CN108590636B - 海底天然气水合物气泡泄露监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。通过本发明，有效地实现了水合物泄露方位和泄露通量的监测，为海底天然气水合物气泡泄露监测提供了新的声学技术手段。
Description
技术领域
本发明属于气体泄漏监测技术领域，确切地说是一种有效的实现泄露方位和通量监测的海底天然气水合物气泡泄露监测装置。
背景技术
天然气水合物是具有开采价值的未来能源，全球天然气水合物的蕴藏能量最保守的估计约是石油的两倍以上，有相关报告指出，开采天然气水合物获得能源的主要障碍，并非在开采技术上，目前虽无商业规模的开采而仅处于小量试产的阶段，但在过渡到大规模开采前，必须先进行更多研究与分析，了解并评估在开采过程中，可能对于环境产生的冲击与危害。天然气的意外泄漏就是必须要考虑的风险之一，甲烷是一种温室气体，其产生温室效应的严重性远高于二氧化碳，大量蕴藏的天然气水合物即使只有小比例泄漏进入大气系统都会对环境造成巨大冲击。因此，我们迫切需要开展天然气水合物气泡泄露监测技术的研究，为我国天然气水合物资源试采的环境评价提供高新技术支撑。
现阶段，常用的水合物泄露监测技术主要是通过化学和流体输送测量仪和涡轮渗漏帐篷流量计进行测定，测定的数据直接记录并保存在海底的存储器中。这两种方法各有优缺点，化学和流体输送测量仪通过底部敞开的收集箱收集泄露气体，这就要求预知气体泄漏的大致方位，导致测量范围不够；涡轮渗漏帐篷流量计只有当渗漏的气体流量>5cm3s-1,才能持续有足够的能量使涡轮旋转而测定渗漏速率，因此无法测量较小的渗漏。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，有效地实现了水合物泄露方位和泄露通量的监测。
本发明所采用的技术方案是：一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。
进一步的，所述的水声换能器阵列是3*3的方形阵列。
进一步的，所述的换能器收发电路由发射端电路和接收端电路组成，发射端电路由第一D/A转换器、功率放大器和阻抗匹配电路组成，数据存储控制系统输出设定的频率、脉冲宽度的脉冲信号，经过第一D/A转换器转换成模拟信号，接着经过功率放大器将信号放大，然后通过阻抗匹配电路输出给水声换能器阵列，接收端电路包括T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器，水声换能器阵列将由气泡反射产生的回波信号传递给接收端电路，经T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器后传输到数据存储控制系统中。
进一步的，所述的数据存储控制系统主要由主控模块和存储模块构成，主控模块控制发射端电路输出不同频率的信号，存储模块用来存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差。
进一步的，所述接收端电路还包括第二D/A转换器，数据存储控制系统给定设定的增益值，通过第二D/A转换器调节接收端电路中可变增益放大器的增益。
进一步的，所述通过反演算法得到不同粒径的气泡浓度具体如下：
(1)气泡反射波声强Ibs和入射波声强IP、气泡反射系数Sbs、发射信号和回波信号时间差t、测量系统常数存在如下关系：
其中，c为声速，r＝ct/2表示气泡距离声源的距离，τ为发射脉冲信号的宽度；
根据上述关系，利用数据存储系统存储的数据，反演出气泡反射系数Sbs；
(2)声反射系数主要由共振气泡的数量决定，声反射系数Sbs与共振气泡的半径aR、共振气泡的数量n(aR)以及衰减常数δR之间的关系如下：
通过扫频信号测得不同频率下反射信号强度，进而根据(1)得到不同频率下的气泡反射系数Sbs，最终得到不同粒径的气泡的数量n(aR)，也就得到了泄露气泡的体积通量
本发明的有益效果如下：本发明利用声学技术监测水合物气泡泄露的方位和通量，可以克服化学和流体输送测量仪和涡轮渗漏帐篷流量计的缺点，实现大范围高精度的气泡泄露监测。
附图说明
图1是本发明的架构框图。
具体实施方案
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明不局限于此。
如图1所示，本发明提供一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量。
本实施例中的水声换能器阵列是3*3的方形阵列，工作频带较宽，能够发射扫频信号。
如图1所示，所述的换能器收发电路由发射端电路和接收端电路组成，所述的数据存储控制系统可以编写设定的频率、脉冲宽度的脉冲信号，经过第一D/A转换器转换成模拟信号，接着经过功率放大器将信号放大，然后通过阻抗匹配电路输出给水声换能器阵列，阻抗匹配电路可以最大化功放和换能器之间的能量传输效率。
