CN108167657A - 输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法，与现有技术相比，本发明开发了一种新型定位方法。该方法，通过判断部分监测点的分辨率参数的大小，可以期望的分辨率大小，获取泄漏区域的信息。由于只需判断部分计算点的相关参数值，因此，可以不计算整个监测区域。并且，可以实现预设分辨率来确定系统参数，无需大量的人工调整。具有推广应用的价值。

Description

输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法

技术领域

本发明涉及属于工业检测领域，尤其涉及一种输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法。

背景技术

输气管道泄漏时会产生负压力波信号，通过利用压电传感器捕捉该信号，并且用算法进行处理，可以获得该泄漏点的位置信息。但是，受衍射极限的限制，定位分辨率往往大于二分之一个波长，即目标像的-3dB区域不小于二分之一个波长。由于负压力波频率很低、波长很大，所以常规定位技术在计算泄漏点位置时，分辨率往往较低。而一些高分辨率成像定位技术，需要通过逐步调试检测系统的系统参数，来得到希望的分辨率。这就需要进行大量的人工调整系统参数。

输气管道泄漏检测技术可分为：红外线成像输气管检漏技术、漏磁输气管检漏技术、分布式光纤检漏技术、负压波输气管检漏技术。

常景龙描述了一种红外线成像输气管检漏技术,具体方法是用直升机装载着精密的红外线摄像仪，沿着输气管移动，记录输气管道周围不规则的地热辐射效应，利用光谱分析检测来判断是否发生管道泄漏并且确定泄漏的具体位置。该方法使用交通设备搭载仪器移动监测，因此，监测成本昂贵，需要人工操作和判断。

黄辉介绍了漏磁输气管检漏技术。金属管道泄漏产生的缺损会导致的磁力线泄漏，该技术通过紧贴管壁的探头来检测漏磁场，判断是管道否存在缺陷。只有在金属管道上产生磁力线，因此，对非金属输气管，该方法无法进行有效的监测。

陈志刚利用分布式光纤检漏技术进行输气管道的检漏。该技术沿着管道大范围的铺设光纤，用光纤布拉格光栅作为传感器，获取天然气管道沿程的应变信号，通过对取得的信号的分析和处理，可以检测出输气管道泄漏的位置。由于光纤成本较高，对于长距离管道，需要铺设大量光纤，成本太高。而且需要整个区域的逐点逐段的监测。

马小林介绍了负压波输气管检漏技术。该技术利用安装在管道两端的压力传感器，检测输气管道泄漏时产生的负压力波动信号，并且根据两端接收到负压波的时间差，来确定管道泄漏的具体位置。虽然该方法可以实现实时监测，但在确定泄漏区域时(一般为信号的-3dB区域)，需要进行整个监测区域的成像定位计算。而且，由于负压力波波长太长，根据衍射极限，该技术定位分辨率很差。

总体说来，大多数检漏办法无法实现低成本、高分辨率、实时、自动的泄漏定位监测。

由于受到衍射极限的影响，无源成像定位技术的分辨率大于二分之一个波长。近期，国际上提出使用局部谐振超材料结合时间反演成像定位技术来实现信号源的超高分辨率定位与成像，突破二分之一个波长的极限。

Fabrice Lemoult介绍了一种基于周期方形格框架结构的方法。整个结构共有400根40cm长的导线构成，每根导线之间的距离为1.2cm。将该结构放置于信号源周围，通过时间反演技术，该作者将分辨率提高到八十分之一个波长。

Cheng Lv开发了一种平面双曲线超材料结构来提高分辨率。相互粘连的金属块和介质块作为其基本单元，多个基本单元构成一个完整的该结构。当基本单元的数量达到1000个，并且贴近信号源时，器可实现0.098个波长的分辨率。

Matthieu Rupin也发明了一种可实现超分辨率的结构。该结构由多根长为61cm、直径为6.35mm的细金属棒构成。将该结构置于信号源的四周较近位置，配合反演滤波器定位方法，可实现0.16个波长的分辨率。

