CN111122068A - 一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，包括以下步骤：步骤1：在输水管道路径上选择多个检测点，利用光纤水听器分别采集多个检测点的噪声振动信号；步骤2：对采集的噪声振动信号进行功率谱分析，确定输水管道渗漏位置两侧最接近的光纤水听器；步骤3：确定两路噪声振动信号的时间差T _d ；步骤4：计算噪声振动信号沿输水管道传播的水击波速c；步骤5：计算输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L；本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，克服了背景技术中所述定位方法的不足，能够利用光纤水听器精确定位输水管道的渗漏位置，为输水管道的预警和检修提供了可靠的支持。

Description

一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法

技术领域

本发明涉及输水管道安全检测技术领域，涉及跨流域调水工程、水利水电工 程和市政工程，尤其涉及一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法。

背景技术

随着城市的发展，城市的用水量逐年增加。为保障城市供水，我国建设了 大批引水工程。与此同时，城市管网密度、管道压力也逐渐提高。而相应的管 道检测与维修技术并未升级，造成输水管道渗漏事故频发。国外的管道检修设 备较为先进，但由于国外的管道参数与我国的不匹配，再加上价格昂贵以及操 作复杂，并未在我国推广使用。

输水管道破坏一般经过渗漏、射流、泄漏(爆管)三个阶段，目前基本上 是管道泄露(爆管)，甚至是引发路面塌陷等事故时才发现管道出了问题。因而 从早期的根源处解决问题，检修重点应在渗漏发展到射流至爆管这一阶段。管 道渗漏不仅影响城市供水安全，还会带来次生灾害，威胁人民生命财产安全。 因此，迫切需要研发一种有效的、适用于我国输水管道渗漏检测与定位方法， 以保障我国城市用水的安全。

目前，已有诸多检测与定位方法可用于查找管道渗漏病害，主要的方法包 括被动检测法、音听检测法、相关分析检测法、探地雷达检测法、示踪剂检测 法、分布式光纤法等。被动检漏法主要用以发现明漏，解决不了暗漏问题。据 英国水研究中心研究统计，音听检测法约可查80％的地下漏水，同时音听检测 法受检测人员的能力素质、音听设备的性质和管理工作等影响较大。相关检漏 仪可应用于一般漏水情况的小口径输水管道，其检测结果具有的精度可至90％； 同时，不宜将两个传感器的距离布置的过远，低于200m。当前输水管道处于复 杂的环境中，并且出现各种各样的病害形式，包括渗漏、穿孔、断裂、沉陷等， 对于长距离输水管道，以上方法均存在其局限性与适用条件。

光纤水听器发展于70年代末，它是以光纤传感和光电子技术为基础的一种 新型水声传感器。其传感原理是利用声波调制光纤中光波的强度、偏振态、相 位等参量来获取声波的频率、强度等信息。光纤水听器具有很多优点，如灵敏 度较高，响应频带较宽，频响特性好，可以响应超低频，动态范围大，抗电磁 干扰和串扰的能力强，以光纤作为信息的传感与传输媒介，稳定性高，耐高温， 抗腐蚀，光缆体积小，重量轻，传输距离远，可利用光纤多路复用技术，构成 大面积阵列和大规模阵列等。光纤水听器是新一代水声换能器技术，其传感机 制不同于传统的压电水听器，具有高声压灵敏度、动态范围大、高环境适应性、高可靠性等优点。当管道发生渗漏时，漏口处泄漏声主要通过管道和管内流体 向漏点两侧传播，由于内外压力差的存在喷射出的水会和渗漏口以及管道周围 的土壤等发生碰撞，从而产生噪声和不同频率的振动。本发明正是根据这些现 象，结合光纤水听器长期渗漏检测系统的优点及其相关辅助设备，发明一种基 于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法。

发明内容

本发明的目的在于针对长距离输水管道渗漏问题，提供一种基于光纤水听器 的输水管道渗漏位置定位方法，以解决背景技术中所述的现有的输水管道渗漏检 测方法存在的弊端，及其局限性大的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，包括以下步骤：

