谱减法在船舶管道泄漏检测中的应用研究

韩锡岭

（92337部队，辽宁大连 116023）

船舶管道泄漏会造成资源流失、连接部件腐蚀，更会给航行带来重大安全隐患，管道的泄漏检测一直是各国学者的研究热点[1]。目前，管道的泄漏检测方法有听音法、压力检测法、流量检测法、探地雷达法、示踪剂追踪法、红外热成像法等[2]。在各种检测方法中，基于振动和声信号的相关检测法得到了有效的验证，成为泄漏监测的重要方法之一[3-4]。但由于船舶大部分管道结构复杂或包含敷设层，可采集到的故障信号十分微弱，加之各种噪声干扰对采集信号的影响，有用信号几乎被淹没在噪声中，因此如何对信号去噪是十分重要的问题。本文研究了谱减法在泄漏信号相关检测中的去噪声应用。

1 基于谱减法的相关定位检测

1.1 相关定位检测原理

相关是指在同一时刻2 个时间序列的相关程度，在管道泄漏检测中，相关是一种有效的定位方法。由于实测数据中泄漏信号和环境噪声的相关函数具有不同特点，有效信号与噪声的相关性弱，噪声间的相关性弱，其相关函数值数量级很小，而泄漏信号的相关性强，其函数值较大[5]。所以对两传感器采集到的信号做互相关计算，即可以排除一定的噪声干扰，也可以根据互相关函数峰值所对应时间差，求得泄漏位置。

设传感器接收泄漏信号为x1（t）、x2（t），噪声信号为n1（t）、n2（t），则两传感器采集的信号f1（t）、f2（t）可以简化为：

2组信号的相关函数Rff(τ)[6]为：

式中，Rxx(τ)、Rx1n2(τ)为x1(t)x2(t)和x1(t)n2(t)的互相关函数；Rn1x2(τ)、Rnn(τ)为n1(t)x2(t)和n1(t)n2(t)的互相关函数；τ为时间间隔。

由于泄漏信号与噪声的相关性弱、两传感器采集到的噪声信号间相关性弱，故其值相对较小，即传感器采集信号的相关函数Rff(τ)主要为泄漏信号的相关函数Rxx(τ)。函数的峰值处对应的即为泄漏信号抵达两传感器的时间差为Δt，由方程(3)、(4)，即求得泄漏点的相对位置[7]：

式中，Δt为泄漏信号抵达两传感器的时间差；v为信号的传播速度；l1、l2为两传感器与泄漏点的距离；l为两传感器间的距离。

1.2 谱减法去噪处理

在实际环境中，并不是所有的干扰都是不相关的白噪声，例如机械运转产生的干扰信号经相关计算同样会有不位于零点的峰值存在；并且信号沿管路传播会产生衰减和畸变，所以应用相关法定位泄漏前，应先对信号进行必要的去噪声处理。

谱减法多应用于对语音信号去噪[8]，其原理为将原信号进行幅值谱和相位谱的分解，将幅值小于一定值的噪声部分去掉之后，再根据新得到的幅值谱、相位谱进行信号还原[9]，因此谱减法可以去除背景中的平稳噪声。在应用谱减法进行管道泄漏检测时，需要将无泄漏情况的信号作为参考信号，用实际采集的信号频谱减去参考信号的频谱达到去噪目的。

谱减法的第一步是将信号分帧做离散傅里叶变换后可得其幅值：

式中，Xi(k)为第i帧分量的幅值；xi（n）为分帧处理得到第i帧信号，n为自变量；j为虚数；k=0，1，…，N-1，N为每帧的长度：XAi（k）为xi（n）的相位谱。

对环境噪声信号进行分帧处理，每帧长度与泄漏信号的分帧长度N相同，同样进行离散傅里叶变换，得到的结果为Zi（k），设噪声共分了M帧，则整段环境噪声的幅值平均值-Z(k)为：

在泄漏信号的幅值中减去噪声的幅值即为谱减法原理，得到的幅值谱XPi（k）为：

根据谱减法得到的幅值谱XPi（k）及原信号f（n）的相位谱XAi（k），采用傅里叶逆变换即为谱减后的信号xpi（n）。谱减法工作流程如图1所示。

图1 谱减法工作流程

谱减法去除随机干扰前后对比图见图2，谱减法去除信号中固定频率干扰前后对比图见图3。从图2（a）知，正弦信号受到了噪声的干扰；由图2（b）知，除了20 Hz 线谱外，还有宽频带的噪声频率成份。图2（c)、（d）是应用谱减法后得到的时域图和频谱图，从时域曲线和频域曲线可知噪声被滤除。图3中，信号中的噪声是在背景噪声的基础上叠加了一个固定频率的信号，模拟机器运转的干扰。采用谱减法后，得到图3（c）、（d）的结果。由此可知该方法对这种干扰噪声有良好的去噪效果。

图2 谱减法去除随机干扰前后对比图

图3 谱减法去除信号中固定频率干扰前后对比图

2 试验研究

应用相关法进行泄漏定位，其定位原理是根据泄漏信号的相关性强，而噪声干扰与之的相关性弱，将不同传感器采集信号进行相关计算，其峰值处对应的即为泄漏信号抵达两传感器的时间差，进而达到定位泄漏点的目的[10]。试验管道及传感器布置图如图4 所示，将传感器1 放置于泄漏点上游0.24 m 处，传感器2 布置在泄漏点下游10 m处，同时采集信号。不同感应器采集实测信号的互相关函数如图5 所示。由图5 可以看到互相关函数峰值不太明显，所以需要对信号进行必要的去噪声处理。

图4 试验管道及传感器布置图

图5 不同传感器采集信号的互相关函数

假设管道发生泄漏前后背景噪声不发生变化，所以可将未发生泄漏时采集的信号作为参考量进行谱减。在实际操作中，也可单独布置传感器专门记录环境噪声作为谱减参考，即成对的布置传感器，一个布置在管道上，另一个布置在附近其他的稳定物体上，用来采集背景信号作为谱减的参考。

将两传感器采集的信号经谱减法去噪处理后进行互相关计算。图6 为去噪后信号的互相关函数，经对比可以看到去噪后的互相关函数峰值较明显，其峰值处对应0.002 1 s，已知钢铁中波速大概为5 200 m/s，故两传感器与泄漏点的距离差值（l1-l2）约为10.9 m，由式（4）可以计算出泄漏点相对位置为0.2 m，与实际情况大致相符。通过上述试验可以认定，应用谱减法去噪有效去除了干扰噪声，提高了定位的准确度。

图6 去噪后信号的互相关函数

3 结束语

船舶管道泄漏过程中，其故障信号不可避免地受到噪声干扰，在互相关检测的基础上，研究了泄漏故障信号谱减去噪法，并对其开展了仿真和试验验证。根据管道泄漏振动信号与环境噪声的不同特点，应用谱减法对实测信号进行分解、去噪、重建，有效地去除了信号中的噪声。采用谱减法对管道的泄漏信号进行分析和去噪，可以提高互相关定位计算的准确度，对管道的泄漏定位监测具有实用价值。