一种管道损伤声呐监测数据压缩方法

本发明属于管道损伤声呐监测与数据智能处理领域，涉及一种管道损伤声呐监测数据压缩方法。

背景技术：

1、城市地下管道是维护基础设施系统运转的重要角色，冲液管道承担着排水排污、油气运输等任务，是生活与工业生产的重要组成。地下冲液管道所处工作环境恶劣且隐蔽，细微损伤难以直接通过人工直接观察，对其安全状态开展智能监测是管道维护的重要工作。

2、声呐是一种应用广泛的冲液管道损伤检测技术手段，利用声呐回波峰值可判断管道破损状态。管道分布范围广，伤缺口往往很小，长周期检测会产生大量声呐信号，绝大多数都是冗余数据。由于管道工况偏僻，不利于数据实时无线传输，加之人工难以到达，这对本地声呐监测数据存储带来挑战，一种能保留信号特征并且压缩监测数据的方法亟待提出。传统数据压缩算法采用时频域转换方法实现冗余频段信号约简，例如小波变换、稀疏字典等。地下管道所处工作环境复杂，管道各向异性和开裂破损对声呐信号最明显的影响是造成能量和幅值的衰减。虽然传统数据压缩算法可移植应用，但对于地下管道损伤声呐信号处理这一特殊应用场景，缺乏一种针对声呐回波幅值特性编码的专用算法，以实现更为高效、保真的数据压缩。

技术实现思路

1、为解决上述问题，考虑到声呐信号回波幅值和能量是评估管道破损的主要依据，在监测中只需要保留信号轮廓特征，便可以在不影响损伤评估结果的前提下压缩数据，适用于地下管道密闭、狭窄环境下的监测工程。本发明提出一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，将声呐信号进行音乐化编码，将信号转换为两个音乐指标，两指标能表征信号轮廓，可实现信号压缩与重构。

2、本发明所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，包括以下步骤：

3、步骤1、获取声呐回波信号，提取声呐回波信号的上包络线；

4、步骤2、利用音乐化模型对上包络线采样，得到音符点和极值比两个音乐指标，实现监测数据压缩。

5、进一步的，步骤1中提取声呐回波信号上包络线，具体步骤为：

6、设时域回波信号为f(t)，检测信号的所有极大值，即计算每个点的导数f’(t)，若某一点处导数为0，且上一点是正值，下一点是负值，则此点为极大值点。

7、进一步的，基于极大值点重新标定时域声呐回波信号，将信号表达为：

8、f(t)＝fi(t),t∈[ti,ti+1],i∈[0,n-1]

9、其中ti,i＝(0,1,…,n-1)为信号时域极大值点的时间，n为极大值点的数量；采用三次样条拟合极大值点，得到信号上包络线。

10、进一步的，步骤2中音乐化模型采样方法为：

11、依据极大值点数量将上包络信号均匀分为m段，对于某一段，设时间区间为[t0,tn]，此段信号的最大值和最小值分别为fmax＝f(t)|t＝tp和fmin＝f(t)|t＝tq；以fmax和fmin为上下限，设置7根等间距采样线，分别对应1-7音符，相邻采样线的电压差δ为：

12、

13、采样线sn(t)表示为：

14、sn(t)＝fmin+n·δ,n∈[0,6]

15、计算采样线方程与信号时域方程的交点，即：

16、fi(t)＝sn(t),n∈[0,6]。

17、进一步的，步骤2中经过采样后得到数据点序列(t0,v0),(t1,v1),…,(tz,vz)，其中，将交点纵坐标编码为音符点v＝(v0,v1,…,vz)，其中z为采样后得到的音符点的数量。

18、进一步的，步骤2中设下一信号段的最大值和最小值分别为f’max和f’min，极值比指标θ表达式为：

19、θ＝|fmax-fmin|/|f'max-f'min|，

20、极值比表征了采样区间的压缩比例；对所有信号段开展采样操作，则时域连续的声呐回波信号可被编码为一组离散点，实现数据压缩，即(v,θ)＝(v1,θ1),(v2,θ1),...,(vz,θ1),(v1,θ2),(v2,θ2),...,(vz,θ2),…,(v1,θu-1),(v2,θu-1),...,(vz,θu-1)；其中z为每段信号采样的音符点数量，u为信号段的数量。

21、本发明的有益效果为：本发明利用音乐化采样方法将声呐信号转换为2个音乐指标，在保留信号轮廓信息的同时实现数据压缩，基于音乐指标的重构信号与原始信号有很高的相似性；音乐指标可结合乐理知识，将声呐信号转换为可听音频，实现超声-可听声变换，可用于管道安全预警。

技术特征：

1.一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，步骤1中提取声呐回波信号上包络线，具体步骤为：

3.根据权利要求2所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，基于极大值点重新标定时域声呐回波信号，将信号表达为：

4.根据权利要求1所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，步骤2中音乐化模型采样方法为：

5.根据权利要求4所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，步骤2中经过采样后得到数据点序列(t0,v0),(t1,v1),…,(tz,vz)，其中，将交点纵坐标编码为音符点v＝(v0,v1,…,vz)，其中z为采样后得到的音符点的数量。

6.根据权利要求5所述的一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其特征在于，步骤2中设下一信号段的最大值和最小值分别为f’max和f’min，极值比指标θ表达式为：

技术总结
本发明属于管道损伤声呐监测与数据智能处理领域，公开了一种管道损伤声呐监测数据压缩方法，其首先提取声呐回波信号包络线，然后对包络线进行音乐化采样，将回波信号编码为音符点和极值比两个音乐指标。本发明能在保留声呐信号轮廓特征的同时实现数据压缩，适用于长周期、无人值守的地下管道损伤监测工程恶劣环境。

技术研发人员：陶锴,王强,岳东,吴国庆
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13