CN109595474B - 一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，该方法通过基于波束形成方法，结合交叉定位原理实现对所述埋地输气管道泄漏处所产生声源空间位置的定位，从而完成对泄漏点的定位。本发明相比现有技术的优点在于：本发明设置两个传感器阵列，通过波导杆将其延伸至土壤介质，利用交叉定位原理改进了基于波束形成的声源定位方法，使其能够实现对远场声源的三维定位，并将其运用在埋地输气管道泄漏声波定位场景，从而实现对管道泄漏的精确定位，是对现有基于声波法的管道泄漏检测方法的补充，解决了现有方法定位实时性高但精度不足的问题。

Description

一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，尤其涉及一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法。

背景技术

近年来，我国对城市对燃气需求量逐年增长，燃气管线总长度不断增加，随之而来的燃气泄漏隐患也不可避免地增加。由于管道的老化、腐蚀，自然灾害以及第三方破坏等原因，我国燃气管道事故率已达到平均每年每公里发生三次的水平。因此，急需开发一种燃气管道泄漏点高精度定位方法，对燃气泄漏实时监控并精确定位，做到燃气一旦开始泄漏立即发现立即处理。

研究人员对燃气泄漏声波的产生机理和传播特性进行了研究。王桂增建立了泄漏声波开始阶段的冲击波模型和持续阶段的活塞声源模型，得出泄漏声源能量主要集中在低频部分的结论，并通过管道声波传播模型仿真，得出次声波远距离传播时衰减相较于高频声波非常小，利于远距离探测；金浩等利用CFD仿真软件，建立了管道泄漏的物理模型，仿真结果和现场试验结果表明燃气泄漏声波低频(低于5Hz)部分传播距离较远，可用于泄漏检测。

目前，较为成熟的基于声波法的管道泄漏检测定位技术是广义相关分析法，通过互相关算法计算泄漏声波至管道上下游两个声波传感器的时间差，带入几何计算公式即可得出泄漏位置。然而互相关法需要泄漏点至监测点全程的实时声波速度，因此通过速度模型获取的速度误差往往较大，使得定位结果误差较大，只能达到区域定位的效果。

波束形成技术在声源精确定位领域的应用日益广泛，其中以最简单的延时求和波束形成算法最为常见，B&K公司开发的轮辐阵列采用波束形成方法，可计算到指定声源深度的平面声场分布。然而，该算法只能应用于近距离声源的精确定位，其在远距离场景下无法实现精确三维定位，因此无法满足埋地管道泄漏精确定位的需求。

据此，目前急需一种能够实现对管道泄漏的精确定位的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够实现对管道泄漏的精确定位的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，该方法通过基于波束形成方法，结合交叉定位原理实现对所述埋地输气管道泄漏处所产生声源空间位置的定位，从而完成对泄漏点的定位。