Ren Wang发明了一种平面超分辨率结构。该结构由多个平面裂缝环谐振器并排构成。每个裂缝环谐振器大小为0.1个波长*0.1个波长。当该结构与信号源的相距0.5mm的时候(远小于一个波长)，配合反演匹配成像定位方法，可将分辨率提高到0.1个波长。

Liao T H利用16层介质组成超材料厚片，利用该厚片强化波传播过程中多径效应，从而扩大监测系统的物理口径，提高分辨率。当该厚片被放置在离目标较近的位置时，利用时间反演技术，可将分辨率提高到0.4个波长。

以上技术通过使用局部谐振超材料，加强衰逝波，获取更多信号源的空间信息，从而提高了分辨率，甚至突破衍射极限。由于负压力波检漏技术是对负压力波信号源的检测定位，因此结合超材料的时间反演定位技术可以在一定程度上改善负压力波检漏技术的定位分辨率。以上技术方案，需要使用所谓的超材料器件(周期介质结构、多金属棒结构、多裂缝环谐振器结构等)。可是，不同的超材料构成、不同的超材料与信号源之间的距离，会得到不同的分辨率，例如，Liao T H证明了超材料与信号源之间的距离越近，则分辨率越高。所以，要获得希望的分辨率大小，只能通过人工逐步地调整超材料的相关参数，直到得到所要分辨率为止。可见，现有方法无法实现自动的高分辨率泄漏定位。

针对现有方案需要人工参与调整系统参数才能实现高分辨率成像定位，这一缺点，发明了一种新的高分辨率自动泄漏定位方法。该方法，通过判断部分监测点的分辨率参数的大小获取泄漏区域的信息，并且可以完成以期望的分辨率大小来实现定位成像。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

(1)确定成像定位计算起始点r_o；

(2)期望分辨率小于l_e(即-3dB区域大小)；根据起始点和分辨率期望值，确定下一个成像定位计算点r′_o＝r_o+l_e/2；

(3)分别计算两个传感器所捕捉到的泄漏信号的-3dB宽度，即w_s1和w_s2；并且，计算出两者宽度之和的二分之一，即

(4)假设公式s₁₂(t)＝δ(t-p×t_1,L,m+p×t_2,L,m)(8)中的p为未知数，计算r_o处两个传感器所对应的时间反演信号：

(5)分别求出f_1o最大值和f_2o最大值对应的时间t_1o和t_2o；为使得r_o处的最大信号值等于0.707*(max[x(r₁,r_L,t)]+max[x(r₂,r_L,t)])；令|t_1o-t_2o|＝w_DB，求解r_o对应的p值，即p_o；

(6)按步骤(4)和(5)的方法确定，r′_o对应的p值，即p′_o；

(7)设置矩阵G用于判断泄漏区域：其中，g₂₁为min(p_o,p′_o)，g₁₁为min(p_o,p′_o)对应的成像定位点位置参数，g₁₂为max(p_o,p′_o)，g₂₂为max(p_o,p′_o)对应的成像定位点位置参数；

(8)求下一个成像定位点：r_next＝g₁₂+(g₁₂-g₁₁)；

(9)按步骤(4)和(5)的方法确定，r_next对应的p值，即p_next；

(10)更新矩阵G，令新的g₂₁为原来的g₂₂，新的g₁₁为原来的g₁₂；并且，新的g₁₂为r_next，新的g₂₂为p_next；

如果g₂₂＞g₂₁，则重复步骤(8)-(10)；否则，以中心为g₁₁、长度为l_e的一段区域作为成像定位区域，取g₂₁为最终的p值，根据公式(1)-(13)，进行泄漏点的成像定位。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法，与现有技术相比，本发明开发了一种新型定位方法。该方法，通过判断部分监测点的分辨率参数的大小，可以期望的分辨率大小，获取泄漏区域的信息。由于只需判断部分计算点的相关参数值，因此，可以不计算整个监测区域。并且，可以实现预设分辨率来确定系统参数，无需大量的人工调整。具有推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明的试验结构图；

