CN110285332A - 一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，属于管道安全监测领域。该过程包括：向管道内发射线性调频脉冲声波信号，传感器接收反射信号，由数据采集卡传输至上位机进行相关数据处理。数据处理包括以下步骤：首先将采集信号进行匹配滤波、包络提取以及差值运算，然后计算差值曲线中发射与反射信号之间的时间差，即可实现水合物堵塞或管道泄漏的定位。本发明的主要优点在于定位精度高、实时性好、系统监测范围广、空间分辨率高，脉冲压缩技术可实现信号的有效压缩，解决了系统空间分辨率与监测距离之间的矛盾，差值算法可以实现水合物生成过程的实时动态监测，匹配滤波技术可以有效抑制严重的噪声污染。

Description

一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术
技术领域
本发明涉及一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，属于管道安全监测领域。
背景技术
随着国民经济的持续高速发展，我国对清洁优质能源特别是天然气的需求越来越迫切。由于天然气本身的介质特殊性，尤其是在恶劣环境中，管道已成为一种适宜的、稳定的天然气运输方式并被全社会热切关注。然而，在一定的高压、低温条件下，天然气管道内容易发生水合物堵塞严重威胁着管道的安全，同时管道泄漏也可能导致严重的人生安全事故及经济损失。因此，在天然气管道中进行水合物堵塞和泄漏的在线监测和定位，对于安全、稳定的天然气运输具有十分重要的意义。目前，业界对于天然气管道内水合物堵塞监测技术处于起始阶段。
在国外，基于瞬态压力分析方法被提出用于天然气井内的部分堵塞定位。该方法理论上可对堵塞物的体积和位置进行估算，但未提出计算堵塞物的位置的具体方法，也无法对天然气管道泄漏进行监测，另外文中指出该方法中堵塞物的厚度和长度对堵塞物定位结果影响较大。此外，基于平均压力模型的管道内堵塞物定位技术被提出，该研究主要利用平均压力模型，对管道内堵塞物定位并估计其大小。但该工作没有展示出实际试验结果，仅显示的是一些理论仿真结果。一种基于被动声学的水下天然气管道泄漏定位系统被提出，该方法首先分析了水下天然气管道泄漏所产生的声波信号的性质，并通过对水下环境噪声、检测方法、接收机号、源强度和测量数的分析，从而实现水下天然气管道泄漏的定位。
在国内，基于主动声学激励的天然气水合物凝聚在线监测技术通过向天然气管道内发射单频声学脉冲信号并探测分析其反射信号，从而实现水合物堵塞的精确定位。之后，该技术被应用于管道泄漏的探测上。但是该技术依然存在一定局限性，由于其激励信号为单频正弦信号，因此容易受到噪声影响，当激励信号频率位于噪声频谱范围内时，反射信号信噪比严重下降甚至被噪声淹没。另外，在声源功率固定的情况下，为了提升探测距离，需要增加声脉冲的宽度以提高信号平均功率，而声脉冲宽度的增加会导致空间分辨率及定位精度的下降。
脉冲压缩技术可在保证系统空间分辨率的前提下拓展系统监测范围，即利用宽脉冲增加发射脉冲的平均功率保证传播距离，并通过相关的脉冲压缩算法获取时域窄脉冲，从而提高距离分辨率。
因此，脉冲压缩算法非常适用于天然气管道安全监测，能够实现天然气管道水合物堵塞或管道泄漏定位、水合物生成过程的实时动态监测以及严重噪声污染下的水合物堵塞或管道泄漏的定位，以便运营方及时采取相应措施，保护管道稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，该技术具有定位精度高、实时性好、系统监测范围广、空间分辨率高等特点。
本发明的技术方案为：一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，包括如下步骤：
1)线性调频脉冲激励信号由上位机(1)软件程序产生，经过多功能数据采集卡(2)数模转换后由声源驱动模块(3)输出，驱动置于天然气管道首端的声源(4)向管道内发射线性调频脉冲声波信号，当在管道中轴向传播的声波信号遇到水合物堵塞(6)或者管道泄漏(7)时会产生反射信号；
2)在靠近管道首端入口处放置声波检测传感器(5)来采集发射与反射信号；
3)声波检测传感器接收的声波信号由多功能数据采集卡(2)的模数转换部分进行采集，最后由上位机进行相关的数据处理；
