基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种基于正交线圈传感器的管道机器人 极低频信号检测装置。
【背景技术】
[0002] 为保证管道运输环境的安全，工业上通常采用管道机器人定期对管道进行清理和 检测。在管道机器人管内作业过程中，机器人的运行位置和状态事关设备与管道的安全，故 对其进行实时跟踪是必不可少的重要环节。管道检测工业中通常采用极低频磁信号的发射 与接收系统实现管内机器人的管外跟踪。基于极低频磁信号的管外跟踪原理是通过安装在 管道机器人上的磁管道机器人在发射线圈上激励出极低频磁信号，当机器人通过放置在地 表的接收机下方时，接收机对感应线圈上的输出信号进行窄带滤波与放大，然后根据调理 后的信号实时判定是否有管道机器人通过。其中，接收信号的包络在笛卡尔坐标系中沿X 轴呈单峰对称，沿Y轴呈双峰对称。
[0003] 然而随着油气输送速率的提升，给跟踪带来两方面的挑战：第一，管内设备包括携 带的管道机器人的移动速度随之提升，从原来的2m/ s-5m/s，提高到5m/s-15m/s，使得管外 接收到的磁信号呈现明显的瞬态性；第二，在工作时长、功率等限制下，接收信号为含噪的 微弱信号。因此，上述跟踪问题归结为地面上的接收机对管道内磁管道机器人发出的极低 频瞬态微弱信号进行实时检测的问题。
[0004] 目前现有技术的缺点在于：现有的极低频跟踪定位系统的接收机主要基于单轴传 感器信号进行信号幅值的检测判决，经常出现误报和漏报，且无法检测快速移动的管道机 器人，因此，无法满足管道机器人的实时跟踪要求。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种基于正交线圈传感器的管道机器人极低频 信号检测装置，该装置能够可靠地检测极低频微弱瞬态信号，具有匹配能力强、信号检测概 率高和实时性好的优点。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种基于正交线圈传感器的管道机器 人极低频信号检测装置，包括：模型建立模块，用于根据Morlet小波包络建立正交信号模 型，其中，所述正交信号模型中定义包络波峰变化的陡度为包络衰减速率，并采用最小二乘 准则统一包络衰减速率为联合包络衰减速率；参数融合模块，用于根据所述正交信号模型 生成关键参数融合方案；关系建立模块，用于根据所述关键参数融合方案建立所述联合包 络衰减速率与所述管道机器人的移动速度之间的一一对应关系；统计量获取模块，用于根 据所述一一对应关系，采用与所述管道机器人的移动速度相匹配的正交信号能量得到检测 统计量及其分布特征；门限获取模块，用于根据所述检测统计量和奈曼-皮尔逊准则得到 判决门限；检测模快，用于根据所述判决门限实现极低频瞬态微弱信号的检测判决。
[0008] 根据本发明实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号检测装置，从 正交线圈传感器的时域波形特点出发，建立了基于Morlet小波包络的正交信号模型，信号 模型中定义包络波峰变化的陡度为包络衰减速率，并采用最小二乘准则统一包络衰减速率 为联合包络衰减速率，建立了联合包络衰减速率与管道机器人移动速度之间的一一对应关 系，通过该对应关系，采用与移动速度相匹配的正交信号能量为检测统计量，并根据统计量 的分布和奈曼-皮尔逊准则建立判决门限，进而实现极低频瞬态微弱信号的检测判决。因 此，该装置具有匹配能力强、信号检测概率高和满足实时性等优点，能够可靠地检测被噪声 淹没的极低频微弱瞬态信号。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号检 测装置还可以具有如下附加的技术特征：
[0010] 在一些示例中，其中，所述正交信号模型分别对X轴和Y轴的正交接收信号进行建 模，其中：
[0011] X轴信号模型为：
[0015] 其中，Y轴信号模型中的叫是自然指数函数的窗口变量，X轴信号模型的η和Y轴 信号模型的η 2是正弦函数的窗口变量，角频率ω。= 2 π f。/：^，f。为磁信号频率，f s为系统 采样频率，4和A y分别为X轴和Y轴信号包络的幅值，M ￥为Y轴信号两个波峰的数据窗口 坐标间距，Pyl为X轴主瓣波形的包络衰减速率，β yh和β yh为Y轴信号两个波峰背离原点 和朝向原点的包络衰减速率。
[0016] 在一些示例中，所述正交接收信号通过所述正交线圈传感器采集，所述正交线圈 传感器包括X轴线圈传感器和Y轴线圈传感器，其中，X轴线圈传感器沿管道平行放置，Y轴 线圈传感器沿管道垂直放置。