步骤1：在输水管道路径上选择多个检测点，每个检测点处均设置光纤水听 器；利用多个光纤水听器分别采集多个检测点的噪声振动信号；

步骤2：对步骤1采集到的多个检测点的噪声振动信号进行功率谱分析，确 定输水管道渗漏位置两侧最接近的光纤水听器；

步骤3：对输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器采集到的两路噪声振动信号 进行互相关函数分析，确定两路噪声振动信号的时间差T_d；

步骤4：利用水击波速公式，计算噪声振动信号沿输水管道传播的水击波速 c；

步骤5：利用步骤3得到的时间差T_d和步骤4得到的水击波速c，计算输水 管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L。

还包括步骤6；

步骤6：利用步骤2确定的输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器再次分别采 集两路噪声振动信号，依次重复步骤3、步骤4、步骤5得到输水管道渗漏位置 与最近的光纤水听器的距离L’，将L和L’取平均值L”，确定输水管道渗漏位 置与最近的光纤水听器的最优距离L”。

步骤1中所述检测点的位置为输水管道上检修井的位置，光纤水听器应设置 在检修井内输水管道壁的正上方。

步骤2所述的进行功率谱分析的分析方法为：

采用MATLAB中的Signal Analyzer工具对步骤1采集到的多个检测点的噪 声振动信号进行功率谱分析，在Signal Analyzer工具中对比多个检测点的噪声 振动信号的功率谱分析图像，噪声振动信号的震荡幅值最大的两路噪声振动信号 所对应的光纤水听器即为输水管道渗漏位置两侧最接近的光纤水听器。

步骤4所述的水击波速公式为：

其中，c为水击波速，ρ为输水管道内水的密度，K为输水管道内水的弹性 系数、E为输水管道的管道弹性系数、D为输水管道的管径、δ为输水管道的管 壁厚度。

步骤5所述的输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L为：

其中，S是两个光纤水听器探头之间的距离。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，克服了背 景技术中所述定位方法的不足，能够利用光纤水听器精确定位输水管道的渗漏位 置，为输水管道的预警和检修提供了可靠的支持；

进一步的，本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法， 只需利用现有的检修井，在输水管道上设置光纤听水器即可，便于对现有的输水 管道进行改造，成本低，便于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对 具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明所述实施例的功率谱分析图像示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。

如图1所示：本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方 法，包括以下步骤：

步骤1：在输水管道路径上选择多个检测点，每个检测点处均设置光纤水听 器；利用多个光纤水听器分别采集多个检测点的噪声振动信号；

由于输水管道渗漏位置出的内外压力不同，内外压力差的存在将导致输水管 道渗漏位置喷射出的水会和渗漏口以及管道周围的土壤等发生碰撞，从而产生噪 声振动信号；

为了便于说明，定义多个光纤水听器分别采集到的噪声振动信号为f_n(t)， 其中n＝1，2，3，…，n，n为自输水管道起始端至终端按顺序设置的光纤水听器 的号码；

优选的，所述的多个检测点可选择在输水管道上检修井的位置，第一，便于 工作人员设置和维修光纤水听器；第二，便于工作人员对渗漏输水管道进行安装；

进一步的，为了保证光纤水听器检测结果的可靠性，光纤水听器应设置在检 修井内输水管道壁的正上方；

步骤2：对步骤1采集到的多个检测点的噪声振动信号进行功率谱分析，确 定输水管道渗漏位置位于哪两个相邻的光纤水听器所对应的检测点之间；

具体的，为了便于本领域技术人员理解本发明的技术方案，下面将对功率谱 分析进行说明：

假设信号f(t)在时间段

上的平均功率可以表示：

其中，T为信号f(t)的周期；

如果信号f(t)在时间段

上可以用f_T(t)表示，且f_T(t)的傅里叶 变换为：

F_T(ω)＝F[f_T(t)]；

其中，F[]表示傅里叶变换；

因此有：当T增加时，F_T(ω)以及|F_T(ω)|²的能量增加；当T→∞时, f_T(t)→f(t)，此时

趋近于一极限值；假如此极限值存在，则信号f(t) 的平均功率P亦可以在频域表示，即：

则信号f(t)的功率密度函数，即功率谱P(ω)为：

功率谱表示了信号功率随着频率的变化关系，它定义为单位频带内的信号功 率，它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况；因 此，如果输水管道发生渗漏导致出现噪声振动信号，则输水管道渗漏位置两侧最 接近的光纤水听器采集到的噪声振动信号的震荡幅值将明显大于其他光纤水听 器采集到的噪声振动信号的震荡幅值。

