一种输电铁塔螺栓声纹检测布设容错校准方法与流程

本发明涉及输电铁塔，更具体地说，本发明涉及一种输电铁塔螺栓声纹检测布设容错校准方法。

背景技术：

1、声纹检测技术在输电铁塔螺栓松动诊断中已得到初步应用，其基本原理是：由声波发生器向铁塔结构注入激励声波信号，布设在铁塔关键节点处的骨传导声纹传感器采集经结构传播后的声纹响应，通过分析响应信号的特征变化判定螺栓紧固状态。然而，在现有技术中，对输电铁塔的螺栓声纹检测方法普遍隐含着一项背离工程现实的理想化假设，即声纹传感器和声波发生器被精确地安装在预设的标定位置上，且安装状态恒定不变。

2、例如公开号为cn119935517a的发明专利申请公开了一种基于声纹特征提取的通信塔螺栓松动定位系统及方法，其通过声波发生器对通信塔施加一定频率的激励声信号，利用骨传导声纹传感器收集激励声信号，并通过螺栓松动分类模型进行分类处理。然而，该技术方案将声纹传感器的“布设”简单等同于“指定位置的放置”，未考虑实际安装中声纹传感器与标定位置之间的空间偏差以及接触阻抗差异对采集信号的影响。又如公开号为cn120892991a的发明专利申请公开了基于人工智能和声纹识别的法兰螺栓健康检测方法，其通过提取时域、频域、时频域特征并引入优化因子动态调整关键参数。该技术方案的优化对象仅限于算法层面的参数（如连续采样点数、频谱重心阈值、子带偏移量等），并未涉及物理安装偏差的校正；其“脱离值”与“标准脱离值”的比对仍依赖于螺栓轴向位移的物理标定，本质上仍要求声纹传感器安装状态的一致性作为比对前提。

3、上述技术方案的局限性在真实的输电铁塔巡检场景中尤为突出。运维人员在距地面数十米的高空、狭窄的塔材作业面上完成声纹传感器安装，受作业空间限制、目视估测误差等因素影响，声纹传感器的实际落点与设计标定位置之间存在2-8cm的随机偏移。同时，骨传导声纹传感器依赖与铁塔表面的紧密贴合来拾取固体传播声波，而实际操作中，不同人员施加的磁吸力不同、贴合面的锈蚀或污垢程度不同，导致接触声阻抗呈随机分布，引起采集信号幅值出现±15%-±40%的随机波动，该幅值波动与螺栓松动导致的幅值衰减在频域上高度相似，极易导致误判。此外，声波发生器与铁塔主材的刚性连接程度因安装操作而异，注入铁塔结构的实际激励能量存在显著的批次差异；同一铁塔在不同检测日期因声纹传感器被拆卸后重新安装的位置和接触状态不同，前后两次采集的数据也缺乏可比基准，无法进行有效的纵向趋势分析。

4、综上，现有技术的根本缺陷在于：将“结构状态变化”引起的声纹变化与“布设状态变化”引起得声纹变化混为一谈，且缺乏有效的解耦手段来区分信号偏差是源于螺栓松动还是测试条件改变，导致现有声纹检测方法在实际工程应用中难以保证判别结果的准确性与可重复性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种输电铁塔螺栓声纹检测布设容错校准方法，以解决现有输电铁塔螺栓声纹检测时，因无法区分声纹传感器布设偏差与螺栓松动两者引起的声纹变化，导致螺栓声纹检测误判率高且跨次检测数据不可比的问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供一种输电铁塔螺栓声纹检测布设容错校准方法，包括：获取声纹传感器与声波发生器布设的理论标定位置，建立理论传递函数以计算理论基准信号；采集时域响应信号，并进行预处理与频域转换，获得频域响应信号；基于理论基准信号与频域响应信号，求取布设偏差传递函数以提取布设偏差因子并构建校准矩阵；获取频域检测信号，并依据校准矩阵进行在线标准化补偿，获得标准化频域信号及最终检测结果。

3、在一个优选的实施方式中，所述获取声纹传感器与声波发生器布设的理论标定位置，建立理论传递函数以计算理论基准信号，包括：依据铁塔规模与检测精度，布设声纹传感器与声波发生器，并获取声纹传感器与声波发生器的理论标定位置；基于所述理论标定位置，结合目标铁塔的型号参数，建立声波发生器与声纹传感器之间的理论传递函数并计算理论基准信号。

