Kalman濾波在磁檢測信號分析中的應(yīng)用-開題報告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目 Kalman濾波 在磁檢測信號分析中的應(yīng)用專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 1、 選題的依據(jù)及意義： 石油、天然氣是能源存在的主要形式之一，他們的遠距離運輸大部分是通過長輸管道實現(xiàn)的1。管道運輸作為石油、化工行業(yè)中輸送原料與介質(zhì)的重要途徑，在長期使用的過程中，由于受到腐蝕，會出現(xiàn)局部的麻坑，甚至發(fā)生泄漏事故、造成環(huán)境污染，因此管道缺陷的無損檢測技術(shù)對保證工業(yè)生產(chǎn)的安全有著十分重要的意義。國內(nèi)外廣泛采用的管道檢測技術(shù)主要包括超聲檢測、渦流檢測和漏磁檢測等幾種，漏磁檢測法是當(dāng)前國內(nèi)外對在役石油、天然氣長輸管道缺陷檢測最有效的方法之一。漏磁無損檢測方法是建立在如鋼管、鋼棒等鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性上的。它通過拾取被磁化的鋼管其缺陷處引起泄漏到外部的磁通信號,再經(jīng)信號處理裝置得到與缺陷的形狀有關(guān)的電信號的一種方法2。通過測量或觀測所獲得信號通常包含兩個部分其一是與所檢測的對象存在直接或間接關(guān)系的有用部分,稱為信息;另一部分是與所研究的對象無關(guān)的干撓部分,稱為噪聲。信號處理主要分為信號分析與信號過濾兩類，信號分析主要是通過分析測量信號的性質(zhì)，進而應(yīng)用于目標(biāo)檢測；信號過濾主要用于信號除躁、頻帶劃分、頻譜成形等3。信號處理的目的就是最大限度去除或抑制與所研究對象無關(guān)的那部分干撓,突出或提取有用信息。隨著信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，以軟件為主的基于現(xiàn)代控制理論和信號處理技術(shù)的方法逐漸發(fā)展起來4。Kalman濾波是一套由計算機實現(xiàn)的實時遞推算法,它所處理的對象是隨機信號,利用系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的統(tǒng)計特性,以系統(tǒng)觀測量作為濾波器的輸入,以所要估計值(系統(tǒng)的狀態(tài)或參數(shù))作為濾波器的輸出,濾波器的輸入與輸出之間是由時間更新和觀測更新算法聯(lián)系在一起的,根據(jù)系統(tǒng)方程和觀測方程估計出所有需要處理的信號。它不但可以對平穩(wěn)的一維的隨機過程進行估計,也可以對非平穩(wěn)的、多維隨機過程進行估計,因此適用范圍比較廣泛。作為一種動態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，kalman濾波能在即使并不知道模型的確切性質(zhì)的條件下，估計信號的過去和當(dāng)前狀態(tài)。甚至能估計將來的狀態(tài)5。它的基本思想是：以最小均方誤差為最佳估計準(zhǔn)則，采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時刻的估計值和當(dāng)前時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出當(dāng)前時刻的估計值，算法根據(jù)建立的系統(tǒng)方程和觀測方程對需要處理的信號做出滿足最小均方誤差的估計。MathWorks公司針對不同的領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、小波分析、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計、系統(tǒng)辨識、優(yōu)化設(shè)計、統(tǒng)計分析、財政金融、樣條及通信等30多個具有專門功能的工具箱6。Matlab軟件用于數(shù)字信號的處理具有靈活程度高、精度和穩(wěn)定性較好、便于開發(fā)和升級、功能強大等優(yōu)點，在解決相同問題的時候，Matlab的性能要遠遠超過用其他的變成語言所編制的計算機程序7。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢：國外對漏磁探傷的理論研究比較早：1933年zuschlug初次提出用磁粉顯示磁化剛體上由缺陷產(chǎn)生的漏磁場這種測定方法。 1947年Hastings設(shè)計了一套漏磁檢測系統(tǒng)后,漏磁檢測才得到了普遍承認。1965年,日本株式會社和住友金屬株式會社設(shè)計出一記錄式磁探傷機械裝置。1966年,Sheherb一inin和Zatsepin提出了磁偶極子法。同年前蘇聯(lián)也于同年發(fā)表了第一篇定量分析缺陷漏磁場的論文,提出用磁偶極子、無限長磁偶極線和無限長磁偶帶來模擬工件表面的點狀缺陷、淺裂紋和深裂縫。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法對漏磁場進行分析,首次把材料內(nèi)部場強和磁導(dǎo)率與漏磁場幅值聯(lián)系起來。并且分析了矩形槽深度、寬度、角度對漏磁場的影響。1986年,Edwards和Palae:在漏磁場的計算方面,把解析法向前推進了一步,對無限長表面開口裂紋進行了分析,得出了二維表達式;并且推出了有限長開口裂紋的三維表達式,從中得出當(dāng)材料的相對磁導(dǎo)率遠大于缺陷深寬比時,漏磁場強度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系的結(jié)論8-9。 