作为本发明的优选方式之一，其中，所述交叉定位方法包括以下步骤：

(1)首先将两个传感器阵列安置在泄漏管道上方地面并通过波导杆延伸至土壤中；

(2)其次将两个传感器阵列连接至1个信号处理PC，泄漏声波信号经土壤介质和波导杆传播至传感器阵列后将所述信号传送至信号处理PC；

(3)然后由所述信号处理PC采用波束形成法分别对两个传感器阵列信号进行分析处理，获取泄漏声源相对于两个传感器阵经列延伸后位置的空间方位信息；

(4)最后根据交叉定位原理将两组空间方位信息进行交叉对比，从而获取泄漏声源的空间位置信息，实现对所述泄漏声源的空间位置定位，即完成对埋地输气管道泄漏点的定位。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)具体为：所述两个传感器阵列与波导杆一端连接，将连接至两个传感器阵列的两组波导杆的另一端插入管道上方地表的两个不同位置，使得传感器阵列依然处于空气介质中，而波导杆可将土壤介质中的声波传递至空气介质中的传感器阵列，通过波导杆将传感器阵列由空气介质延伸至土壤介质中。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)具体为：在所述两个传感器阵列和泄漏管道所在空间内建立空间直角坐标系，其中，以地面作为xoy面，管道轴线的铺设方向已知，令x轴垂直于管道轴线，y轴平行于管道轴线，z轴垂直于地面，阵列1、阵列2分别指代两个传感器阵列，用延伸后土壤介质中的阵列位置坐标代替空气中的阵列位置坐标，阵列1经延伸后的中心点坐标为(x₁，y₁，z₁)，阵列2经延伸后的中心点坐标为(x₂，y₂，z₂)；泄漏点在区域内土壤介质中形成声场，由所述传感器阵列上的声波传感器通过波导杆接收土壤中的声压信号并回传至信号处理PC。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)具体为：所述信号处理PC基于波束形成算法，分别计算出泄漏点相对于两个阵列经延伸后中心点的空间方位坐标，该空间方位坐标由两个量构成，分别是泄漏点相对于中心点的方位角和仰角，记泄漏点相对于阵列1经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₁，Φ₁)，记泄漏点相对于阵列2经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₂，Φ₂)。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(4)具体为：

根据两个传感器阵列经延伸后中心点坐标和对应的两组空间方位坐标，获得两条空间直线l₁和l₂，l₁、l₂的表达式为：

l₁：

l₂：

将所述两条直线l₁和l₂相交获得交点即泄漏点，从而完成定位，记该点坐标为(x,y,z)，x、y、z的值分别由下列三个公式求得：

作为本发明的优选方式之一，所述方位角是指空间中泄漏点与所述中心点连线在xoy面投影与x轴正方向所成夹角，仰角是指空间中泄漏点与所述中心点连线与z轴负方向所成夹角。

作为本发明的优选方式之一，所述两个传感器阵列由若干声波传感器按平面分布方式组成且位于空气介质中，每个传感器与一个波导杆的一端连接，传感器数量与波导杆数量相等，每个波导杆长度相同，波导杆的另一端位于土壤中同一个平面内，所述波导杆另一端构成的平面可看做传感器阵列平面的延伸，二者相互平行且平行于xoy面(即地面)。

作为本发明的优选方式之一，当基于波束形成方法计算泄漏声源相对于两个传感器阵列经延伸后中心点的空间方位坐标时，将从泄漏点产生并传播至所述中心点的声波视作远场平面波，远场平面波判据为r＞2d²/λ，其中，r为泄漏点与所述中心点的距离，d为传感器(波导杆)间距，λ为声波波长，传感器(波导杆)间距d、声波波长λ和距离r应满足远场平面波判据。

作为本发明的优选方式之一，当基于波束形成算法进行计算时，只对泄漏点所产生声源的空间方位进行搜索，定位结果由方位角和仰角构成，不包含深度信息。

本发明相比现有技术的优点在于：本发明设置两个传感器阵列，通过波导杆将其延伸至土壤介质，利用交叉定位原理改进了基于波束形成的声源定位方法，使其能够实现对远场声源的三维定位，并将其运用在埋地输气管道泄漏声波定位场景，从而实现对管道泄漏的精确定位，是对现有基于声波法的管道泄漏检测方法的补充，解决了现有方法定位实时性高但精度不足的问题。

附图说明

图1是实施例中一维线性阵列延迟求和原理图；

图2是实施例中阵列与波导杆连接方式示意图；

图3是实施例中基于波束形成的交叉定位方法的算法流程图；

图4是实施例中平面阵列空间方位定位原理图；

图5是实施例中交叉定位方法的原理图；

图6是实施例中传感器阵列与埋地管道位置关系示意图；

图7是实施例中传感器阵列与远场平面波模型示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

声波法时输气管道泄漏定位方法中的一种，基于互相关分析法的管道泄漏声波定位方法虽然实时性较强，但受制于延时估计的精度和声速模型的准确度，其定位精度不高，只能实现对深埋管道燃气泄漏的实时监测和粗略定位。且该方法需要将传感器贴于管道外壁，灵活性较差。