图2是本发明的基于不同分辨率要求计算出来的泄漏点L1的泄漏区域图；

图3是本发明的基于不同分辨率要求计算出来的泄漏点L2的泄漏区域图。

图2中：(a)分辨率小于0.1m，(b)分辨率小于0.4m；

图3中：(a)分辨率小于0.2m，(b)分辨率小于1m。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

在输气管道的两端安置两个压电传感器，即压电传感器1和压电传感器2，用于检测泄漏时产生的负压力波信号；设泄漏点位于r_L，泄漏所产生的负压力波信号为e(r_L,t)；设r_L和r_n之间的信道冲激响应函数为

h_m(r_n,r_L,t)＝a_n,L,mδ(t-t_n,L,m) (1)

其中，a_n,L,m为r_L和r_n之间的信号衰减系数，δ(t-t_n,L,m)为冲激信号，t_n,L,m为负压力波在r_L和r_n之间的传播时间，符号“m”代表对应函数通过测量获得；

则，位于r_n的第个n传感器收到的负压力波信号表示成，

x(r_n,r_L,t)＝e(r_L,t)*h_m(r_n,r_L,t)*δ(t-T_L) (2)

其中，“*”表示卷积，T_L为泄漏发生的时间；

一种时间反演时域超分辨率函数用于提高泄漏点定位分辨率，其设计过程如下：

1)压电传感器2所得泄漏负压力波信号进行时间反演运算，得

x(r₁,r_L,-t)＝e(r_L,-t)*h_m(r₁,r_L,-t)*δ(-t+T_L) (3)

2)将压电传感器2的时间反演信号，与压电传感器1信号进行卷积得

y(t)＝x(r₁,r_L,t)*x(r₂,r_L,-t)

＝e(r_L,t)*e(r_L,-t)*a_1,L,ma_2,L,mδ(t-t_1,L,m+t_2,L,m) (4)

3)将压电传感器1所得负压力波信号进行时间反演运算，并且与压电传感器1的原信号进行卷积得

y'(t)＝x(r₁,r_L,t)*x(r₁,r_L,-t)

＝e(r_L,t)*e(r_L,-t)*a_1,L,ma_1,L,mδ(t) (5)

4)计算y(t)的傅里叶变换Y(ω)，和y()'t的傅里叶变换Y'(ω)，用Y(ω)除以Y'(ω)得到

H'_1,L,2(ω)＝Y(ω)/Y'(ω) (6)

5)对H'_1,L,2(ω)进行傅里叶反变换得，

6)提取公式(7)中的冲击相应对应的时延t_1,L,m+t_2,L,m，并且调整至其p倍，用以设计时间反演时域分辨率调整函数s₁₂(t)，即，

s₁₂(t)＝δ(t-p×t_1,L,m+p×t_2,L,m) (8)

利用s₁₂(t)，对两个传感器所接收到的原信号分别做以下处理，

x'(r₁,r_L,t)＝x(r₁,r_L,t)*s₁₂(-t)

＝e(r_L,t)*a_1,L,mδ(t-t_1,L,m-T_L+p×t_1,L,m-p×t_2,L,m)

＝e(r_L,t)*a_1,L,mδ(t-T_L+(p-1)×t_1,L,m-p×t_2,L,m) (9)

x'(r₂,r_L,t)＝x(r₂,r_L,t)*s₁₂(t)

＝e(r_L,t)*a_2,L,mδ(t-T_L-p×t_1,L,m+(p-1)×t_2,L,m) (10)

为新信号x'(r₁,r_L,t)和x'(r₂,r_L,t)，设计相应的定位背景函数；对于r_k，x'(r₁,r_L,t)的定位背景函数为

h_c(r₁,r_k,t)＝δ(t+(p-1)×t_1,k,c-p×t_2,k,c) (11)

