CN108758358B - 一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统，该方法包括如下步骤：发射信号簇，使声信号在管道中传播；接收管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；将所接收的喷注噪声信号接入采集和处理平台；由采集和处理平台将所接入的喷注噪声信号进行处理；对处理后的信号进行带通滤波；对带通滤波之后的信号进行幅度解调；对解调之后的信号进行微弱信号检测；基于微弱信号检测结构，判断管道是否存在泄漏以及管道的泄漏位置。本发明解决了传统检测方法所不能解决的埋地气体管道泄漏检测定位的问题。本发明的管道泄漏监测方法可以消除管道堵塞、弯头、焊缝等处产生的回波干扰，具有较高的准确性。

Description

一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统

技术领域

本发明涉及管道泄漏检测领域，特别涉及一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统。

背景技术

随着社会经济及城市建设的迅猛发展，地下燃气管网已成为首都北京保障城市运行的重要基础设施，燃气管网覆盖范围不断扩大。截至2016年，北京市埋地燃气管线长度约2.3万公里，年供气量达156亿立方米，供气规模在世界单体城市中排名第二位。燃气管网总长度的增加为其安全运营带来了极大的挑战，特别是部分燃气管道运行年限已经在30年左右，燃气管道由于长期埋在地下，在土壤腐蚀、杂散电流腐蚀(地铁、高铁及电力电信等电缆引起)等因素的影响下，埋地管道逐渐进入事故多发阶段。所以，针对燃气管道泄漏检测与定位显得越来越急迫。近十年的统计数据表明，燃气输配系统的事故总体呈上升趋势，泄漏事故占管道总事故的95％以上，其中中低压输配系统管道泄漏在泄漏总事故中占三分之二左右。由于城市燃气管道常常处于人口密集区域，管道泄漏后，不仅造成燃气资源的浪费、环境的污染，还将直接威胁人民生命财产安全，因此，燃气管道泄漏是关乎国计民生的大事，是政府和燃气企业必须重视的问题。但是现有的燃气管道泄漏检测技术还不能保证管道安全运行或在管道发生泄漏时能够准确定位。因此，提出一种对天然气管道实时检测的方法具有重要意义。

几十年来，工程技术人员发明了多种油气管道泄漏检测方法，总体来说，管道泄漏检测方法可以大致分为内检测方法和外检测方法。如基于模型法、负压波法、次声波法、外部巡检法、光纤传感检测法、示踪剂检测法和流量法等。文献“基于次声波法的油气管道泄漏检测与定位”(赵会军，武伟强，王克华，等.基于次声波法的油气管道泄漏检测与定位[J].油气储运,2012,31(3):215- 218.)介绍了基于次声波法在管道泄漏检测的应用，但该方法适用于长输管道的泄漏检测，由于声脉冲只在泄漏瞬间产生一次，几十秒后信号完全衰减，而且市内管网结构复杂，人类活动又会产生大量的干扰，因此在城市燃气管道上容易产生漏报和误报现象。文献“面向长输石油管道安全检测的光纤振动传感技术研究”(徐胜明.面向长输石油管道安全检测的光纤振动传感技术研究[D].中国科学技术大学,2017.)光纤法需在管道沿程铺设一条传感光纤，该光纤是传感器，同时又是传输通道，利用分布式光纤传感器来检测泄漏，该方法主要存在安装、维修施工困难和灵敏度等问题，检测时间较长，且光纤断裂后无法继续使用。文献“输油管道泄漏检测技术在胜利油田的应用”(于殿强，赵海培，鄢召民.输油管道泄漏检测技术在胜利油田的应用.石油规划设计.2004,15(5):39～41)中，清华大学研究人员基于负压波法，与胜利油田油气集输公司联合研制了长输管道泄漏检测系统，利用小波分析法和相关分析法同时进行泄漏孔检测，该方法对于突发性泄漏的检测效果较好，但对于缓慢发生的小泄漏不是很有效，存在易于受到外界因素的干扰、漏报率高和定位精度较低等缺点。

