气液两相管流流型信号的小波去噪处理

D0I:10.13374/i.issn1001-一053x.2002.01.051 第24辔第1期 北京科技大学学报 Vol.24 No.1 2002年2月 Journal of University of Selence and Technology Beljing Feb.2002 气液两相管流流型信号的小波去噪处理 顾春来董守平 石油大学机电工程学院，北京102249 摘要流型信号能够反映气液两相管流的流助特征，它们往往会伴随着各种随机噪声.为此 建立了一座气液两相流的综合试验装置，提取气液两相管流的流型信号.采用小波变换对信号 样本的进行多尺度分解，利用信号和噪声在不同尺度上的特性把它们区分开来，消除噪声后再 对信号进行重构，得到了较好的去噪效果. 关鳍调气液两相流；流型；小波变换：去噪 分类号0359.1；TP806.1 由于现代DSP技术的不断进展，通过流动 感器值，作为进行流型信号分析的样本值 信号的分析来处理多相流动的流型识别问题也 得到了相应的发展.4流型信号在测量中往往 2小波去噪的基本思想 会伴随着大量的随机噪声，如管道振动、电子线 设信号样本为fx)eV,有fx)=Ax)= 路的不稳定和老化及数据采集卡的量化误差等 C4p,其中{Cez具有有限长度N,利用 等.小波变换具有可对信号进行时频局部分析、 信号局部特征提取和时变滤波等特点，通过信 Mallat算法可将信号样本分解成不同频率通道 号样本的多尺度小波分解，把信号和噪声区分 上的成分 开来，消除噪声后再对信号进行重构，达到流型 fx)=AxH交Df) (1) /=人+川 信号去噪的目的， 其中Ax)=ΣCup(x)是信号频率低于2的成 分，而D心-.是信号频率介于2和2 1测量流型信号的试验装置 之间的成分.前面的小波分解可以写成 为进行气液两相管流流型的研究，建立了 CM=HC] 一座室内规模的气液两相流水平试验环道（张 Dm G C]j=-1 劲军，中国石油气天然气总公司信息研究所， 其中低通滤波器H作用在一个序列a={aez的 1993).试验环道能够产生有关气液两相流流型 效果为(Ha.-昌h,-a,高通滤波器C的作用效 并得到瞬时流动参数；采用以微机为主体的自 果为(Ga).=3s-a,其中{haye和{gez是由给 动挖制系统结构，利用/O总线通过接口箱与 定多分辨率分析所确定的滤波器.由此可见，基 各下位机（电动调节阀、流量传感器和差压传感 于小波的多分辨率分析将信号x)分解为频率 器等)之间进行高速数据采集、运算和控制，本 小于2的成分Afx)和频率介于2和2之间 装置具有较高的自动化程度、丁作可靠，便于系 的成分Dfx),J-1j≤J. 统功能扩展；能在常温低压下得到在一定范闱 设(0)是一个实的方差为c的宽平稳白噪声 内连续变化的油气水各相流速和流量，并能进 随机过程，()为关于随机变量的数学期望，则： 行在线标定仪表，主要的技术指标为：油和水 E{n()}=0 (2) 的流速范围0-2m/s,气相的流速范围0-20m/ R(n,)=E{w)n)}=d2u-) (3) s,装置的运行压力范围0~1MPa.在试验中通过 对于实小波基函数p()和给定的尺度j,信号() 改变各相流量得到不同流型下测试段上差压传 的小波变换为位置的随机过程，且有 (WT2n(t= 收稿日期200103-12顾眷来男，33岁，工程师.博士

