CN111365625A - 一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其包括在目标管道上构建传感器阵列；若发生管道泄漏，通过传感器阵列中的每个传感器采集泄漏信号，并将泄漏信号发送至信号处理终端；信号处理终端使用延迟求和法计算泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度；将泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出目标管道上发生泄漏的位置。通过对管道泄漏所产生声波信号沿管道上下游传播的速度进行单独计算，避免采用理论速度模型直接进行速度估计所带来的误差，同时采用基于延迟求和的声波定位方法进行泄漏定位，进一步提高了声波定位方法的精度。

Description

一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法

技术领域

本发明涉及管道泄漏定位技术领域，尤其涉及一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法。

背景技术

随着我国能源需求量的逐年增加，由石油、天然气等能源的管道运输带来的灾害也越来越多，为实现安全可持续发展有必要对管道泄漏进行有效定位。声波法作为管道泄漏定位方法之一，以其较好的综合性能而得到日益广泛的研究和应用。声波法的原理是利用泄漏位置上下游两端的传感器采集信号并进行延时估计，结合传感器间距和声速即可计算出泄漏位置。

但声波法的定位误差仍较大，影响因素主要有：(1)噪声等干扰因素造成延时估计误差，郭晨城等使用不依赖经验参数的经验模态分解进行管道泄漏信号增强，经处理的信号互相关函数峰值更加尖锐，泄漏定位精度更高；(2)延时估计函数自身性能不佳造成延时估计误差，目前主要的延时估计算法包括广义互相关法、LMS自适应滤波法、参量模型法以及基于高阶统计量的双谱估计法等，吴慧娟等基于γ-LMS算法提出一种无偏自适应延时估计方法，通过迭代逐步去除噪声，供水管道泄漏定位结果显示该方法定位精度得到了有效提高；(3)管道环境复杂导致声速估计误差，梁坤鹏等提出泄漏管道波速预测理论,分析了PVC管和钢管的几何、材料特性对波速的影响。针对以上问题，研究人员从信号滤波、延时估计方法改进和声速模型优化三个方面开展了相应的研究。但实际环境参数获取困难，且背景噪声干扰无法忽略，导致声波法定位精度有待提高。

据此，目前急需一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，对泄漏声波信号沿管道上下游传播的速度进行计算，避免直接使用理论速度模型所带来的误差，提高声波法的抗干扰能力。

发明内容

本发明提供了一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，旨在避免直接使用理论速度模型所带来的误差，提高声波法的抗干扰能力。

本发明提供了一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其包括。

在目标管道上构建传感器阵列；

若发生管道泄漏，通过所述传感器阵列中的每个传感器采集泄漏信号，并将所述泄漏信号发送至信号处理终端；

所述信号处理终端使用延迟求和法计算所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度；

将所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出所述目标管道上发生泄漏的位置。

本发明实施例通过对管道泄漏所产生声波信号沿管道上下游传播的速度进行单独计算，避免采用理论速度模型直接进行速度估计所带来的误差，同时采用基于延迟求和的声波定位方法进行泄漏定位，进一步提高了声波定位方法的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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例，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是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的线性阵列一维定位原理图；

图3是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的定位方法原理图；

图4是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的传感器1、2信号延时估计结果；

图5是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的传感器3、4信号延时估计结果；

图6是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的子阵1延迟求和输出。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，是本发明实施例提供的一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法的流程示意图，该基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法包括以下步骤S101-S104。

步骤S101：在目标管道上构建传感器阵列。

步骤S102：若发生管道泄漏，通过所述传感器阵列中的每个传感器采集泄漏信号，并将所述泄漏信号发送至信号处理终端。

步骤S103：所述信号处理终端使用延迟求和法计算所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度。

步骤S104：将所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出所述目标管道上发生泄漏的位置。

具体地，通过对管道泄漏所产生声波信号沿管道上下游传播的速度进行单独计算，避免采用理论速度模型直接进行速度估计所带来的误差，同时采用基于延迟求和的声波定位方法进行泄漏定位，进一步提高了声波定位方法的精度。