4)计算发射信号与反射信号之间的时间差，具体过程包括如下步骤：
(1)设声源与水合物堵塞或管道泄漏间相对距离为R，发射信号s(t)以速度c在管道内传播；经过时间R/c后发射信号到达水合物堵塞或管道泄漏后有部分被反射，被反射的信号为其中σ为水合物堵塞或管道泄漏对发射信号的反射能力；再经过时间R/c，被声波检测传感器接收到的反射信号为
(2)如果将天然气管道和水合物堵塞或管道泄漏等价于一个线性时不变(LTI)系统，则等效LTI系统的冲激响应为：
其中，M为异常事件的个数，σi为异常事件的反射特性，为时延，Ri为第i个水合物堵塞或管道泄漏与声源间的相对距离；
发射信号经过LTI系统，得输出信号(即反射信号)为：
通过从反射信号sr(t)中提取σi和τi，相对距离和异常事件反射特性即可被获取；
5)通过脉冲压缩算法，将采集信号进行匹配滤波、包络提取以及包络相减处理即可实现水合物堵塞或管道泄漏的定位、水合物生成过程的实时动态监测以及严重噪声污染下的水合物堵塞或管道泄漏的定位，具体过程包括如下步骤：
(1)脉冲压缩技术常用的调制信号是线性调频信号，其数学表达式为：
其中，fc为中心频率，T为脉冲宽度，为调频斜率，B为带宽，为瞬时频率，为矩形信号：
反射信号sr(t)经过发射信号s(t)的匹配滤波器的脉冲响应为：
匹配滤波后的输出信号为：
当t-τi＜T时，so(t)的包络可近似认为几个不同时延的sinc函数的叠加：
经过匹配滤波后，反射信号的脉冲宽度与发射信号的带宽成反比；若选择一个合适的调频斜率，则反射信号的脉冲宽度较窄，通过对So(t)进行峰值检测，水合物堵塞或管道泄漏的数量M与时延τi以及声源与水合物堵塞或管道泄漏间的相对距离可被获取；
(2)利用Hilbert变换对匹配滤波后的输出信号so(t)进行包络提取，则：
sh(t)＝so(t)*x(t) (8)
其中，对x(t)进行傅里叶变换得：
则sh(t)的傅里叶变换为：
Sh(ω)＝So(ω)X(ω) (10)
构造一个二维解析信号z(t)＝so(t)+jsh(t)，那么so(t)的包络即z(t)的模
(3)将水合物堵塞或管道泄漏采集的检测信号包络与正常管道状态下采集的基准信号包络进行相减，即可实现水合物堵塞或管道泄漏的定位。
所述脉冲压缩技术采用的激励信号为线性调频脉冲信号，且声波信号能量可调，通过计算声波检测传感器所采集的线性调频反射信号与发射信号之间的时间差来实现天然气水合物堵塞或管道泄漏的准确定位。
所述声源线性调频信号可由上位机软件系统生成并输出至多功能数据采集卡进行模数转换后经声源驱动模块输出，或通过信号发生器生成后经声源驱动模块输出驱动声源以发出所需声波信号。
所述声源线性调频信号的频带宽度、频带范围、时域脉冲宽度均可调。
所述多功能数据采集卡的采样方式可设定为触发模式或连续采样模式，触发模式其采样触发信号为脉冲激励信号，连续采样模式的采样频率通过上位机进行控制。
所述脉冲压缩技术，即通过上位机程序对反射波信号进行匹配滤波处理。
所述天然气管道安全监测技术，需要对匹配滤波后信号进行包络提取和包络相减处理。
本发明的第一个优点在于利用声学脉冲压缩算法，解决了系统空间分辨率与监测范围之间的矛盾；第二个优点是可以实现天然气管道内水合物堵塞或管道泄漏的准确定位以及水合物生成过程的在线动态监测；第三个优点是通过计算反射信号与发射信号之间的时间差实现水合物堵塞或管道泄漏定位，其定位精度高；第四个优点是通过对信号的匹配滤波处理，可实现在严重噪声污染情况下，天然气管道内水合物堵塞或管道泄漏的检测与定位。
附图说明
图1为数据获取、处理及分析流程图。
图2为管道内声波传播示意图。
图3为本发明的系统组成图。监测系统包括：1为上位机、2为多功能数据采集卡、3为声源驱动模块、4为声源、5为声波检测传感器。
图4为本发明的水合物堵塞检测过程示意图。
图5为本发明的水合物堵塞定位示意图。
图6为本发明的水合物多点堵塞定位示意图。
图7为本发明的水合物生成过程的动态监测示意图。
图8为本发明的水合物生成过程的动态定位示意图。
图9为本发明的管道泄漏定位示意图。
图10为本发明的天然气管道安全监测系统抗噪声干扰性能测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1所示为本发明整体的数据获取、处理、分析流程图，具体过程为：A、基准信号采集；B、检测信号采集；C、将基准信号与检测信号进行匹配滤波处理；D、对匹配滤波后基准信号与检测信号提取包络；E、将检测信号与基准信号进行包络相减；F、实现水合物堵塞或管道泄漏定位。