策 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扣 拍 嘴 ’ 】。 盯 幼 、 一 一 。 气液两相管流流型信号的小波去噪处理 顾春来 黄守平 石油大学机电工程学院 ， 北京 摘 要 流型信号能够反 映气液 两相管流的流动特征 ， 它们往往会伴随着各种随机嗓声 为此 建立 了一座气液两相流的综合试验装 提取气液两 相管流的流型信号 采用小波变换对信号 样本的进行多尺度分解 ， 利用信号和嗓声在不同尺度上 的特性把它们区 分开来 ， 消除噪声后再 对信号进行重构 ， 得到了较好的去噪效果 关份词 气液两相流 流型 小波变换 去噪 分类号 ‘ 仔 由于 现代 技术的不 断进展 ， 通过流动 信号 的分析来处理多相流动的流 型识别间题也 得 到 了相应 的发展 ‘， · ’ 流 型信号在测 量 中往往 会伴随着大量的随机噪声 ， 如管道振动 、 电子线 路的不稳定和老化及数据采集卡的量化误差等 等 小波变换具有可对信号进行时频局部分析 、 信号局 部特征提取和 时变滤波等特点 ， 通过信 号样本 的多尺 度小波分解 ， 把信号和 噪声 区分 开来 ， 消除噪声后再对信号进行重构 ， 达到流型 信号 去 噪的 目的 ‘ 感器值 ， 作为进行流 型 信号分析的样 本值 测 流型信号的试验装里 为进行气液两相 管流流型 的研究 ， 建立 了 一座 室 内规模的气液两相 流水平试验环道 张 劲军 ， 中国石 油气天 然气总公 司信息研究所 ， 试验环道能够产生 有关气液两相流流 型 并得 到瞬时流 动参数 采用 以 微机 为主体的 自 动控制 系统结构 ， 利用 总线通 过 接 口 箱与 各下 位机 电动调节阀 、 流量传感器和差压传感 器等 之 间进行 高速数据采集 、 运 算 和 控制 ， 本 装置具有较高的 自动化程度 、 工作可靠 ， 便于 系 统功能扩展 能在 常温低压 下 得 到在一定 范 围 内连续变化 的油气水各相流速和流量 ， 并能进 行在 线标定仪表 主要 的技术指标 为 油和水 的流速 范围 一 而 ， 气相 的流速范 围 而 ， 装置 的运行压力 范围 一 在试验 中通 过 改变各相流量得到不 同流型 下测试段上 差压传 收稿 日期 刁 一 顾春来 男 ， 岁 ， 工程师 ， 博士 小波去嗓的基本思想 设 信 号 样 本 为八尤阵 巧 ， 有八 工 洲 艺几户，，， 其 中 、 具有有 限长 度凡 ， 利用 算法 可将信号样本分解成不 同频率通 道 上 的成分 加 一 才 刀习气票几刀牙 其 中注赤 一 恿。 ‘汽 ， 是信号频率低 于 一‘ 的成 分 ， 而 武 不 一 恿蛛 是信号频率介 于 刁 和 一 口一 ” 之 间的成分 前面 的小波分解 可 以 写成 ， 几 十 二 热 ，… 热 一 其中低通滤波器 作用在一个序列 久 ‘ 的 效果 为 价 。 艺从 一 刀 ， 高通 滤波器 的作用效 果 为 一 争 一 ‘ ， 其 中 从 ‘ 和 ” ‘ 是 由给 定多分辨率分析所确定 的滤波器 由此 可见 ， 基 于小 波的多分辨率分析将信号八尤 分解 为频 率 小于 一汤 的成分 识丈和 频率介于 一 和 一 仃一 ’ 之 间 的成分 产尤 ， 讯一 习‘ 人 设 是一个实的方差 为护的宽平稳 白噪声 随机过程 ， 为关于随机变量 的数学期望 ， 则 、，乙内 矛、少 了︼飞 飞了、 凡 ， 刃 “ 护次 一 刃 对 于 实小 波基 函数帆 和 给定 的尺 度了 ， 的小 波变换 为位置 的随机过程 ， 且有 杖 毛 ， 二 信号 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．051