基于延迟求和波束形成法的声源定位方法，利用传感器平面阵列，可实现对近场声源的三维定位和远场声源的空间方位定位，精度较高。输气管道泄漏声波能量集中于低频波段，低频声波在土壤介质中的衰减较小，具有可检测性，但低频声波波长较长，且埋地管道与地面传感器阵列距离无法始终保持足够近的距离，因此泄漏声源不能直接视为近场声源。即使泄漏源与传感器足够近，可视作近场声源，但该方法对于深度未知的声源定位效果不佳，精度无法保证。如果在地面上方设置传感器阵列来接受埋地管道泄漏声波信号，那么声波必须经过土壤和空气两种介质才能传播至传感器，由于两种介质的特性阻抗差异较大，声波经过两种介质边界会因为折射而损失大部分能量，从而无法被传感器检测。为了将延迟求和波束形成法应用于埋地输气管道泄漏精确定位场景中，必须对该方法进行必要的改进。

波束形成法原理及分析

延迟求和法是最基本的波束形成法，也称常规波束形成法或相控阵天线法，其算法计算量相对较低，应用较为广泛。延迟求和波束形成法基本原理是：通过阵列元素接收信号，将各阵元输出加权求和，改变加权方式即可改变信号空间导向和输出值，获取最大输出时所对应的空间导向即为信号所在位置。以一维线性均匀阵列为例，基于一维线性均匀阵列的延迟求和定位原理图如图1所示。设声源位置满足远场平面波判据r＞2d²/λ，其中r为声源与阵列的距离，d为阵元间距，λ为声波波长，在平面内建立平面直角坐标系xoy，M个声波传感器按直线等间距d排列在x轴上，将1号阵元作为参考阵元，m号阵元(m是取值范围为[1,M]的正整数)与参考阵元间距为r_m,θ₀为实际方向与x轴夹角即实际方位角，θ为重构方向与x轴夹角即重构方位角，d_m为声波沿重构方向到达参考阵元和m号阵元的波程差。

用重构方位角θ表示信号到达参考阵元和m号阵元的延时Δ_m可得：

p_m(ω)为m号阵元所接受声压信号的频域表达式，对m号阵信号进行延迟处理并将其推广至所有阵元，得到M个阵元经延迟后的平均声压输出：

B(θ,ω)取最大幅值时对应方位角即为实际方位角θ₀。

由以上原理分析可知，延迟求和法的关键是延迟量的表示。在一维线性均匀阵列中，如果被测声源信号满足远场平面波判据：r＞2d²/λ(r为声源与阵列距离，d为阵元间距，λ为波长),则方位角θ是表示延迟量的唯一未知量；当声源满足近场球面波判据：r＜2d²/λ，则可得方位角θ和声源距离r两个未知量，未知量个数决定了定位结果的维度。同理，在二维平面阵列中，远场声源包含方位角θ和仰角Φ两个未知量；近场声源包含方位角θ、仰角Φ和距离r三个未知量。理论上，二维平面阵列可实现对近场声源的三维定位，但是在实际应用中，由于包含三个未知量的延迟求和算法计算量过大，其定位精度不佳，往往只能对已知距离的声源进行定位，其定位效果相当于二维定位。进一步将该方法运用在管道泄漏定位时，声源距离r较大，考虑到便携性所以阵元间距d不可过大，泄漏声波能量集中于低频波段的特性决定了波长λ值很大，因此远场判据r＞2d²/λ几乎横成立，这意味着现有的延迟求和定位法无法直接应用于管道泄漏声波定位中。

改进方法原理分析

基于波束形成法原理及分析可知，采用声波法进行管道泄漏定位时，声源距离r和波长λ的值过大导致只能采用远场模型进行延迟求和定位，其定位结果缺少声源深度。因此，本文提出运用交叉定位法对现有延迟求和法进行改进，其原理是将两个由次声波传感器构成的平面阵列安置在不同位置，分别对泄漏声源进行定位，获得泄漏点相对于两个阵列的空间方位坐标(θ₁，Φ₁)、(θ₂，Φ₂),其中θ、Φ分别为方位角和仰角，从两个阵列所在位置出发，分别沿两组方位坐标做直线，直线交点即为泄漏声源所在位置。