根据图2所示，线性调频发射信号E在管道内轴向传播，当遇到天然气水合物堵塞或管道泄漏时，一部分能量将以反射信号R的形式向首端传播。
图3所示为基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测系统的组成框图，该监测系统包括：上位机1、多功能数据采集卡2、声源驱动模块3、声源4以及声波检测传感器5、水合物6、泄漏点7。
上位机1或信号发生器产生的激励信号经数据采集卡2数模转换后由声源驱动模块3输出，驱动放置在管道首端入口处的声源4向管道内发射声波信号，当沿管道轴向传播的信号遇到水合物堵塞6或者管道泄漏7时会产生反射信号，在管道首端入口附近放置声波检测传感器5来采集发射与反射信号，然后由多功能数据采集卡2进行模数转换，最后进入上位机进行相关信息分析处理，即可实现对天然气管道安全在线实时监测。
为测试基于声学脉冲压缩的天然气管道安全在线监测系统的性能，搭建了如图3所示的监测系统并进行模拟天然气管道水合物堵塞和管道泄漏实验。声学脉冲压缩技术发射的线性调频信号频率范围为900Hz-1600Hz、持续时间为0.02s，反射信号由声波检测传感器接收并被多功能数据采集卡采集，采样率为100KS/s。
图4(a)和(b)分别表示在正常管道中原始信号的传播情况以及信号经过匹配滤波后的结果。经过匹配滤波后，信号被有效压缩，其局部放大图如图4(c)所示，可以明显的看出管道弯道产生的反射信号。当管道中放置一个直径为30mm的冰块时，其匹配滤波后的结果如图4(d)所示，相比于图4(c)，可以明显的观察到出现一个附加反射峰。
图5所示为天然气管道水合物堵塞定位示意图，通过包络相减算法，将图4(d)的包络线减去图4(c)的包络线，其峰值位置代表天然气水合物定位结果为14.8811m，与实际设定位置相符合，且信噪比高达18.76dB。
图6(a)、(b)分别为天然气管道水合物多点堵塞定位示意图及局部放大图，首先计算发射信号与反射信号的时间差，并通过声学脉冲压缩算法使得匹配滤波后的信号被有效压缩，然后对该信号进行包络提取以及包络相减从而实现水合物多点堵塞的定位。通过声学脉冲压缩算法，其空间分辨率可达0.32m。
由于冰融化过程等效于水合物生成逆过程，因此从冰置于管道内起至冰完全融化的动态过程中，每5s保存一组采集数据，然后计算发射信号与反射信号的时间差，并通过声学脉冲压缩算法使得匹配滤波后的信号被有效压缩，最后对该信号进行包络提取以及包络相减从而实现水合物生成过程的动态监测。图7(a)所包含105条包络线分别代表冰融化过程的包络相减结果，图7(b)为在冰融化过程中的峰值振幅变化图。
图8所示为冰融化过程中的动态定位以验证一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全在线监测系统的定位精度，通过计算105个测量结果的标准差，其定位精度可达0.01m。
图9所示为1mm-8mm孔径管道泄漏定位示意图。首先计算发射信号与反射信号的时间差，并通过声学脉冲压缩算法使得匹配滤波后的信号被有效压缩，然后对该信号进行包络提取以及包络相减从而实现管道泄漏的定位。其中，图9(a)所示为8组不同孔径管道泄漏的包络相减结果，其局部放大图如图9(b)所示，其定位结果与实际管道泄漏位置相吻合。
图10所示为天然气管道安全监测系统的抗噪声干扰性能测试。其中，图10(a)、(b)所示分别为在冲激噪声和高斯白噪声影响下，由管道弯道及水合物堵塞引起的原始反射信号完全淹没在噪声中。图10(c)、(d)所示分别为经过匹配滤波后，管道弯道及水合物堵塞引起的反射信号清晰可见。然后对包络提取后的信号进行包络相减，其结果如图10(e)、(f)所示，从而实现在严重噪声污染环境下天然气管道的安全监测。

Claims (7)

1.一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于包括以下过程：
1)上位机软件程序产生的线性调频激励信号经多功能数据采集卡数模转换后由声源驱动模块输出，驱动放置于天然气管道首端入口处的声源发射线性调频声波信号，当在管道轴向传播的声波遇到水合物堵塞或管道泄漏时会发生反射；