然而,從當(dāng)一前對漏磁檢測理論研究和應(yīng)用來看,國外一些國家,美國、英國、加拿大、日本、德國等研究較早,在深入理論研究的同時,將該技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實際中并取得良好的效果。 在國內(nèi),理論和實驗研究較多,漏磁場的研究、缺陷的定性和定量分析以及應(yīng)用新的方法研究漏磁檢測都還未取得實用效果,一些結(jié)論還處在探索階段,實際生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域主要靠進口國外的儀器和技術(shù),整個漏磁檢測技術(shù)的發(fā)展與國外相比還有一段距離。而在進行管道磁檢測的過程中目前存在一定的技術(shù)難點，比如說：由于管道缺陷識別是一個逆問題,輸出和輸入之間存在非唯一性,而且漏磁信號與缺陷尺寸之間是非常復(fù)雜的非線性關(guān)系,所以缺陷識別技術(shù)是當(dāng)前管道無損檢測中的一大技術(shù)難點和研究重點。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識別缺陷工作量龐大、容易出現(xiàn)局部極值、過擬合現(xiàn)象等。 在工程系統(tǒng)隨機控制和信息處理問題中,通常所得到的觀測信號中不僅包含所需的信號,而且還包含有隨機觀測噪聲和干擾信號。通過對一系列帶有觀測噪聲和干擾信號的實際觀測數(shù)據(jù)的處理,從中得到所需要的各種參量的估計值,這就是估計問題10。 而卡爾曼濾波作為一種數(shù)值估計優(yōu)化方法，其高效的實時處理功能，使得當(dāng)信號中含有噪聲時，kalman濾波能在以最小均方差條件下給出信號的最佳估計而且是在時域中采用遞推的方式進行10。 因而速度更快，也便于實現(xiàn)實時處理。 3、 研究內(nèi)容及實驗方案：1.研究內(nèi)容：研究所采集漏磁檢測信號的特點，分析所采集信號的特點，并對其進行數(shù)學(xué)建模，利用適當(dāng)?shù)乃惴?、理論與Matlab軟件實現(xiàn)模型構(gòu)建。2.實驗方案：發(fā)現(xiàn)問題實驗程序編寫與修改實現(xiàn)濾波 Matlab 數(shù)據(jù)處理 數(shù)學(xué)建模漏磁信號采集分析采集到的信號的特點設(shè)計成功問題分析圖2.1 實驗方案框圖(1) 漏磁信號采集(2) 建立準(zhǔn)確的管道漏磁檢測數(shù)學(xué)模型(3) 從模型出發(fā)，應(yīng)用Matlab軟件設(shè)計濾波器(4) 檢驗所設(shè)計的濾波器對于所采集的漏磁檢測信號的處理是否正確(5) 調(diào)整濾波器，進一步細化、完善濾波過程4、 目標(biāo)、主要特色及工作進度1.目標(biāo)：通過使用卡爾曼濾波，使得磁檢測的信號處理更加快速、高效、可靠。并實現(xiàn)檢測結(jié)果可視化較強的目的。2.特色：(1)利用kalman濾波實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理(2)利用kalman濾波在磁檢測中的應(yīng)用，對于缺陷的檢測實現(xiàn)估計檢測，避免大量的人力、物力的浪費。(3)利用matlab實現(xiàn)處理結(jié)果的可視化。(4)基于matlab的kalman濾波使得程序的編寫更加簡單明了。3工作進度：20xx.3.920xx.3.20 前期資料搜集調(diào)研20xx.3.2020xx.4.5 撰寫開題報告 20xx.4.620xx.5.1 掌握最優(yōu)估計在kalman濾波中的應(yīng)用 20xx.5.220xx.6.1 程序編寫，并進行數(shù)據(jù)處理 20xx.6.220xx.6.26 撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 5、 參考文獻1 王玉梅. 小波變換在管道漏磁檢測信號分析技術(shù)中的應(yīng)用D. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2002: 2526.2 崔益銘. 管道漏磁檢測技術(shù)的研究D. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2009: 1112.3 陳漢友. Matlab在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用J. 計算機與現(xiàn)代化, 200, 21(1): 2122.4 朱愛華. 卡爾曼濾波和序貫概率比檢驗在管道泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用D. 天津: 天津大學(xué), 2006: 2324.5 彭丁聰. 卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用J. 軟件導(dǎo)刊, 2009, 11(8): 1819.6 鄧巍. Matlab在圖像處理和分析中的應(yīng)用J. 農(nóng)機化研究, 2006, 11(2): 2122.7 于洋. 基于Matlab的信號處理系統(tǒng)與分析J. 電子世界, 2009, 10（9): 2526.8 韓亮. 鐵磁構(gòu)建表層裂紋漏磁分析D. 重慶: 重慶大學(xué), 2012: 5152.9 孫岳江. 油管底板腐蝕缺陷漏磁檢測及其應(yīng)用研究D. 北京: 北京交通大學(xué), 2012: 4243.10 龔文引. 演化Kalman濾波及其應(yīng)用研究D. 中國地質(zhì)大學(xué), 2007: 2728.11 王利