抗干 扰能力增强。参考文献：1 吴晓，基于声传感器阵列的油气管道内检测器地面标记跟踪技术研究： 博士学位论文 ，天津；天津大学， 20102 张元凯，管道漏磁通检测系统地面标记技术系统研制： 硕士学位论文 ，天津；天津大 学， 20073 许晓飞，林勇，严彬彬，基于希尔伯特 -黄变化的心音包络提取，航天医学与医学工程， 2008，21（2）：1341364 姚晓帅，郭兴明，陈剑等， 基于数学形态学的心音包络提取与识别方法研究， 北京生物 医学工程，