由于输气管道埋于地下，如果将传感阵列放置在地表空气中，泄漏声波由泄漏点传播至两个传感器阵列的过程中需要经过土壤和大气这两种传播介质，根据声波折射定律，一方面，其传播路径将会因为折射而不再是一条直线，另一方面，两种介质的特性阻抗的巨大差异将会导致声波能量在折射过程中损失殆尽。因此，利用声波导杆将传感器阵列延伸至土壤介质中，在土壤这一单一介质中完成交叉定位，从而避免折射造成的声波路径改变和能量损失，图2为传感器与波导杆的连接示意图。

为便于分析，下面用经波导杆延伸至土壤介质的阵列位置代替空气介质中的阵列位置。通过两个阵列分别获得两组空间方位坐标(θ₁，Φ₁),(θ₂，Φ₂)后，从两个阵列所在位置出发，分别沿两组方位坐标做直线，两条直线的交点即为泄漏点。

如图3所示，基于延迟求和波束形成法的改进方法具体流程如下：

(1)泄漏点开始泄漏，确认泄漏点所在区域后，将两个平面阵列分别架设在区域内的两个不同位置，记阵列1经延伸后所在位置坐标为(x₁，y₁，z₁),阵列2经延伸后坐标为(x₂，y₂，z₂)，将阵列1中M个传感器所接受到的声压信号记为p_1m,阵列2中M个传感器所接受到的声压信号记为p_2m，其中m是取值范围为[1,M]的正整数。

(2)对M个阵元(传感器)信号进行延迟求和波束形成处理后，阵列1、2分别获得两组空间方位坐标(θ₁，Φ₁)、(θ₂，Φ₂)。下面以阵列1为例介绍基于延迟求和波束形成法的空间方位坐标定位原理。由前文分析可知，传播至阵列1经延伸后所在空间范围的声波信号可视作远场平面波模型，因此，基于延迟求和波束形成法的平面阵列空间方位定位原理图如图4所示。图4中，在传感器阵列所在空间内建立空间直角坐标系，经波导杆延伸后，以波导杆另一端所在位置代替阵元位置，延伸后的参考阵元位于原点，r_m和θ_m分别表示m号阵元与原点(参考阵元)的距离和二者连线与x轴的夹角，(θ，Φ)表示重构方向的空间方位坐标，θ为方位角，Φ为仰角。

由图4中几何关系可知，当平面波从重构方向入射时，d_m即为声波信号沿重构方向到达m号阵元和参考阵元的波程差，则延时Δ_m的表达式为：

由公式3可知，延时Δ_m的值是同时受m号阵元所在位置和重构方向影响变量，而阵元位置是已知量，Δ_m的值由重构方向方位角(θ，Φ)决定。将公式3带入公式2得：

当B(θ，Φ，ω)取得最大幅值时所对应的方位角坐标即为阵列1所定位的方位角坐标(θ₁，Φ₁)，同理可求得(θ₂，Φ₂)。

(3)利用交叉定位法获得泄漏点三维坐标(x,y,z)。图5为交叉定位原理图，在定位空间建立空间直角坐标系，图中阵列1经延伸后的中心点坐标为(x₁，y₁，z₁),阵列2经延伸后的中心点坐标为(x₂，y₂，z₂)，阵列1、2所对应两组方位角坐标分别为(θ₁，Φ₁)和(θ₂，Φ₂)，由于实际定位过程中可令两个阵列位于同一平面内，为方便计算令延伸后的阵列平面与xoy面重合，则z₁＝z₂＝0。得两条直线方程：

将直线l₁、l₂相交得交点即泄漏点(x,y,z)，x、y、z的表达分别为：

在管道上方地面不同位置设置两个声波传感器阵列，并通过波导杆将传感器阵列延伸至土壤介质中，泄漏声波信号经土壤介质传播至插在土壤中的波导杆的一端，再经波导杆传播至另一端的传感器，从而避免因声波折射造成能量损失，且波导杆也可起到放大信号的作用。该方法只需将波导杆插入土壤中，不必直接与输气管道接触，因此实现了非接触式定位。在地面不同位置设置两组传感器阵列，适当缩小传感器间距，使泄漏声源相对于每组阵列都可以视为远场声源，利用两组阵列分别获取泄漏声源相对于每组阵列的空间方位坐标，再对这两组空间方位进行交叉，交叉点即为实际泄漏点。该过程避免了直接对泄漏声源进行三维定位，从而不需要泄漏点相对于阵列的深度这一先验知识，也不必为了满足近场声源条件而确保泄漏点与阵列足够近。