2)在靠近管道首端入口声源处放置声波检测传感器来接收发射信号与反射信号；
3)将声波检测传感器接收的声波信号输出至多功能数据采集卡模数转换部分进行采集，最后由上位机进行相关的数据处理；
4)持续向天然气管道内发射线性调频脉冲声波信号，上位机对反射波进行相关的数据处理，即可实现天然气管道安全在线实时监测；
5)计算发射信号与反射信号之间的时间差，具体过程包括如下步骤：
(1)设声源与水合物堵塞或管道泄漏间相对距离为R，发射信号s(t)以速度c在管道内传播；经过时间R/c后发射信号到达水合物堵塞或管道泄漏后有部分被反射，被反射的信号为其中σ为水合物堵塞或管道泄漏对发射信号的反射能力；再经过时间R/c，被声波检测传感器接收到的反射信号为
(2)如果将天然气管道和水合物堵塞或管道泄漏等价于一个线性时不变(LTI)系统，则等效LTI系统的冲激响应为：
其中，M为水合物堵塞或管道泄漏的个数，σi为水合物堵塞或管道泄漏的反射特性，为时延，Ri为第i个水合物堵塞或管道泄漏与声源间的相对距离；
发射信号经过LTI系统，得输出信号(即反射信号)为：
通过从反射信号sr(t)中提取σi和τi，相对距离和水合物堵塞或管道泄漏反射特性即可被获取；
6)通过脉冲压缩算法，将采集信号进行匹配滤波、包络提取以及包络相减处理即可实现水合物堵塞或管道泄漏的定位、水合物生成过程的实时动态监测以及严重噪声污染下的水合物堵塞或管道泄漏的定位，具体过程包括如下步骤：
(1)脉冲压缩技术常用的调制信号是线性调频信号，其数学表达式为：
其中，fc为中心频率，T为脉冲宽度，为调频斜率，B为带宽，为瞬时频率，为矩形信号：
反射信号sr(t)经过发射信号s(t)的匹配滤波器的脉冲响应为：
匹配滤波后的输出信号为：
当t-τi＜T时，so(t)的包络可近似认为几个不同时延的sinc函数的叠加：
经过匹配滤波后，反射信号的脉冲宽度与发射信号的带宽成反比；若选择一个合适的调频斜率，则反射信号的脉冲宽度较窄，通过对So(t)进行峰值检测，水合物堵塞或管道泄漏的数量M与时延τi以及声源与水合物堵塞或管道泄漏间的相对距离可被获取；
(2)利用Hilbert变换对匹配滤波后的输出信号so(t)进行包络提取，则：
sh(t)＝so(t)*x(t) (8)
其中，对x(t)进行傅里叶变换得：
则sh(t)的傅里叶变换为：
Sh(ω)＝So(ω)X(ω) (10)
构造一个二维解析信号z(t)＝so(t)+jsh(t)，那么so(t)的包络即z(t)的模
(3)将水合物堵塞或管道泄漏时采集的检测信号包络与正常管道的基准信号包络进行相减，即可实现水合物堵塞或管道泄漏的定位。
2.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述脉冲压缩技术采用的激励信号为线性调频脉冲信号，且声波信号能量可调，通过计算声波检测传感器所采集的线性调频反射信号与发射信号之间的时间差来实现天然气水合物堵塞或管道泄漏的准确定位。
3.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述声源线性调频信号由上位机软件程序生成，并由多功能数据采集卡进行模数转换后输出至声源驱动模块，从而驱动声源以发出所需声波信号。
4.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述声源线性调频信号的频带宽度、频带范围、时域脉冲宽度均可调。
5.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述多功能数据采集卡的采样方式可设定为触发模式或连续采样模式，触发模式其采样触发信号为脉冲激励信号，连续采样模式的采样频率通过上位机进行控制。
6.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述脉冲压缩技术，即通过上位机程序对反射波信号进行匹配滤波处理。
7.如权利要求1所述的一种基于声学脉冲压缩的天然气管道安全监测关键技术，其特征在于：所述天然气管道安全监测技术，需要对匹配滤波后信号进行包络提取和包络相减处理。
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