水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法技术

本发明专利技术公开了一种水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，包括获取水锤冲击压力信号，对其进行信号两端的扩展，得到扩展后压力信号构成的时间序列为x(t)，对x(t)进行经验模式分解，将其转化为一系列水锤信号IMF分量，剔除IMF分量中的一部分高阶分量，将剩余低阶分量进行暴露，并对其扩展部分进行截取，得到截取分量，组合全部截取分量得到重构信号，评估重构信号的最大幅值损失、能量损失和R2系数，判断滤波后信号是否符合要求，通过评估后，将重构信号作为滤波后信号，否则重新剔除高阶分量，重新进行评估。本发明专利技术在滤波过程中，无需设定滑动步长、滤波器参数等，极大地减少了人为因素的影响，具有很强的泛化能力和通用性。具有很强的泛化能力和通用性。具有很强的泛化能力和通用性。

【技术实现步骤摘要】
水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法


[0001]本专利技术属于长距离输水系统的监测及安全管理
，涉及一种水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法。

技术介绍

[0002]由于我国地域辽阔且地势复杂，导致地区间水资源分布情况差异巨大，随着大型输水工程的分阶段实施，我国已建成大批长距离有压输水管道。在密闭管路系统内，由于流体流量急剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象称之为水锤效应，其瞬间压力可大大超过正常压力，并经常产生破坏性影响，水锤效应严重影响着水利设施的安全和质量，为了掌握水锤发生机理并对其开展抑制预防工作，国内外学者从产生机理、信号特征、模式识别等多个领域对其开展了研究分析，相关研究对于水利系统的安全运行有着重要意义。
[0003]水锤冲击是一种具有较高能量的瞬时冲击，具有典型的简谐波特性，其压力信号具有其自身特殊性：一方面，水锤信号主要由低频成分组成，其能量大部分集中于低频成分，高频信息主要以噪声为主，这些噪声多是由于管路、电流、电路等因素导致，这区别于机械振动等高频信号；同时，水锤冲击信号从形态上具有缓变特性，由于其能量在流体中分布呈现明显的集中特性，其主成分的周期性非常明显，这区别于其它类别的压力信号。
[0004]在实际测量中，通常通过测量管路内部压力获取水锤信号，这类信号数据是支撑各类研究和监测预警应用的基础，有效地获取水锤压力信号具有重要意义。压力信号是一类特殊的低频信号，由于压力信号有效地表征了设备内部的受力状态，在各种水力机械和输水设施中应用广泛，是水轮机、输水管道、泵站等设施的基本监测信号类型。实际中由于环境干扰、传感器误差、测试电流干扰、输水设施振动等因素，会导致水锤冲击信号中耦合大量噪声，因而需要对其进行有效地降噪滤波，但是在通过各类滤波器对信号进行降噪处理过程中，往往存在如下问题：首先，由于不同工况的压力信号存在很大差异，滤波器的参数难以确定，例如滤波步长、阶数、滤波器类型等；同时，常见滤波方法在很大程度上会造成能量的损失，导致信号幅值和能量的下降，例如滑移平均滤波、五点三次滤波、Savitzky
‑
Golay滤波等方法，在水锤冲击工况中，这种损失可能会导致严重的偏差，埋下一定的安全隐患；此外，由于输水工程管线复杂、工况类型繁多，不同工况下相关工程参数完全不同，仅凭经验性难免耗时费力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，解决了现有水锤冲击压力信号滤波降噪方法误差较大、能量损失较大的问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，获取待监测水管的水锤冲击压力信号构成的时间序列为 x(t)；
[0008]步骤2，对x(t)进行经验模式分解，确定极大值序列x
max
和极小值序列x
min
，根据x
max
和x
min
确定x(t)的上下包络及两组包络的平均值序列m(t)＝(x
max
+x
min
)/2，将m(t)从x(t)中去掉，得到第一个筛分序列h1(t)＝x(t)
‑
m(t)；
[0009]步骤3，将自身所包含极值点与过零点的总个数相等或相差1的信号定义为IMF分量，若h1(t)满足IMF分量定义则将其视为第一个IMF分量c1(t)，否则令x(t)＝h1(t)，重复步骤2，直至新的 h1(t)满足IMF分量定义；
[0010]步骤4，用信号分解后的余项r1(t)代替x(t)，r1(t)＝x(t)
ꢀ‑
c1(t)，重复步骤2～3，依次得到第n个IMF分量c
n
(t)，n＝(2， 3，4
…
，k)；
[0011]步骤5，选择第n个IMF分量c
n