实施例1

基于以上现有技术以及设计思路与原理：参见图1-5：本实施例的一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，该方法通过基于波束形成方法，结合交叉定位原理实现对所述埋地输气管道泄漏处所产生声源空间位置的定位，从而完成对泄漏点的定位，其中，所述交叉定位方法包括以下步骤：

(1)首先将两个传感器阵列安置在泄漏管道上方地面并通过波导杆延伸至土壤中；所述步骤(1)具体为：所述两个传感器阵列与波导杆一端连接，将连接至两个传感器阵列的两组波导杆的另一端插入管道上方地表的两个不同位置，使得传感器阵列依然处于空气介质中，而波导杆可将土壤介质中的声波传递至空气介质中的传感器阵列，通过波导杆将传感器阵列由空气介质延伸至土壤介质中。

(2)其次将两个传感器阵列连接至1个信号处理PC，泄漏声波信号经土壤介质和波导杆传播至传感器阵列后将所述信号传送至信号处理PC；所述步骤(2)具体为：在所述两个传感器阵和泄漏管道所在空间内建立空间直角坐标系，其中，以地面作为xoy面，管道轴线的铺设方向已知，令x轴垂直于管道轴线，y轴平行于管道轴线，z轴垂直于地面，阵列1、阵列2分别指代两个传感器阵列，用延伸后土壤介质中的阵列位置坐标代替空气中的阵列位置坐标，阵列1经延伸后的中心点坐标为(x₁，y₁，z₁)，阵列2经延伸后的中心点坐标为(x₂，y₂，z₂)；泄漏点在区域内土壤介质中形成声场，由所述传感器阵列上的声波传感器通过波导杆接收土壤中的声压信号并回传至信号处理PC。

(3)然后由所述信号处理PC采用波束形成法分别对两个传感器阵列信号进行分析处理，获取泄漏声源相对于两个传感器阵经列延伸后位置的空间方位信息；所述步骤(3)具体为：所述信号处理PC基于波束形成算法，分别计算出泄漏点相对于两个阵列经延伸后中心点的空间方位坐标，该空间方位坐标由两个量构成，分别是泄漏点相对于中心点的方位角和仰角，记泄漏点相对于阵列1经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₁，Φ₁)，记泄漏点相对于阵列2经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₂，Φ₂)。

(4)最后根据交叉定位原理将两组空间方位信息进行交叉对比，从而获取泄漏声源的空间位置信息，实现对所述泄漏声源的空间位置定位，即完成对埋地输气管道泄漏点的定位；所述步骤(4)具体为：

根据两个传感器阵列经延伸后中心点坐标和对应的两组空间方位坐标，获得两条空间直线l₁和l₂，l₁、l₂的表达式为：

l₁：

l₂：

将所述两条直线l₁和l₂相交获得交点即泄漏点，从而完成定位，记该点坐标为(x,y,z)，x、y、z的值分别由下列三个公式求得：

本实施例对埋地输气管道泄漏所产生声波进行定位，从而实现对管道泄漏源的非接触式精确定位。

进一步的，所述方位角是指空间中泄漏点与所述中心点连线在xoy面投影与x轴正方向所成夹角，仰角是指空间中泄漏点与所述中心点连线与z轴负方向所成夹角。

进一步的，所述两个传感器阵列由若干声波传感器按平面分布方式组成且位于空气介质中，每个传感器与一个波导杆的一端连接，传感器数量与波导杆数量相等，每个波导杆长度相同，波导杆的另一端位于土壤中同一个平面内，所述波导杆另一端构成的平面可看做传感器阵列平面的延伸，二者相互平行且平行于xoy面(即地面)。