城市天然气管道管网分布比较复杂，三通、弯头这些节点比较多，管内的压力又没有长输管线那么高，而且管道周围环境人员活动比较频繁，背景噪声比较强。特别是城市管道基本上都是埋于地下，燃气泄漏之后，它会聚集在土层内，由地下建筑，坚硬的土层以及路面等，形成一个新的界面，把燃气包裹在一个新的更大的空间里。管道内外压力趋于平衡，泄漏非常微弱。因此，基于次声波法、负压波法的管道泄漏检测，由于这些方法本身的不足，不能解决城市天然气管道面临的情况，导波法又面临检测距离有效的问题，因此本发明从声学角度提出一种新的管道泄漏检测方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统，从而克服现有技术的方法漏报率高、定位精度较低的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法，包括如下步骤：发射信号簇，使声信号在管道中传播；接收管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；将所接收的喷注噪声信号接入采集和处理平台；由采集和处理平台将所接入的喷注噪声信号进行处理；对处理后的信号进行带通滤波；对带通滤波之后的信号进行幅度解调；对解调之后的信号进行微弱信号检测；以及基于微弱信号检测结构，判断管道是否存在泄漏以及管道的泄漏位置。

优选地，上述技术方案中，信号簇的频率为200Hz。

优选地，上述技术方案中，对处理后的信号进行带通滤波时，截止频率为 450Hz到3kHz。

优选地，上述技术方案中，管道泄漏监测方法还包括：对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理。

优选地，上述技术方案中，基于微弱信号检测结构，判断管道的泄漏位置具体为：基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

本发明还提供了一种基于声回波信号解调的管道泄漏监测系统，包括：扬声器，扬声器设置于管道一端，扬声器用于发射信号簇，以是声信号在管道中传播；传声器，传声器固定在燃气管道壁的开口处，传声器用于接收管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；采集和处理平台，采集和处理平台用于接收由传声器接收的喷注噪声信号，并对喷注噪声信号进行处理；带通滤波器，带通滤波器用于对处理后的信号进行带通滤波；解调器，解调器用于对带通滤波之后的信号进行幅度解调；随机共振系统，随机共振系统用于对解调之后的信号进行微弱信号检测；以及判断单元，判断单元用于基于微弱信号检测结构，判断管道是否存在泄漏以及管道的泄漏位置。

优选地，上述技术方案中，传声器是自由场预极化传声器，传声器的频率响应带宽为10kHz。

优选地，上述技术方案中，带通滤波器的截止频率为450Hz到3kHz。

优选地，上述技术方案中，管道泄漏监测系统还包括：传声器接收信号处理单元，传声器接收信号处理单元用于对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理以使信号满足随机共振系统的要求。

优选地，上述技术方案中，判断单元进一步被配置为：将随机共振系统的输出信号转换成频域，如果对转换后的信号进行幅度解调后存在400Hz的信号，则判断管道存在泄漏；以及基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

与现有技术相比，本发明的基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法及系统具有如下有益效果：1、能解决传统检测方法所不能解决的埋地气体管道泄漏检测定位的问题。针对气体管道泄漏不能激励声波，被动方式无法接收到有效泄漏信号的情况，采取向管道内主动注入声波的方法，通过分析解调回波信号，实现对泄漏点的检测定位。2、由于喷注噪声只会在管道泄漏缺陷处产生，所以该方法可以消除管道堵塞、弯头、焊缝等处产生的回波干扰，具有较高的准确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法的流程图。

图2是根据本发明的实施例的管道泄漏检测示意图。

图3是根据本发明的实施例的传声器接收信号图。

图4是根据本发明的实施例的传声器接收信号经高通滤波后信号图。

图5是根据本发明的实施例的幅度解调信号的图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1 所示，本发明的基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法包括如下步骤：步骤101：发射信号簇，使声信号在管道中传播；步骤102：接收管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；步骤103：将所接收的喷注噪声信号接入采集和处理平台；步骤104：由采集和处理平台将所接入的喷注噪声信号进行处理；步骤105：对处理后的信号进行带通滤波；步骤106：对带通滤波之后的信号进行幅度解调；步骤107：对解调之后的信号进行微弱信号检测；步骤108：基于微弱信号检测结构，判断管道是否存在泄漏以及管道的泄漏位置。