因此，基于上述说明，根据每个检测点的噪声振动信号的功率谱分析即可确 定输水管道渗漏位置位于哪两个相邻的光纤水听器所对应的检测点之间，且采集 到的噪声振动信号的震荡幅值最大的光纤水听器对应的设置位置距离输水管道 渗漏位置最近；

优选的，本发明中，采用MATLAB中的Signal Analyzer工具对步骤1采集 到的多个检测点的噪声振动信号进行功率谱分析；具体的，可在Signal Analyzer 工具中对比多个检测点的噪声振动信号的功率谱分析图像，即可确定渗漏位置位 于哪两个相邻的光纤水听器所对应的检测点之间；

为了便于说明，定义输水管道渗漏位置位于第m个和第m+1个光纤水听器所 对应的检测点之间，其中，1≤m＜n；

步骤3：对输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器采集到的两路噪声振动信 号进行互相关函数分析，确定两路噪声振动信号的时间差T_d；即确定f_m(t)和 f_m+1(t)的时间差T_d；

具体的，为了便于本领域技术人员理解本发明的技术方案，下面将对互相关 函数分析进行说明：

互相关函数，表示的是两个时间序列之间的相关程度，即在本发明中，互相 关函数是描述f_m(t)和f_m+1(t)在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程 度；

由傅里叶变换和功率谱密度之间的关系，可以得到：

其中，

为互相关函数，

为功率谱密度函数；

信号f_m(t)和f_m+1(t)经过H₁和H₂滤波后的互功率谱密度函数

为：

从而f_m(t)和f_m+1(t)的广义互相关结果为：

互相关函数

的最大值所对应的t值就是f_m(t)和f_m+1(t)的时间差T_d；

步骤4：利用水击波速公式，计算噪声振动信号沿输水管道传播的水击波速 c；

具体的，应用质量守恒定律、动量定律以及应力与应变的关系可知，水击波 速c公式：

由上式可知，水击波速c与输水管道中水的密度ρ及水的弹性系数K、管 道弹性系数E、管径D、管壁厚度δ等因素有关，水击波速c公式属于现有技术， 这里不再赘述；

进一步的，由上述水击波速c公式可知，水击波速c只与上述因素有关，与 哪一路噪声振动信号无关，因此，步骤4中所述的噪声振动信号可选择任一光纤 水听器采集到的噪声振动信号；

步骤5：利用步骤3得到的时间差T_d和步骤4得到的水击波速c，计算输水 管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L；

具体的，输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L为：

其中，S是两个光纤水听器探头之间的距离，即第m个和第m+1个光纤水听 器之间的距离；进一步的，若f_m(t)的震荡幅值最大，则输水管道渗漏位置与第 m个光纤水听器之间的距离为L；若f_m+1(t)的震荡幅值最大，则输水管道渗漏位 置与第m+1个光纤水听器之间的距离为L；

步骤6：利用步骤2确定的输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器再次分别采 集两路噪声振动信号，重复步骤3、步骤4、步骤5得到输水管道渗漏位置与最 近的光纤水听器的距离L’，将L和L’取平均值L”，确定输水管道渗漏位置与 最近的光纤水听器的最优距离L”。

为了便于本领域技术人员进一步理解本发明的技术方案，下面将以具体实施 例对本发明的技术方案进行进一步描述：

假设某城市给水工程输水管道一分支共有三个检修井，分别为1、2、3号检 修井；

步骤1：将三个光纤水听器分别设置在1、2、3号检修井内的输水管道的管 道壁的正上方，且定义为1、2、3号光纤水听器，用于分别采集三处管道壁的噪 声振动信号，且光纤水听器的输出端与功率谱分析仪的输入端连接；功率谱分析 仪的输入端与计算机的输入端连接；

步骤2：利用功率谱分析仪分别对1、2、3号光纤水听器采集到的噪声振动 信号f₁(t)、f₂(t)、f₃(t)进行功率谱分析，所述的功率谱分析仪采用基于Signal Analyzer工具的功率谱分析仪，利用计算机对比f₁(t)、f₂(t)、f₃(t)的功率谱 分析图像，确定输水管道的渗漏位置两侧最接近的光纤水听器的序号；