4、所述采集时域响应信号，包括：引入多级联动校验机制判定发射条件，并采集声波发生器静默状态下的环境噪声信号；设计宽频带校准激励信号作为校准信号；当判定满足发射条件时，声波发生器发射所述校准信号，声纹传感器同步采集所述时域响应信号。

5、在一个优选的实施方式中，进行预处理与频域转换，获得频域响应信号，包括：对所述时域响应信号依次进行去直流与滤波处理，获得滤波处理后的时域响应信号；对滤波处理后的时域响应信号依次进行加窗与傅里叶变换，获得频域响应信号。

6、在一个优选的实施方式中，所述采集时域响应信号，并进行预处理与频域转换，获得频域响应信号；还包括：对环境噪声信号进行预处理与频域转换，获得频域噪声信号；基于频域噪声信号与频域响应信号，分别计算有限频带内的噪声能量与信号能量；基于所述噪声能量与所述信号能量，得到信噪比；依据信噪比，设置质量判定与重采机制，并对校准信号进行一致性校验，获得铁塔螺栓声纹检测的初步检测结果。

7、在一个优选的实施方式中，所述基于理论基准信号与频域响应信号，求取布设偏差传递函数以提取布设偏差因子并构建校准矩阵；包括：基于理论基准信号与频域响应信号，通过逐频点复数除法求取布设偏差传递函数；基于布设偏差传递函数，提取布设偏差因子并构建校准矩阵；其中，所述布设偏差因子包括量化接触阻抗差异的幅值偏差因子、量化空间位置偏移的相位偏差因子以及量化声波发生器安装质量的声源耦合偏差因子。

8、在一个优选的实施方式中，所述提取布设偏差因子并构建校准矩阵，还包括：基于布设偏差因子，结合现场环境温度与校准时间戳，生成布设偏差指纹；依据布设偏差指纹，计算布设状态变化度；将布设状态变化度与预设的布设状态变化度阈值进行比对，依据比对结果评估校准矩阵。

9、在一个优选的实施方式中，所述依据比对结果评估校准矩阵，包括：当布设状态变化度大于设状态变化度阈值时，判定本次布设状态与上次有效校准时的布设状态存在显著差异，自动更新获得新校准矩阵；当布设状态变化度不大于设状态变化度阈值时，判定本次布设状态与上次有效校准时的布设状态差异不大，直接沿用已有校准矩阵。

10、在一个优选的实施方式中，所述获取频域检测信号，包括：声波发生器发射检测激励信号，声纹传感器同步采集获得时域检测信号；对时域检测信号进行预处理与频域转换，获得频域检测信号。

11、在一个优选的实施方式中，依据校准矩阵进行在线标准化补偿，获得标准化频域信号及最终检测结果，包括：依据校准矩阵对频域检测信号进行在线标准化补偿，获得补偿后的标准化频域信号；依据标准化频域信号，提取标准化频域特征或进行反变换获得标准化时域信号，分析获得最终检测结果；其中，所述标准化频域信号为已消除布设偏差影响，仅反映结构状态变化的纯净信号；所述最终检测结果包括螺栓是否松动以及松动程度。

12、本发明的有益效果：

13、（1）通过获取声纹传感器与声波发生器布设安装的理论标定位置，建立声波发生器与声纹传感器之间的理论传递函数，并依据该理论传递函数计算获得理论基准信号；再通过声波发生器发射校准信号，各声纹传感器同步采集该校准信号的时域响应信号；再对采集的时域响应信号进行预处理与频域转换，获得频域响应信号，基于理论基准信号与频域响应信号，求取布设偏差传递函数并依据该布设偏差传递函数提取布设偏差因子；将提取的各布设偏差因子作为校准参数构建校准矩阵，通过该校准消除了螺栓“布设状态变化”引起声纹变化的影响；

14、（2）通过获取频域检测信号，并依据校准构建的校准矩阵，对该频域检测信号进行在线标准化补偿，使获得的标准化频域信号仅反映螺栓自身“结构状态变化”引起声纹变化的影响，进而使基于该标准化频域信号分析获得的最终检测结果，可准确反映输电铁塔螺栓自身松动情况，保证了最终检测结果在实际工程应用中的准确性与可重复性。