进一步的，当基于波束形成方法计算泄漏声源相对于两个传感器阵列经延伸后中心点的空间方位坐标时，将从泄漏点产生并传播至所述中心点的声波视作远场平面波，远场平面波判据为r＞2d²/λ，其中，r为泄漏点与所述中心点的距离，d为传感器(波导杆)间距，λ为声波波长，传感器(波导杆)间距d、声波波长λ和距离r应满足远场平面波判据。

进一步的，当基于波束形成算法进行计算时，只对泄漏点所产生声源的空间方位进行搜索，定位结果由方位角和仰角构成，不包含深度信息。

实施例2

下面以更加具体的数据对本实施例作进一步的说明：本实施例的一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其采用基于波束形成的双阵列交叉定位方法进行所述声源泄漏的精确定位，获取泄漏声源所在区域后，将交叉定位所需两个传感器阵列、波导杆和信号处理PC架设在所述区域内。

其中，两个传感器阵列均采用十字形排列，每个传感器阵列由9个声波传感器组成，1个位于十字形交点处，其余8个传感器均匀排列在两条十字形交线上，传感器间距为0.2m。每个传感器与一根波导管的一端连接，共18根长度一直的波导杆，波导杆另一端与土壤保持紧密接触但插入深度较浅，插入深度可视为0，阵列平面与地面平行，经导杆延伸后的阵列平面同样与地面平行且可视为与地面重合。

进一步的，在区域内建立空间直角坐标系，以地面作为xoy面，x轴垂直于管道轴线，y轴平行于管道轴线且位于管道轴线正上方，z轴垂直于xoy面(地面)，两个经波导杆延伸后的传感器阵列平面与xoy面(地面)重合，阵列1经延伸后的中心点坐标为(2m,-2m,0)，阵列2经延伸后的中心点坐标为(-2m,2m,0)，以管道轴线近似代替管道，管道轴线位于y轴正下方且埋地深度为1.5m，泄漏点位于管道轴线上且其坐标为(0,4m,-1.5m)。

进一步的，基于远场平面波模型，利用波束形成法，使用信号处理PC对两个传感器阵列所获取的声压信号进行处理，获得两组方位角坐标，其中，泄漏点相对延伸后阵列1的空间方位定位结果为(108°，76.75°)，泄漏点相对延伸后阵列2的空间方位定位结果为(45°，62°)。

进一步的，将

x₁＝2，y₁＝-2，z₁＝0，x₂＝-2，y₂＝2，z₂＝0，θ₁＝108°，Φ₁＝76.75°，θ₂＝45°，Φ₂＝62°

代入下列三个公式，

解得

x＝0.0381，y＝4.0381，z＝-1.495

泄漏点坐标为(0.0381m,4.0381m,-1.495m)。

综上所述，本发明利用交叉定位原理改进了基于波束形成的声源定位方法，使其能够用于埋地输气管道泄漏位置的三维定位，它主要包括以下步骤：将两个传感器阵列连接至信号处理PC并安置在泄漏管道上方地面，通过波导杆将空气介质中的传感器阵列延伸至土壤中，泄漏点形成声场经土壤介质和波导杆传播至传感器阵列，再将传感器阵列所接收信号传送至信号处理PC，由信号处理PC对两个传感器阵列所接收信号按一下步骤分析处理：在传感器阵列和泄漏管道所在区域内建立空间直角坐标系，采用波束形成方法获取泄漏声源相对于两个经波导杆延伸后阵列中心点的空间方位信息，再对两组空间方位信息进行交叉定位处理，获取埋地输气管道泄漏所产生声源的三维位置信息从而完成泄漏点定位。

本发明设置两个传感器阵列，通过波导杆将其延伸至土壤介质，利用交叉定位原理改进了基于波束形成的声源定位方法，使其能够实现对远场声源的三维定位，并将其运用在埋地输气管道泄漏声波定位场景，从而实现对管道泄漏的精确定位，是对现有基于声波法的管道泄漏检测方法的补充，解决了现有方法定位实时性高但精度不足的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其特征在于，该方法通过基于波束形成方法，结合交叉定位原理实现对所述埋地输气管道泄漏处所产生声源空间位置的定位，从而完成对泄漏点的定位；其中，所述交叉定位方法包括以下步骤：