如图2所示：由f₁(t)、f₂(t)、f₃(t)的功率谱分析图像可知，f₃(t)、f₂(t)、 f₁(t)的功率谱分析图像的震动幅值依次降低，由此可判断输水管道的渗漏位置 位于2、3号光纤水听器之间，且距离3号光纤水听器最近；

步骤3：利用计算机对f₃(t)、f₂(t)进行互相关函数分析，互相关函数最大 值所对应的t值即为f₃(t)、f₂(t)的时间差T_d；

步骤4：在计算机中建立水击波速模型，利用水击波速公式，计算噪声振动 信号沿输水管道传播的水击波速c；

具体的，应用质量守恒定律、动量定律以及应力与应变的关系可知，水击波 速c公式：

由上式可知，水击波速c与输水管道中水的密度ρ及水的弹性系数K、输 水管道弹性系数E、输水管道管径D、输水管道管壁厚度δ等因素有关；由下表 1可知：

表1：常用管道的弹性系数E

本实施例中使用的是DN300球墨铸铁管，可计算得到水击波速c＝1016m/s；

步骤5：利用步骤3得到的时间差T_d和步骤4得到的水击波速c，计算输水 管道渗漏位置与3号光纤水听器的距离L；

具体的，输水管道渗漏位置与3号光纤水听器的距离L为：

其中，S是2号和3号光纤水听器探头之间的距离；

步骤6：利用步骤2确定的输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器再次分别采 集两路噪声振动信号f₃'(t)、f₂'(t)，重复步骤3、步骤4、步骤5得到输水管道 渗漏位置与3号光纤水听器的距离L’，将L和L’取平均值L”，精确确定输水 管道渗漏位置与3号光纤水听器的最优距离L”；由下表2可知：

将L和L’取平均值L”，能够明显增强输水管道渗漏位置的定位精度。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，克服了背 景技术中所述定位方法的不足，能够利用光纤水听器精确定位输水管道的渗漏位 置，为输水管道的预警和检修提供了可靠的支持；

进一步的，本发明所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法， 只需利用现有的检修井，在输水管道上设置光纤听水器即可，便于对现有的输水 管道进行改造，成本低，便于推广。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方 案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在输水管道路径上选择多个检测点，每个检测点处均设置光纤水听器；利用多个光纤水听器分别采集多个检测点的噪声振动信号；

步骤2：对步骤1采集到的多个检测点的噪声振动信号进行功率谱分析，确定输水管道渗漏位置两侧最接近的光纤水听器；

步骤3：对输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器采集到的两路噪声振动信号进行互相关函数分析，确定两路噪声振动信号的时间差T_d；

步骤4：利用水击波速公式，计算噪声振动信号沿输水管道传播的水击波速c；

步骤5：利用步骤3得到的时间差T_d和步骤4得到的水击波速c，计算输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：还包括步骤6；

步骤6：利用步骤2确定的输水管道渗漏位置两侧的光纤水听器再次分别采集两路噪声振动信号，依次重复步骤3、步骤4、步骤5得到输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L’，将L和L’取平均值L”，确定输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的最优距离L”。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：步骤1中所述检测点的位置为输水管道上检修井的位置，光纤水听器应设置在检修井内输水管道壁的正上方。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：步骤2所述的进行功率谱分析的分析方法为：

采用MATLAB中的Signal Analyzer工具对步骤1采集到的多个检测点的噪声振动信号进行功率谱分析，在SignalAnalyzer工具中对比多个检测点的噪声振动信号的功率谱分析图像，噪声振动信号的震荡幅值最大的两路噪声振动信号所对应的光纤水听器即为输水管道渗漏位置两侧最接近的光纤水听器。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：步骤4所述的水击波速公式为：

其中，c为水击波速，ρ为输水管道内水的密度，K为输水管道内水的弹性系数、E为输水管道的管道弹性系数、D为输水管道的管径、δ为输水管道的管壁厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤水听器的输水管道渗漏位置定位方法，其特征在于：步骤5所述的输水管道渗漏位置与最近的光纤水听器的距离L为：

其中，S是两个光纤水听器探头之间的距离。

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