对于r_k，x'(r₂,r_L,t)的定位背景函数为

h_c(r₂,r_k,t)＝δ(t+(p-1)×t_2,k,c-p×t_1,k,c) (12)

在式(11)和(12)中，t_1,k,c为负压力波在r_k和r₁之间的传播时间，t_2,k,c为负压力波在r_k和r₂之间的传播时间；符号“c”代表对应函数通过计算获得；

最后，对x'(r₁,r_L,t)和x'(r₂,r_L,t)进行时间反演处理，并且通过以下定位函数对输气管道泄漏点进行定位，

考虑管道上的点r_z，t_n,z,c为负压力波在r_z和r_n之间的传播时间，并且整理为，t_n,z,c＝t_n,L,c+Δt_n,z,L。该点的最大信号值在t”取得，由公式(13)可得，

I_o(r_z)＝Max(a_1,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+(p-1)Δt_1,z,L-pΔt_2,z,L)

+a_2,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+(p-1)Δt_2,z,L-pΔt_1,z,L))

＝a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(p-1)Δt_1,z,L+pΔt_2,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L-(p-1)Δt_2,z,L+pΔt_1,z,L) (14)

由于两个传感器位于管道的两端，点r_z靠近其中一端，则会等距离的远离另一端，因此可以得到，Δt_1,z,L＝-Δt_2,z,L。所以上式又可以表示成

I_o(r_z)＝a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(2p-1)Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+(2p-1)Δt_1,z,L)(15)

由上式可以看到，公式(15)中的两个信号分量a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(2p-1)Δt_1,z,L)和a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+(2p-1)t_1,z,L)之间的时间间隔为(4p-2)Δt_1,z,L。而且，(4p-2)Δt_1,z,L随着p的增大而增大，即公式(15)中的两个信号分量时间上相距越来越远。并且，对于泄漏产生的负压力波信号，信号值从峰值时刻向两边衰减。上述两个因素使得，公式(15)中的两个信号分量在重合时刻的信号值也越来越小，由此带来，其叠加后的值也在变小。从而，降低点r_z的输出信号值I_o(r_z)。这意味着，对于空间个成像定位点来说，其I_o(r_z)＝0.707*(max[x(r₁,r_L,t)]+max[x(r₂,r_L,t)])所对应的p值越大，则该点越靠近泄漏点。这里需指出，(max[x(r₁,r_L,t)]+max[x(r₂,r_L,t)])是成像定位空间中能得到的最大信号值。

为实现跟据预期分辨率大小(即-3dB区域大小)来成像定位，在上述公式理论的基础上，提出以下方法：

(1)确定成像定位计算起始点r_o；

(2)期望分辨率小于l_e(即-3dB区域大小)；根据起始点和分辨率期望值，确定下一个成像定位计算点r′_o＝r_o+l_e/2；

(3)分别计算两个传感器所捕捉到的泄漏信号的-3dB宽度，即w_s1和w_s2；并且，计算出两者宽度之和的二分之一，即

(4)假设公式s₁₂(t)＝δ(t-p×t_1,L,m+p×t_2,L,m)(8)中的p为未知数，计算r_o处两个传感器所对应的时间反演信号：

(5)分别求出f_1o最大值和f_2o最大值对应的时间t_1o和t_2o；为使得r_o处的最大信号值等于0.707*(max[x(r₁,r_L,t)]+max[x(r₂,r_L,t)])；令|t_1o-t_2o|＝w_DB，求解r_o对应的p值，即p_o；

(6)按步骤(4)和(5)的方法确定，r′_o对应的p值，即p′_o；

(7)设置矩阵G用于判断泄漏区域：其中，g₂₁为min(p_o,p′_o)，g₁₁为min(p_o,p′_o)对应的成像定位点位置参数，g₁₂为max(p_o,p′_o)，g₂₂为max(p_o,p′_o)对应的成像定位点位置参数；

