第一章 绪论
1.1 管道漏水检测定位的目的及意义
我国可供使用的淡水资源约有30000亿立方米，是全球水资源总量的百分之六，在水资源总量的排名上居世界第四位，仅次于加拿大，俄罗斯和美国。但是从人均占有水资源量来说，却不容乐观，我国人均占有的水资源不多于 2400 立方米。根据有效数据的统计，人均占有量只有世界人均水资源的七分之二[2]。就整个广东省来说，这里本是属于雨水非常充足的地区，但是近年来也面临着缺水的情况，据相关部门的数据显示，截止到2010年广东省总的缺水量有83亿立方米。广东省境内珠江水系穿流而过，仅此水系所提供的水资源量就超过 4000 亿立方米，是东南地区也是全国含水总量最高的水系，同时广东也地处亚热带，降雨量相比其它地方而言要充沛得多，从水资源的储备量来说，名列全国第一。但总体上人均水资源拥有量却低于全国人均标准，接近国际公认人均水资源1800最立方米的低标准。 据不完全的统计，全省有不低于 1500万人面临不同程度的水资源短缺[3]。
1.2 国内外研究现状
在现有的供水管道泄漏的检测技术中，下面的几种是在实际中相对来说应用比较广泛的[6]：设备直接检测定位法；基于非声信号的检测定位法，如红外成像方法，探地雷达方法等；在线流量信息管理系统；基于声信号的检测定位方法，如听音技术，噪声检测技术和互相关技术。
（1）所谓的直接检测定位技术就是在管道四周放置湿度或其它气敏传感器，这种方法一般用于早期的管道检测和定位。传感器可以较为敏锐的感应管道周围漏水，这个信号传到专用检测系统后，会触发报警。此方法的优点是能对漏点进行准确定位并且有较好的灵敏度，缺点，要在可能出现漏点的管道四周放置非常多的传感器和其它专用设备，设备成本和维护成本都较高，因此，现在一般不流行此种方法。
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第二章 漏水点检测及定位的原理
2.1 管道漏水信号的传播特性
其实，早在二十一世纪初期，就有学者就报道了有关对管道中泄漏信号及其传输特性的研究[9]。他们研究的内容包括在不同的泄漏源类型，泄漏点的形状和大小，流体速度，管内压力的条件下，甚至是在不同季节中，管道漏水信号的频率和不同成分对应的能量损失程度，以及传播的快慢程度随漏水频率的变化情况。该研究是在反复实验的基础上进行的，为此，他们专门搭建了实验必须的各种设施，其中包括一根150长，管径180mm 的 PVC 管道。为了尽可能的模拟真实的漏水场景，该管道依照正常的建筑程序，被埋在地下 2.2m 的软性土壤中。在实验中通过各种途径模拟了若干种可能发生泄漏的情况，例如由于管道自身的破裂，接口处的故障等。管道中的漏水速度和管道压力都是能够被人为进行调整的，先分别用水听器和加速度传感器采集漏水信号，之后再对这两种结果做出比较。
2.2 功率谱估计
功率谱密度简称功率谱，它表征的是在单位频率内信号的功率大小，用来反应信号在频域中的各种特征，是非常重要的一个频域概念。常用的功率谱估计法是直接法，但是由于其估计方差比较大，并且其方差不会随着数据长度的增加而有所减小，因此，在本设计中采用的是改进的平均周期图法来进行估计。它采用平均法来降低估计的方差，把漏水信号的数据分成若干小段，而且每段的数据可以重叠，先分别求出每一段数据的功率谱再将其平均，这样可充分利用信号的信息，减小估计的方差[14]。 因此，由上述要求可以利用以下几个步骤来完成平均周期图法的计算： (1)估计随机信号的分析频率范围，采用模拟低通抗混叠滤波器滤掉信号中分析频率范围以外的高频成分。取最高分析频率的 3～4 倍确定随机信号的采样频率sf 。为了使所得到的频率函数很可靠，必须要先敲定好采样时间的跨度，再来采集随机信号。
第三章 漏水检测定位系统的整体设计..............................12
3.1 硬件电路设计 ................................. 13
3.1.1 AT56C55 与DSP 接口电路 ................ 13
3.1.2 单片机控制模块................................................ 14
第四章 改进的变步长 LMS 自适应滤波....................................33
4.1 LMS 自适应滤波..................................... 33
4.2 LMS 滤波算法的原理...................................... 33
4.3 改进的变步长 LMS 算法及分析 ......................................... 37
第五章 实验部分..............................................46
第五章 实验部分
为了验证整个系统包括软件，硬件和算法部分的可行性，我们多次在广州白云机场供水站采集数据并进行了大量仿真和数据处理的实验。在管道上采集漏水信号的时候，主机与从机之间要同步进行，系统上电后，首先会进入主从机的选择界面，这样能减少从机功耗，这对于便携式设备来说非常重要。这部分主要是对采集到的信号进行处理，包括算法的仿真，滤波曲线，功率谱估计曲线和利用主机与从机的数据进行互相关定位的结果并对其进行分析。 变步长 LMS 自适应算法仿真： 下面通过 MATLAB 仿真来验证上文讲述的变步长滤波算法的性能。噪声信号利用传感器从相同环境下没有漏水的管道处取得，另外，本实验仿真的初始化取值为：
（1） α和β 的取值为（10，0.2）
（2） 自适应FIR 滤波器阶数 M=32；
（3） 系统的初始权系数W*=zeros(M, 1 )； 步长函数的选取，目标函数的选取都是参照上一张讲解的情况。经过多次实验，得出在如图5-1所示，当b=2.0 时，a=10的情况下，滤波效果较为理想。采集到的数据从压电加速度传感器出来，经过预放大电路，滤波电路先滤除一部分噪声信号，送入DSP 芯片中，利用第四章介绍的变步长 LMS 算法对信号进行处理，图 5-2 和 5-3 分别是经过采集到的原始信号图和经过滤波后的信号图。
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第六章 总结和展望
本论文主要完成一下的工作：
1.简单的介绍了管道漏水检测定位对于经济发展和日常生活的意义，明确了本文设计的目的，接着介绍了在设计系统时所涉及技术的发展历史。
2.管道漏水检测的原理，包括管道漏水信号的传播及特性，用于漏水检测的功率谱估计原理和漏水点精确定位的互相关延迟算法。
3.首先给出了系统的整体结构设计，包括部分功能电路图，主从机软件控制的设计流程，和人机交互界面设计流程。
4.介绍了一般线性 LMS 算法在信号处理上的缺陷，也简单阐述了利用改进的变步长 LMS 算法对信号滤波，接下来详细介绍了基于互相关延时估计的信号处理算法。 通过本文的设计研制出的检测定位系统已经基本达到使用需求，但是由于时间有限和本人自身能力的原因，设计方法中或多或少存在不足。
在以下部分还可以做更好的改进：
1.AT56C55 单片机既可以作为 8 位也可以作为 16 位的来使用，设计时是使用的 8位，因为易于实现。但同时设计出来的效果也不够精细，建议在后续的开发中，选用更高性能的 ARM 芯片与 DSP 芯片相结合，这样在嵌入式 Linux 系统上可以利用嵌入式QT 版本来开发出更加绚丽和人性化的界面效果。
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参考文献（略）