在一实施例中，所述在目标管道上构建传感器阵列包括在所述目标管道的两端外壁处分别布置预定个数的传感器。

在一实施例中，所述在所述目标管道的两端外壁处分别布置预定个数的传感器包括：

参见图3，在所述目标管道的一端的管道外壁布置第一传感器和第二传感器(即图中所示的传感器1和传感器2)，在所述目标管道的另一端的管道外壁布置第三传感器和第四传感器(即图中所示的传感器3和传感器4)，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器分别布置于不同的位置，构成一个四元线性阵列。

具体地，波束形成的本质是一个非参数化的波达方向估计器。其中，延迟求和波束形成法以补偿阵元信号延时的方式对阵列的输出进行加权求和，理论上只有在波达方向上各阵元加权重构信号才会同相叠加并形成主瓣波束。为了使用延迟求和进行波达方向估计，首先将波达方向参数化，带入参数对阵列信号进行延迟求和并搜索输出最大值，该最大值对应参数值即为所求波达方向。如果将延迟求和法应用于管道泄漏定位中，则波达方向估计过程实际转化为线性阵列一维定位过程。图2为线性阵列一维定位原理图，其中线性阵列由参考阵元和阵元1～M按直线排列构成，内侧信源位于参考阵元和阵元1之间，外侧信源位于参考阵元左侧。

首先分析信源位于阵列内测的情况。内侧信源与参考阵元的距离为d，阵元1与参考阵元的距离为d₁,信号传播速度为c(暂不考虑速度不一致的情况)，则信号到达阵元1相对于参考传阵元的延时为

将所述延时表达式推广至阵元1～M并构造加权向量得

W(d)＝[1,exp(-jωτ₁),...,exp(-jωτ_M)]^T

构造阵列输出信号矩阵

x(t)＝[x₀(t),x₁(t),...,x_M(t)]^T

对阵列信号进行延迟求和并得到输出功率为

P(d)＝W^T(d)E[x(t)x^T(t)]W(d)

当延迟求和输出功率达到最大值时对应参数d即为所求内侧信源位置。再分析信源位于参考阵元左侧的情况，阵元1相对于参考阵元的延时应修改为

此时延时τ₁无法用外侧信源与参考阵元的距离来参数化表达。但值得注意的是，可以将c作为未知参数来表征所述延时，得到阵列延迟求和输出功率为

P(c)＝W^T(c)E[x(t)x^T(t)]W(c)

当延迟求和输出功率达到最大值时对应参数c即为所求速度。基于上述分析可知：线性阵列可对内侧信源进行定位，计算外侧信源来波的波速。据此，提出一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，图3为定位方法原理图。利用传感器1、2计算泄漏信号沿上游传播的速度c₁，利用传感器3、4计算下游速度c₂，传感器1、3、4和传感器2、3、4可构成两个三元线性阵列从而实现一维定位。泄漏信号到达传感器3相对于传感器1的延时为

同理可得延时τ₁₄、τ₂₃和τ₂₄的表达式，将修正后的延时带入所述延迟求和输出功率P(d)的表达式即可求得泄漏点的位置d。在管道上下游增设传感器以计算两端实际速度并带入修改后的延时表达式，再使用基于线性阵列的延迟求和法即可完成定位。

在一实施例中，所述信号处理终端使用延迟求和法计算所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度包括：

通过第一预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第二传感器的延时，通过第二预设公式计算所述泄漏信号到达所述第三传感器和第四传感器的延时；

所述第一预设公式为：

所述第二预设公式为：

其中，d₁₂为第一传感器和第二传感器之间的距离，d₃₄为第三传感器和第四传感器的距离，c₁为泄漏信号向第一传感器、第二传感器传播的速度，c₂为泄漏信号向第三传感器、第四传感器传播的速度；

将第一传感器信号作为参考信号，使用延时τ₁₂对第二传感器信号进行延时处理并与第一传感器信号相加，得到第一传感器和第二传感器的延迟求和输出，将第四传感器作为参考传感器，使用延时τ₃₄对第三传感器信号进行延时处理并与第四传感器信号相加，得到第三传感器和第四传感器的延迟求和输出；

分别将速度作为自变量来计算延迟求和输出在速度上的分布，搜索得到输出峰值对应的速度值作为泄漏信号沿管道上下游传播的速度计算值。

在一实施例中，所述将所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出所述目标管道上发生泄漏的位置包括：