(8)求下一个成像定位点：r_next＝g₁₂+(g₁₂-g₁₁)；

(9)按步骤(4)和(5)的方法确定，r_next对应的p值，即p_next；

(10)更新矩阵G，令新的g₂₁为原来的g₂₂，新的g₁₁为原来的g₁₂；并且，新的g₁₂为r_next，新的g₂₂为p_next；

如果g₂₂＞g₂₁，则重复步骤(8)-(10)；否则，以中心为g₁₁、长度为l_e的一段区域作为成像定位区域，取g₂₁为最终的p值，根据公式(1)-(13)，进行泄漏点的成像定位。

实验验证

申请人通过试验对新方法进行了应用和验证。一个全尺寸的输气PVC管道模型如图1所示，全长55.8m，其由6节9.1m的长管、十个90度转接头和五节0.2m的短管构成。两个压电传感器安置在管道的两头外壁上。两个传感器分别距离起始点1.52m和54.08m远。管道上两个手动控制的泄漏阀分别距离起始点24.84m和34.21m。利用空气压缩机对管道进行输气，并用稳压计对压力进行监测，以防压力过大造成危险。通过打开阀门模拟输气管道泄漏，并且用两端的压电传感器对负压力波信号进行捕捉。

利用新方法进行泄漏区域定位成像。设以监测区域的中点为起始点，分别设置不同的分辨率要求进行计算，结果如图2-3。从图2-3中可以看到，应用新的方法是可以有效的计算出泄漏区域位置。图2的两张图中，虽然分辨率要求不一样，但最大信号点都在24.84m附近，而且两者的-3dB区域不一样。同样的结果，可以在图3中观察得到。我们将两个泄漏点在不同分辨率要求下计算的结果列在表1中，从中可以对比发现：在计算泄漏点L1时，设置分辨率为小于0.1m，所得到的-3dB区域大小为0.06m符合预设要求。其他情况下，计算所得到的-3dB区域大小均略小于预设值。因此，新方法可以按分辨率设置计算出符合要求的定位图像，无需人工介入调整参数。

表格1时间反演自适应网格输气管道检漏方法计算情况

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种输气管道泄漏区域时间反演自动高分辨率定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定成像定位计算起始点r_o；

(2)期望分辨率小于l_e(即-3dB区域大小)；根据起始点和分辨率期望值，确定下一个成像定位计算点r_o′＝r_o+l_e/2；

(3)分别计算两个传感器所捕捉到的泄漏信号的-3dB宽度，即w_s1和w_s2；并且，计算出两者宽度之和的二分之一，即

(4)假设公式s₁₂(t)＝δ(t-p×t_1,L,m+p×t_2,L,m)(8)中的p为未知数，计算r_o处两个传感器所对应的时间反演信号：

(5)分别求出f_1o最大值和f_2o最大值对应的时间t_1o和t_2o；为使得r_o处的最大信号值等于0.707*(max[x(r₁,r_L,t)]+max[x(r₂,r_L,t)])；令|t_1o-t_2o|＝w_DB，求解ro对应的p值，即p_o；

(6)按步骤(4)和(5)的方法确定，r_o′对应的p值，即p_o′；

(7)设置矩阵G用于判断泄漏区域：其中，g₂₁为min(p_o,p_o′)，g₁₁为min(p_o,p_o′)对应的成像定位点位置参数，g₁₂为max(p_o,p_o′)，g₂₂为max(p_o,p_o′)对应的成像定位点位置参数；

(8)求下一个成像定位点：r_next＝g₁₂+(g₁₂-g₁₁)；

(9)按步骤(4)和(5)的方法确定，r_next对应的p值，即p_next；

(10)更新矩阵G，令新的g₂₁为原来的g₂₂，新的g₁₁为原来的g₁₂；并且，新的g₁₂为r_next，新的g₂₂为p_next；

如果g₂₂＞g₂₁，则重复步骤(8)-(10)；否则，以中心为g₁₁、长度为l_e的一段区域作为成像定位区域，取g₂₁为最终的p值，根据公式(1)-(13)，进行泄漏点的成像定位。