Vol.24 No.1 顾作米等：气液两相管流流型信号的小波去噪处理 77 2fn(u)n(v)p(2(u-1))p(2(v-t))dudv(4) 换极大值点的稠密度均随尺度的增大而减小 于是 可以认为在大尺度下剩余的模极大值点主要是 EWT2)n(t)= 2∬r8u-e2u-p2v-idr- 属于有效信号的，于是本文采用下述算法： (I)选用Daubecheis小波对原流型信号进行 2g∫lo(2u-xdu=lel (5) 6尺度分解，得到各尺度下的小波细节序列： 因此可以说，(WT)(t)作为一个宽平稳的随 (2)在每一尺度下，根据该尺度下白噪声的 机过程，它的平均功率随尺度的增大而按指数 小波系数序列特征和先验知识给出每一尺度下 律减小.由此可以推出信号()的小波变换的局 的滤波阈值； 部极大值点的平均稠密度为 (3)利用该阈值对小波系数序列进行处理， de (6) 小波系数序列中绝对值小于该阈值者即清零， 大于该阈值者保持其符号和大小均不变，由此 由此可见，白噪声信号小波变换模极大值 得到新的小波系数序列： 点的平均稠密度随着尺度增大而减小，即尺度 (4)对新的小波系数序列进行重构，即得到 越大，模极大值越稀疏.(5)和(6)两式成为区分 去噪后的信号. 有效信号与白噪声在多尺度空间中模大值传播 行为的重要特征. 4 结果 3小波变换去除白噪声的算法 如图1和图2是对气液两相水平管流中分 层波状流和段塞流下流型信号进行小波去噪前 小波去噪的关键是用什么准则来判别和去 后下流型信号的对比，从图中看出通过信号样 除属于噪声的小波系数，本文采用阈值判别法 本的多尺度小波分解，把信号和噪声加以区分， 对信号中的白噪声进行滤波处理.由前面分析 消除噪声后再对信号进行重构，其效果相当好 知，白噪声的小波变换局部模极大值和小波变 600 (a) 600 (b) 550 550 450 450 400 400 350 350 0 500 10001500 2000 500 10001500 2000 1/×0.025s t/×0.025s 图1小波去嫌前后分层波状流流型信号对比，()去噪前，()去噪后 Fig.I Comparison of pre-denoised and post-denoiaed stratified wavy flow signals 3.5 3.5 (a) (b) 3.0 3.0 2.5 2.5 2.0 2.0 1.5 1.0 0.5 1.0 N 0 0.5 -0.5 0 -1.0 0.5 0 5001000 15002000 500100015002000 1/×0.025s t/×0.025s 图2小波去噪前后段富流流型值号对比.()去噪前，(b)去噪后 Fig.2 Comparison of pre-denoised and post-denoised slug flow signals

顾春来等 气液 两相管流 流型信号的小波 去噪 处 理 仃 ， 一 ， ‘ 一 于是 ” 力 ， 万扩‘ 一 ， ， 一 ， ， ‘ 一 ，了 ， 侧 一 一 因此可 以说 ， 牙乙 作为掣一个宽平稳的随 机过 程 ， 它 的平 均功 率 随尺 幻的增大而 按指 数 律减 小 由此 可 以推出信号 的小波变换 的局 部极 大值点 的平均稠 密度 为 一 习 若 划斗势嘿’ 一 ’ 黔 川 由此可 见 ， 自噪声信号小 波变换模极 大值 点 的平 均 稠密度随着 尺 度增 大而 减小 ， 即 尺 度 越 大 ， 模极 大值越稀疏 和 两式成 为区分 有效信号 与白噪声 在 多 尺度 空 间中模大值传播 行 为 的重 要 特征 换极大值点 的稠 密 度 均随 尺 度 的增大而 减 小 可 以 认 为在 大 尺 度下 剩余的模极 大值点 主要 是 属于 有效信号 的 ， 于 是 本文采用 下 述算法 选用 小波对原流型 信号进行 尺 度分解 ， 得 到各尺 度 下 的 小 波细节 序列 在每一 尺 度 下 ， 根据该 尺 度 下 白噪声 的 小波 系数序列特征 和 先验知识给 出每一 尺 度 下 的滤 波 问值 利用该 阑值对 小 波系数序列进行处 理 ， 小 波系数 序列 中绝 对值小 于该 阑值者 即清零 ， 大 于该 阑值者保持其符号 和 大 小均不 变 ， 由此 得到新 的小波 系数序列 对新 的小 波系数序列进 行重构 ， 即得 到 去噪后 的信号 ， 小波变换去除 白噪声的算法 小波 去 噪的关键是 用什么准则来判 别和 去 除属 于 噪声 的小 波 系数 ， 本 文 采用 阂值判 别法 对 信号 中的 白噪声进 行 滤波处理 由前面分析 知 ， 自噪声的小波变 换局 部模极 大值和小波变 结果 如 图 和 图 是 对 气液两 相 水 平管流 中分 层波状流 和 段 塞流下 流型 信号进行小波去 噪前 后 下流 型 信号 的对 比 ， 从 图 中看 出通 过 信号样 本的多尺度 小波分解 ， 把信号 和 噪声加 以 区分 ， 消除噪声后再对信号进行重构 ， 其效果相 当好 ﹄丫﹄丫压气一 呼，月，、︸﹃ 寸价叹︻勺月减 仍等一改勺 圈 小 波去 前后 分层 波 状流流型信 号对 比 · 去嗓前 》去嗓 后 峪 ， 如吧 二 ， 一 妞 沂 伽 生改二落勺 心尸、︸甘咤、 ， … 门︸飞峥，山气‘、﹁盈性日﹄ 价工等改肉 刁 一 刁 圈 小 波去嗓前后段 流流型信号对 比 · 去嗓前 ， 去嗓后 比 ， 一 啥 肠

78 北京科技大学学报 2002年第1期 5结论 参考文献 1陈家琅.石油气液两相流M,北京：石油工业出版社， 在气液两相流水平试险环道装置中，提取 1989 油和水两相水平管流中分层波状流和段塞流下 2李海膏，两相流参数检测及应用M.杭州：浙江大学 流型信号，对提取的信号进行小波变换去噪处 出版社，1991 理，对比去噪前后下流型信号，结果证明小波去 3崔第泰著，程正兴译.小波分析导论M.西安：西安 噪效果很好， 交通大学出版杜，1995 Wavelet Denoising Treatment of Flow Pattern Signals in Liquid-gas Two Phase Flow Pipelines GU Chunlai,DONG Shouping Mechanical and Electronic School,Petroloum University,Beijing 102249,China ABSTRACT Liquid-gas two phase flow can be characterized by its flow pattern signals,which are often with some random noises.A general two phase flow experimental facility is set up to obtain flow pattern signals in two phase flow pipes.Flowing signals are decomposed with Daubechies wavelets to differ the noises from flow pattern signals.The denoised signals are quite well after reconstruction. KEY WORDS liquid-gas two phase flow;flow patter;wavelet transform;denoise

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 结论 在气液两相流水平试脸环道装里 中 ， 提取 油和水两相水平管流中分层波状流和段塞流下 流型 信号 ， 对提取 的信号进行小波变换去噪处 理 ， 对 比去噪前后 下流型信号 ， 结果证明小波去 噪效果很好 考 文 献 陈家琅 石油气液两相流 北京 石油工业 出版社 ， 李海青 两相流参数检测及应用 杭州 浙江大学 出版社 ， 崔锦察著 程正兴译 小波分析导论四 西安 西安 交通大学出版杜 ， 从厄 址 一 瓦 口即翻 咧 即 ， 。帅 鸭 ， · 勿 禅 ， 伴 即 吨 父 丘 触 一 扣 抽