接收端电路包括T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器、A/D转换器和第二D/A转换器，水声换能器阵列接收声波经气泡反射的回波信号，回波信号经过T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器后输入到数据存储控制系统中存储起来。T/R转换开关可以阻断发射端电路的高压信号，保护接收端电路。低噪声放大器适用于放大微弱信号的场合，低噪声放大器自身的噪声非常小，以提高输出的信噪比。通过数据存储控制系统可以调节可变增益放大器的放大倍数。另外，数据存储控制系统给定设定的增益值，通过第二D/A转换器调节接收端电路中可变增益放大器的增益。
所述的数据存储控制系统主要由主控模块和存储模块构成，可以采用XLINX ZYNQ系列FPGA开发板，型号是AX7020，当然不限于此；主控模块控制发射端电路输出不同频率的信号，存储模块用来存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差。数据分析处理系统可以读取上述数据，根据反演算法反演计算出泄露气泡的通量。数据分析处理系统还可以对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向。通过反演算法得到不同粒径的气泡浓度具体如下：
(1)气泡反射波声强Ibs和入射波声强IP、气泡反射系数Sbs、发射信号和回波信号时间差t、测量系统常数存在如下关系：
其中，c为声速，r＝ct/2表示气泡距离声源的距离，τ为发射脉冲信号的宽度；
根据上述关系，利用数据存储系统存储的数据，反演出气泡反射系数Sbs；
(2)声反射系数主要由共振气泡的数量决定，声反射系数Sbs与共振气泡的半径aR、共振气泡的数量n(aR)以及衰减常数δR之间的关系如下：
通过扫频信号测得不同频率下反射信号强度，进而根据(1)得到不同频率下的气泡反射系数Sbs，最终得到不同粒径的气泡的数量n(aR)，也就得到了泄露气泡的体积通量
本发明方法新颖，结构完整，能够实现大范围高精度的水合物气泡泄露监测，适用于水合物试采区环境监测领域。
Claims (5)
1.一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，包括水声信号收发系统、数据存储控制系统和数据分析处理系统，所述水声信号收发系统包括水声换能器阵列以及换能器收发电路，数据存储控制系统通过换能器收发电路控制水声换能器阵列发射信号的频率和强度，并存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差，数据分析处理系统对回波信号进行波束形成从而判别回波信号的方向，并且利用数据存储系统中的数据通过反演算法得到泄露气泡体积通量；
其中，通过反演算法得到不同粒径的气泡浓度具体如下：
(1)气泡反射波声强Ibs和入射波声强IP、气泡反射系数Sbs、发射信号和回波信号时间差t、测量系统常数存在如下关系：
其中，c为声速，r＝ct/2表示气泡距离声源的距离，τ为发射脉冲信号的宽度；
根据上述关系，利用数据存储系统存储的数据，反演出气泡反射系数Sbs；
(2)声反射系数由共振气泡的数量决定，声反射系数Sbs与共振气泡的半径aR、共振气泡的数量n(aR)以及衰减常数δR之间的关系如下：
通过扫频信号测得不同频率下反射信号强度，进而根据(1)得到不同频率下的气泡反射系数Sbs，最终得到不同粒径的气泡的数量n(aR)，也就得到了泄露气泡的体积通量
2.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的水声换能器阵列是3*3的方形阵列。
3.根据权利要求1所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的换能器收发电路由发射端电路和接收端电路组成，发射端电路由第一D/A转换器、功率放大器和阻抗匹配电路组成，数据存储控制系统输出设定的频率、脉冲宽度的脉冲信号，经过第一D/A转换器转换成模拟信号，接着经过功率放大器将信号放大，然后通过阻抗匹配电路输出给水声换能器阵列，接收端电路包括T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器，水声换能器阵列将由气泡反射产生的回波信号传递给接收端电路，经T/R转换开关、低噪声放大器、可变增益放大器、低通滤波器和A/D转换器后传输到数据存储控制系统中。
4.根据权利要求3所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述的数据存储控制系统由主控模块和存储模块构成，主控模块控制发射端电路输出不同频率的信号，存储模块用来存储记录发射信号的频率和强度、回波信号的强度以及发射信号和回波信号的时间差。
5.根据权利要求3所述的一种海底天然气水合物气泡泄露监测装置，其特征在于，所述接收端电路还包括第二D/A转换器，数据存储控制系统给定设定的增益值，通过第二D/A转换器调节接收端电路中可变增益放大器的增益。
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