信号和系统课程设计报告-管道泄漏检测定位应用中的信号分析和处理.doc

《信号与系统》课程设计报告 管道泄漏检测定位应用中的信号分析与处理 学院： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 本小组其他成员： 摘要 管道泄漏时，泄漏点将会产生振动，出现声音信号。 通过对两个采样器采集到的振动信号进行时域和频域的分析，使用巴特沃兹高通滤波器，滤掉低频（50Hz）噪声信号。采用互相关函数找到两个采样器接收信号的时间差，根据声音在管道中的速度，求出管道泄漏点的位置。利用MATLAB实现以上功能。 关键字：时频域分析、巴特沃兹高通滤波器、互相关函数 二、设计原理及要求 【管道泄漏检测原理已知：某学校有段自来水管道泄漏，该管道为铸铁管道，管径为250mm。在管道两端接头处分别放置一个传感器及采集模块进行采集管道振动数据进行分析处理，得到漏点位置。已知两个采集器的采样率均为10KHz，测试点之间的管道总长度L=100m，水声在管径为250mm铸铁管道中的传播速度v=1.250m/ms。试图采用互相关方法对泄漏信号进行分析得到漏点位置，检测与定位原理如图1： 图1 管道泄漏检测与定位原理 注： L1, L2 = 漏点位置离传感器1、2的距离; L = 两传感器间的管道长度; v = 泄漏噪声在管道内的传播速度; D = 泄漏声信号到达两传感器的时间差. 泄漏点定位公式： 【设计要求】 对两端采集的数据分别进行时频域分析； 对两端采集的数据进行互相关运算，计算两路信号的相对延迟时间，并根据已给的两传感器间隔距离及水声沿管道传播速度计算泄漏点位置。 【设计步骤及提示】 通过MATLAB的函数load ()可以读入两个.txt格式的数据文件，并将该文件保存到指定的数组中。例如下面的语句（更详细的命令介绍可以自己查阅MATLAB的帮助）中，将.txt读入后分别存放到矩阵y1和y2中。 y1 = load( D:\MATLAB\R2006a\work\SSdesign\2005年12月2日15点39分set2daq1\data1.txt); y2 = load( D:\MATLAB\R2006a\work\SSdesign\2005年12月2日15点39分set2daq1\data1.txt); 对泄漏信号进行时频域分析。要求编写一个简单的函数文件SignalTF.m，它具有如下性质：a、函数实现对信号进行快速傅里叶变换(FFT)；b、绘制时域波形与频谱图。要求图形中坐标标注齐全：1）时域波形坐标标注为Time（s）—Amplitude（v），标题为“waveform”2）频谱图坐标标注为Frequency（Hz）—Magnitude（v/Hz）（即，横坐标标注为Frequency（Hz），纵坐标标注为Magnitude），标题为“Frequency spectrum”。找到泄漏信号的主要频谱成分所在的频带，验证为何检漏系统可以对泄漏信号采用10KHz的采样速率，并指出最低的采样频率是多少。 利用MATLAB函数库中函数设计butterworth高通滤波器（见Matlab 的butter, filter函数），对采集的两路信号分别进行高通滤波，抑制工频噪声（典型值50Hz）及其他常见低频干扰噪声。要求编写PreProcess.m函数，a) 通过画图对滤波前后信号进行对比，观察差异，并用subplot命令分别将滤波前后的信号画在一个FIGURE图中（两个信号均需给出其滤波前后图形）；b) 将滤波后的两组数据分别写至data1p.txt和data2p.txt中。 编写TDE.m函数，用互相关方法检测两路信号的相对时间延迟，并以此计算漏点位置。（提示：用Matlab中xcorr函数实现两个信号互相关运算，根据峰值位置确定两路信号的相对时间间隔即数据点，并根据采样频率计算延迟时间，以此计算漏点位置。）要求：a) 画出两路信号的互相关曲线图，找出最大点或峰值点及其横坐标，并标注齐全，峰值位置需对应正确的延迟时间（提示：用Matlab中find函数查找最大值点及其位置）。 信号说明： data1.txt：传感器1采集的泄漏信号；data2.txt：传感器2采集的泄漏信号。 【MATLAB参考命令】 绘图命令：plot、subplot等 求频谱、频率响应：fft、freqz等 卷积、滤波：conv、deconv、filter等 文件读写：load、fopen, fprintf, fclose, xlsread, xlswrite等 三、正文 1.对泄露信号进行时频域分析 在MATLAB中，通过stem函数，可以画出离散时间信号在时域上的图像。通过fft函数实现信号的快速傅里叶变换，使