(1)首先将两个传感器阵列安置在泄漏管道上方地面并通过波导杆延伸至土壤中；

(2)其次将两个传感器阵列连接至1个信号处理PC，泄漏声波信号经土壤介质和波导杆传播至传感器阵列后将所述信号传送至信号处理PC；

(3)然后由所述信号处理PC采用波束形成法分别对两个传感器阵列信号进行分析处理，获取泄漏声源相对于两个传感器阵经列延伸后位置的空间方位信息；

(4)最后根据交叉定位原理将两组空间方位信息进行交叉对比，从而获取泄漏声源的空间位置信息，实现对所述泄漏声源的空间位置定位，即完成对埋地输气管道泄漏点的定位；

所述步骤(1)具体为：所述两个传感器阵列与波导杆一端连接，将连接至两个传感器阵列的两组波导杆的另一端插入管道上方地表的两个不同位置，使得传感器阵列依然处于空气介质中，而波导杆可将土壤介质中的声波传递至空气介质中的传感器阵列，通过波导杆将传感器阵列由空气介质延伸至土壤介质中；

所述步骤(2)具体为：在所述两个传感器阵列和泄漏管道所在空间内建立空间直角坐标系，其中，以地面作为xoy面，管道轴线的铺设方向已知，令x轴垂直于管道轴线，y轴平行于管道轴线，z轴垂直于地面，阵列1、阵列2分别指代两个传感器阵列，用延伸后土壤介质中的阵列位置坐标代替空气中的阵列位置坐标，阵列1经延伸后的中心点坐标为(x₁，y₁，z₁)，阵列2经延伸后的中心点坐标为(x₂，y₂，z₂)；泄漏点在区域内土壤介质中形成声场，由所述传感器阵列上的声波传感器通过波导杆接收土壤中的声压信号并回传至信号处理PC；

所述步骤(3)具体为：所述信号处理PC基于波束形成算法，分别计算出泄漏点相对于两个阵列经延伸后中心点的空间方位坐标，该空间方位坐标由两个量构成，分别是泄漏点相对于中心点的方位角和仰角，记泄漏点相对于阵列1经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₁，φ₁)，记泄漏点相对于阵列2经延伸后中心点的空间方位坐标为(θ₂，Φ₂)；

所述步骤(4)具体为：根据两个传感器阵列经延伸后中心点坐标和对应的两组空间方位坐标，获得两条空间直线l₁和l₂，l₁、l₂的表达式为：

将所述两条直线l₁和l₂相交获得交点即泄漏点，从而完成定位，记该点坐标为(x,y,z)，x、y、z的值分别由下列三个公式求得：

2.根据权利要求1所述的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其特征在于，所述方位角是指空间中泄漏点与所述中心点连线在xoy面投影与x轴正方向所成夹角，仰角是指空间中泄漏点与所述中心点连线与z轴负方向所成夹角。

3.根据权利要求1所述的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其特征在于，所述两个传感器阵列由若干声波传感器按平面分布方式组成且位于空气介质中，每个传感器与一个波导杆的一端连接，传感器数量与波导杆数量相等，每个波导杆长度相同，波导杆的另一端位于土壤中同一个平面内，所述波导杆另一端构成的平面可看做传感器阵列平面的延伸，二者相互平行且平行于xoy面。

4.根据权利要求1所述的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其特征在于，当基于波束形成方法计算泄漏声源相对于两个传感器阵列经延伸后中心点的空间方位坐标时，将从泄漏点产生并传播至所述中心点的声波视作远场平面波，远场平面波判据为r＞2d²/λ，其中，r为泄漏点与所述中心点的距离，d为传感器间距，λ为声波波长，传感器间距d、声波波长λ和距离r应满足远场平面波判据。

5.根据权利要求4所述的基于波束形成的埋地输气管道泄漏交叉定位方法，其特征在于，当基于波束形成算法进行计算时，只对泄漏点所产生声源的空间方位进行搜索，定位结果由方位角和仰角构成，不包含深度信息。

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