(t)作为新的信号，对新的信号进行评估，与原始信号进行比较，评估最大幅值损失是否小于5％，能量损失是否小于5％，R2系数是否大于0.95，若符合上述要求，则该IMF分量为滤波降噪后信号，否则，将c
n
(t)和将c
n
‑1(t)重新合成作为滤波后信号，重复评估最大幅值损失、能量损失和R2系数；若依然不符合要求，则从c
n
(t)开始，反向追溯c
n
(t)、c
n
‑1(t)和 c
n
‑2(t)，并将其合成作为滤波后信号，重新评估，不断增加IMF分量的个数，并循环这一过程，直至获得的满足条件的合成信号，作为滤波后信号。
[0012]步骤2中，对x(t)进行经验模式分解，寻找x(t)中局部极大值与极小值点，依次组成极大值序列x
max
和极小值序列x
min
，以x
max
与x
min
为对象，分别对二个序列进行三次样条插值计算，通过插值结果建立压力信号的上包络与下包络序列。
[0013]步骤3中，当一直分解也无法得到IMF分量时，设置标准偏差系数SD：
[0014][0015]其中，T是信号的总时间长度，ε为设置的阈值，ε＝0.25，h
i (t)为筛分序列，i＝(2，3，4
…
，k)；
[0016]若h
i
(t)满足公式(1)，则认为h
i
(t)满足IMF分量定义，将 h
i
(t)作为IMF分量。
[0017]步骤4中，IMF分量c
n
(t)为一系列调频调幅信号组合，如下式：
[0018]u
k
(t)＝A
k
(t)cos(φ
k
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]其中，φ
k
(t)为非递减函数，φ'
k
(t)≥0，包络A
k
(t)≥0，可将每个u
k
(t) 看作一个简谐波，其幅值为A
k
(t)且瞬时频率为φ'
k
(t)。
[0020]步骤5中最大幅值损失为A
loss
：
[0021]A
loss
＝|A
‑
a|/A
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]其中，A为原始信号最大冲击幅值，a为重构信号最大冲击幅值。
[0023]步骤5中能量损失为E
loss
：
[0024]E
loss
＝|E
‑
e|/E
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0025]其中，E为原始信号能量，e为重构信号能量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取待监测水管的水锤冲击压力信号构成的时间序列为x(t)；步骤2，对x(t)进行经验模式分解，确定极大值序列x
max
和极小值序列x
min
，根据x
max
和x
min
确定x(t)的上下包络及两组包络的平均值序列m(t)＝(x
max
+x
min
)/2，将m(t)从x(t)中去掉，得到第一个筛分序列h1(t)＝x(t)
‑
m(t)；步骤3，将自身所包含极值点与过零点的总个数相等或相差1的信号定义为IMF分量，若h1(t)满足IMF分量定义则将其视为第一个IMF分量c1(t)，否则令x(t)＝h1(t)，重复步骤2，直至新的h1(t)满足IMF分量定义；步骤4，用信号分解后的余项r1(t)代替x(t)，r1(t)＝x(t)
‑
c1(t)，重复步骤2～3，依次得到第n个IMF分量c
n
(t)，n＝(2，3，4
…
，k)；步骤5，选择第n个IMF分量c
n
(t)作为新的信号，对新的信号进行评估，评估最大幅值损失是否低于5％，能量损失是否小于5％，R2系数是否大于0.95，若是，则IMF分量为滤波降噪后信号，否则，将c
n
(t)和将c
n
‑1(t)重新合成作为滤波后信号，重复评估最大幅值损失、能量损失和R2系数；若依然不符合要求，则从c
n
(t)开始，反向追溯c
n
(t)、c
n
‑1(t)和c
n
‑2(t)，并将其合成作为滤波后信号，重新评估，不断增加IMF分量的个数，并循环这一过程，直至获得的满足条件的合成信号，作为滤波后信号。2.根据权利要求1所述的水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，其特征在于，所述步骤2中，对x(t)进行经验模式分解，寻找x(t)中局部极大值与极小值点，依次组成极大值序列x
max
和极小值序列x
min
，以x
max
与x
min
为对象，分别对二个序列进行三次样条插值计算，通过插值结果建立压力信号的上包络与下包络序列。3.根据权利要求2所述的水锤冲击压力信号的自适应滤波降噪方法，其特征在于，所述步骤3中，当一直...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏程，徐卓飞，李小周，颜建国，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：