在进一步的实施例中，信号簇的频率为200Hz。对处理后的信号进行带通滤波时，截止频率为450Hz到3kHz。基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法还包括：对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理。基于微弱信号检测结构，判断管道的泄漏位置具体为：基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

如图2 所示，本发明的基于声回波信号解调的管道泄漏监测系统包括：扬声器202，扬声器202设置于管道一端，扬声器202用于发射信号簇，以是声信号在管道中传播；传声器201，传声器201固定在燃气管道壁的开口处，传声器201用于接收管道泄漏孔处203产生的喷注噪声信号；采集和处理平台，采集和处理平台用于接收由传声器接收的喷注噪声信号，并对喷注噪声信号进行处理；带通滤波器，带通滤波器用于对处理后的信号进行带通滤波；解调器，解调器用于对带通滤波之后的信号进行幅度解调；随机共振系统，随机共振系统用于对解调之后的信号进行微弱信号检测；以及判断单元，判断单元用于基于微弱信号检测结构，判断管道是否存在泄漏以及管道的泄漏位置。

在进一步的实施例中，传声器是自由场预极化传声器，传声器的频率响应带宽为10kHz。带通滤波器的截止频率为450Hz到3kHz。基于声回波信号解调的管道泄漏监测系统还包括：传声器接收信号处理单元，传声器接收信号处理单元用于对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理以使信号满足随机共振系统的要求。判断单元进一步被配置为：将随机共振系统的输出信号转换成频域，如果对转换后的信号进行幅度解调后存在400Hz的信号，则判断管道存在泄漏；基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

图3是根据本发明的实施例的传声器接收信号图。图4是根据本发明的实施例的传声器接收信号经高通滤波后信号图。图5是根据本发明的实施例的幅度解调信号的图。结合以下介绍的计算原理，从图中可以看出在有泄漏孔的情况下，其特征频率处有明显的线谱成分，即使泄漏孔直径为0.5mm，也能看到少量的线谱能量分布，而没有泄漏孔的信号则在该特征频率处是平坦的。

以下介绍本发明的方法涉及到的调频信号幅度解调理论：

设调频信号表达式为

s(t)＝a(t)*sin[ω_ct+∫m(t)dt](式1)

其中，a(t)表示受到信道噪声和其他干扰影响后随时间变化的调频信号幅度，m(t)为调制信号，ω_c为信号载波。

将式(1)所示的调频信号与本地产生的正交载波相乘可得：

对s_I和s_Q分别进行低通滤波后可得：

I(t)＝a(t)sin[∫m(t)dt](式2)

Q(t)＝a(t)cos[∫m(t)dt](式3)

对I(t)与Q(t)分别求导数可得：

I'(t)＝a'(t)sin[∫m(t)dt]+a(t)m(t)cos[∫m(t)dt](式4)

Q'(t)＝a'(t)cos[∫m(t)dt]-a(t)m(t)sin[∫m(t)dt](式5)

将式(2)与式(5)、式(3)与式(4)分别相乘可得：

I(t)Q'(t)＝a(t)a'(t)sin[∫m(t)dt]·cos[∫m(t)dt]-m(t)a²(t)sin²[∫m(t)dt](式6)

I'(t)Q(t)＝a(t)a'(t)sin[∫m(t)dt]·cos[∫m(t)dt]+m(t)a²(t)cos²[∫m(t)dt](式7)

观察式(2)、(3)、(6)、(7)，可按如下方法得到m(t)：

从上述方法可以看到，利用这种正交解调的方法不需要对信号进行限幅放大，寄生调幅将在运算过程中消除。

该方法涉及到的随机共振理论：

随机共振双稳态系统可以用式(9)来表达，

为对称反射双稳态势阱，

为周期信号，ζ(t)为外界干扰噪声。

考虑到传感器采集到的信号已经同时包含了周期信号和噪声，因此，可以令：

s(t)＝Acos(ω₀t+φ)+ζ(t)(式10)