通过第三预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第三传感器的延时，通过第四预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第四传感器的延时，通过第五预设公式计算所述泄漏信号到达所述第二传感器和第三传感器的延时，通过第六预设公式计算所述泄漏信号到达所述第二传感器和第四传感器的延时；

所述第三预设公式为：

所述第四预设公式为：

所述第五预设公式为：

所述第六预设公式为：

其中，d₁₃为第一传感器和第三传感器之间的距离，d₁₄为第一传感器和第四传感器之间的距离，d₂₃为第二传感器和第三传感器之间的距离，d₂₄为第二传感器和第四传感器之间的距离，d为泄漏点与第一传感器之间的距离，c₁和c₂为所述泄漏信号沿管道上下游传播的速度计算值；

将第一传感器、第三传感器以及第四传感器构成第一三元子阵，将第二传感器、第三传感器以及第四传感器构成第二三元子阵，并对应构造对应于所述第一三元子阵的第一延时向量τ₁＝[0,τ₁₃,τ₁₄]^T、以及所述第二三元子阵的第二延时向量τ₂＝[0,τ₂₃,τ₂₄]^T；

使用所述第一延时向量或所述第二延时向量对所述第一三元子阵或所述第二三元子阵的输出信号进行延迟求和处理，将泄漏点与第一传感器之间的距离d作为自变量来计算延迟求和输出在d上的分布，搜索所述第一三元子阵或所述第二三元子阵的延迟求和输出峰值对应的d值即为泄漏点与第一传感器之间的计算距离，通过所述计算距离即可得出所述目标管道上发生泄漏的位置。

在一实施例中，所述泄漏信号为泄漏位置发出的声波信号，所述传感器采集所述声波信号的时域波形后将所述时域波形信息发送至所述信号处理终端。

在一实施例中，所述传感器的频响范围为最低频率不高于10Hz、最高频率不低于10kHz。

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延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其采用先计算上下游声速再带入延时表达式搜索延迟求和输出峰值的方法，避免使用理论速度模型造成定位误差，实现对管道泄漏位置的精确定位，以四元线性阵列为例，以下将第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器分称为传感器1、传感器2、传感器3和传感器4，将传感器1、2布置于一段管道的一端，传感器3、4布置于该段管道的另一端，构成4元线性阵列，所述信号经采集仪后有由信号处理PC完成处理并输出定位结果。

其中，4元线性阵列由4枚加速度传感器构成，频响范围1Hz～15kHz，所述管道发生泄漏并伴随泄漏声波信号产生，传感器1距离泄漏点距离为2.50m，即实际泄漏位置d取2.50m，传感器1、2的距离d₁₂为1.08m，传感器1、3的距离d₁₃为4.33m，传感器1、4的距离d₁₄为5.43m，传感器2、3的距离d₂₃为3.25m，传感器2、4的距离d₂₄为4.35m，传感器3、4的距离d₃₄为1.10m。

进一步的，得到

对传感器1、2所构成2元阵列进行延迟求和，得到延时估计结果如图4所示，结合τ₁₂表达式可计算得c₁＝317.6m/s。同理，对传感器3、4所构成2元阵列进行延迟求和，得到延时估计结果如图5所示，结合τ₃₄表达式可计算得c₂＝550.0m/s。

进一步的，将c₁＝317.6m/s，c₂＝550.0m/s带入所述延时τ₁₃、τ₁₄的表达式可得

进一步的，使用延时向量τ₁＝[0,τ₁₃,τ₁₄]^T对子阵1(由传感器1、3和4构成)输出信号进行延迟求和处理，得到延迟求和输出如图6所示，泄漏位置d的定位结果为2.39m。

在一实施例中，将所述目标管道划分为若干分段，每个所述分段两端分别安置传感器构建传感器阵列，相邻的所述分段的公共端的传感器共用。

具体地，将所述管道划分为多段，以每段管道两端按4元线性阵列布置传感器为例，相邻两段管道的公共端共用两个传感器，当某段管道发生泄漏时，泄漏点位于该段管道两端的传感器1、2和传感器3、4之间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，包括：