[0017] 在一些示例中，所述参数融合模块用于对X轴和Y轴的包络衰减速率进行融合和 统一，并采用联合包络衰减速率β xy表示实际物理系统的磁管道机器人移动速度。
[0018] 在一些示例中，所述对X轴和Y轴的包络衰减速率进行融合和统一，具体包括：
[0019] 基于最小二乘准则，通过使得误差函数最小而寻找正交信号模型的内在联系，从 而建立起三个包络衰减速率β χ、Pyl和β yh之间的关系，并通过所述关系建立联合包络衰 减速率βχ?，统一地表征正交信号模型，其中，所述关系表示如下：
[0020] βχγ= β X= β yh= 4β yl〇
[0021] 在一些示例中，所述关键参数为所述联合包络衰减速率，通过定义信号相似度作 为纽带，建立在信号相似度最大时的联合包络衰减速率与所述管道机器人的移动速度之间 --对应关系。
[0022] 在一些示例中，所述统计量获取模块用于根据所述正交信号模型和最小二乘准 贝1J，建立融合X轴和Y轴信号能量的估计量&作为信号判决的检测统计量，并定义所述检 测统计量的假设检验问题如下：
[0023]
[0024] 在一些示例中，所述门限获取模块用于设定接收机的虚警概率Pfa，并根据所述虚 警概率P fa得到使得检测概率P D最大的判决门限f，其中，判决门限j?和虚警概率Pfa的关系 为：
[0026] 其中，μ和〇分别为噪声检测统计量的均值和方差，Q(x)为右尾概率函数。
[0027] 在一些示例中，所述统计量获取模块还用于分别采用X轴和Y轴信号能量估计量 计算X轴和Y轴的实时信噪比，并计算X轴和Y轴的实时信噪比的平均值，以作为正交信号 的平均信噪比。
[0028] 在一些示例中，还包括：性能评估模块，用于评估所述正交线圈传感器对管道机器 人产生的极低频微弱瞬态信号进行检测判决的性能。
[0029] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0030] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：
[0031] 图1是根据本发明一个实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号 检测装置的结构框图；
[0032] 图2是根据本发明一个实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号 检测装置的原理框图；
[0033] 图3是根据本发明一个实施例的在管道机器人移动速度为5m/s时的正交信号波 形图；
[0034] 图4是根据本发明一个实施例的在三种管道机器人移动速度下的正交信号包络 图；
[0035] 图5是根据本发明一个实施例的Y轴信号模型中包络衰减速率的统一关系图；
[0036] 图6是根据本发明一个实施例的正交信号模型中包络衰减速率的统一关系图；
[0037] 图7是根据本发明一个实施例的的联合包络衰减速率与管道机器人移动速度之 间的对应图；
[0038] 图8是根据本发明一个实施例的检测统计量的概率分布函数曲线示意图；
[0039] 图9是根据本发明一个实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号 检测装置的性能曲线示意图；以及
[0040] 图10是根据本发明一个具体实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频 信号检测装置在管道环境下的实测结果图。
【具体实施方式】
[0041] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0042] 以下结合附图描述根据本发明实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低 频信号检测装置。
[0043] 图1是根据本发明一个实施例的基于正交线圈传感器的管道机器人极低频信号 检测装置的结构框图。如图1所示，该装置1000包括：模型建立模块110、参数融合模块 120、关系建立模块130、统计量获取模块140、门限获取模块150和检测模块160。
[0044] 其中，模型建立模块110用于根据Morlet小波包络建立正交信号模型，其中，正 交信号模型中定义包络波峰变化的陡度为包络衰减速率，来表征正交信号受管道机器人移 动速度引起的包络特征的变化，并采用最小二乘准则统一包络衰减速率为联合包络衰减速 率。具体地说，正交信号模型分别对X轴和Y轴的正交接收信号通过Morlet小波包络进行 建模。其中，
[0045] 对X轴信号的主瓣波峰建立信号模型如下：
[0047] 对于Y轴信号模型，采用以原点和两个峰值点为分界点分