则s(t)为随机共振输入信号，而x(t)为输出信号，(9)式可写为：

将传声器接收的信号经过预处理后直接送入到式(11)，式(11)可以由龙格库塔算法求解。

综上所述，本发明的基于声回波信号解调的管道泄漏监测方法能解决传统检测方法所不能解决的埋地气体管道泄漏检测定位的问题。针对气体管道泄漏不能激励声波，被动方式无法接收到有效泄漏信号的情况，采取向管道内主动注入声波的方法，通过分析解调回波信号，实现对泄漏点的检测定位。同时，由于喷注噪声只会在管道泄漏缺陷处产生，所以该方法可以消除管道堵塞、弯头、焊缝等处产生的回波干扰，具有较高的准确性。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于声回波信号解调的燃气管道泄漏监测方法，其特征在于，所述燃气管道泄漏监测方法包括如下步骤：

发射信号簇，使声信号在燃气管道中传播；

接收燃气管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；

将所接收的喷注噪声信号接入采集和处理平台；

由所述采集和处理平台将所接入的喷注噪声信号进行处理；

对处理后的信号进行带通滤波；

对带通滤波之后的信号进行幅度解调；

对解调之后的信号进行微弱信号检测；以及

基于微弱信号检测结构，判断所述燃气管道是否存在泄漏以及所述燃气管道的泄漏位置，基于微弱信号检测结构，判断所述燃气管道的泄漏位置具体为：基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

2.如权利要求1所述的燃气管道泄漏监测方法，其特征在于，所述信号簇的频率为200Hz。

3.如权利要求1所述的燃气管道泄漏监测方法，其特征在于，对处理后的信号进行带通滤波时，截止频率为450Hz到3kHz。

4.如权利要求1所述的燃气管道泄漏监测方法，其特征在于，所述燃气管道泄漏监测方法还包括：对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理。

5.一种基于声回波信号解调的燃气管道泄漏监测系统，其特征在于，所述燃气管道泄漏监测系统包括：

扬声器，所述扬声器设置于所述燃气管道一端，所述扬声器用于发射信号簇，以是声信号在燃气管道中传播；

传声器，所述传声器固定在燃气燃气管道壁的开口处，所述传声器用于接收燃气管道泄漏孔处产生的喷注噪声信号；

采集和处理平台，所述采集和处理平台用于接收由所述传声器接收的喷注噪声信号，并对喷注噪声信号进行处理；

带通滤波器，所述带通滤波器用于对处理后的信号进行带通滤波；

解调器，所述解调器用于对带通滤波之后的信号进行幅度解调；

随机共振系统，所述随机共振系统用于对解调之后的信号进行微弱信号检测；以及

判断单元，所述判断单元用于基于微弱信号检测结构，判断所述燃气管道是否存在泄漏以及所述燃气管道的泄漏位置，所述判断单元进一步被配置为：

将所述随机共振系统的输出信号转换成频域，如果对转换后的信号进行幅度解调后存在400Hz的信号，则判断所述燃气管道存在泄漏；以及

基于信号簇发射时间与接收到噪声的时间差，确定泄漏孔的位置。

6.如权利要求5所述的燃气管道泄漏监测系统，其特征在于，所述传声器是自由场预极化传声器，所述传声器的频率响应带宽为10kHz。

7.如权利要求5所述的燃气管道泄漏监测系统，其特征在于，所述带通滤波器的截止频率为450Hz到3kHz。

8.如权利要求5所述的燃气管道泄漏监测系统，其特征在于，所述燃气管道泄漏监测系统还包括：传声器接收信号处理单元，所述传声器接收信号处理单元用于对所接收的喷注噪声信号进行二次采样和变尺度处理以使信号满足所述随机共振系统的要求。

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