在目标管道上构建传感器阵列；

若发生管道泄漏，通过所述传感器阵列中的每个传感器采集泄漏信号，并将所述泄漏信号发送至信号处理终端；

所述信号处理终端使用延迟求和法计算所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度；

将所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出所述目标管道上发生泄漏的位置。

2.根据权利要求1所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述在目标管道上构建传感器阵列包括在所述目标管道的两端外壁处分别布置预定个数的传感器。

3.根据权利要求2所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述在所述目标管道的两端外壁处分别布置预定个数的传感器包括：

在所述目标管道的一端的管道外壁布置第一传感器和第二传感器，在所述目标管道的另一端的管道外壁布置第三传感器和第四传感器，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器和第四传感器分别布置于不同的位置，构成一个四元线性阵列。

4.根据权利要求3所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述信号处理终端使用延迟求和法计算所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度包括：

通过第一预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第二传感器的延时，通过第二预设公式计算所述泄漏信号到达所述第三传感器和第四传感器的延时；

所述第一预设公式为：

所述第二预设公式为：

其中，d₁₂为第一传感器和第二传感器之间的距离，d₃₄为第三传感器和第四传感器的距离，c₁为泄漏信号向第一传感器、第二传感器传播的速度，c₂为泄漏信号向第三传感器、第四传感器传播的速度；

将第一传感器信号作为参考信号，使用延时τ₁₂对第二传感器信号进行延时处理并与第一传感器信号相加，得到第一传感器和第二传感器的延迟求和输出，将第四传感器作为参考传感器，使用延时τ₃₄对第三传感器信号进行延时处理并与第四传感器信号相加，得到第三传感器和第四传感器的延迟求和输出；

分别将速度作为自变量来计算延迟求和输出在速度上的分布，搜索得到输出峰值对应的速度值作为泄漏信号沿管道上下游传播的速度计算值。

5.根据权利要求4所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述将所述泄漏信号的声波沿目标管道上下游传播的速度带入延时表达式，再采用延迟求和法计算出所述目标管道上发生泄漏的位置包括：

通过第三预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第三传感器的延时，通过第四预设公式计算所述泄漏信号到达所述第一传感器和第四传感器的延时，通过第五预设公式计算所述泄漏信号到达所述第二传感器和第三传感器的延时，通过第六预设公式计算所述泄漏信号到达所述第二传感器和第四传感器的延时；

所述第三预设公式为：

所述第四预设公式为：

所述第五预设公式为：

所述第六预设公式为：

其中，d₁₃为第一传感器和第三传感器之间的距离，d₁₄为第一传感器和第四传感器之间的距离，d₂₃为第二传感器和第三传感器之间的距离，d₂₄为第二传感器和第四传感器之间的距离，d为泄漏点与第一传感器之间的距离，c₁和c₂为所述泄漏信号沿管道上下游传播的速度计算值；

将第一传感器、第三传感器以及第四传感器构成第一三元子阵，将第二传感器、第三传感器以及第四传感器构成第二三元子阵，并对应构造对应于所述第一三元子阵的第一延时向量τ₁＝[0,τ₁₃,τ₁₄]^T、以及所述第二三元子阵的第二延时向量τ₂＝[0,τ₂₃,τ₂₄]^T；

使用所述第一延时向量或所述第二延时向量对所述第一三元子阵或所述第二三元子阵的输出信号进行延迟求和处理，将泄漏点与第一传感器之间的距离d作为自变量来计算延迟求和输出在d上的分布，搜索所述第一三元子阵或所述第二三元子阵的延迟求和输出峰值对应的d值即为泄漏点与第一传感器之间的计算距离，通过所述计算距离即可得出所述目标管道上发生泄漏的位置。

6.根据权利要求1所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述泄漏信号为泄漏位置发出的声波信号，所述传感器采集所述声波信号的时域波形后将所述时域波形信息发送至所述信号处理终端。

7.根据权利要求6所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，所述传感器的频响范围为最低频率不高于10Hz、最高频率不低于10kHz。

8.根据权利要求1所述的基于延迟求和的管道泄漏声波定位方法，其特征在于，将所述目标管道划分为若干分段，每个所述分段两端分别安置传感器构建传感器阵列，相邻的所述分段的公共端的传感器共用。

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