CN114909610B - 一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法及控制系统，包括信号采集模块、声场建模模块、信号处理模块，该方法为基于仿真声场模型的近场波束形成定位方法，基于几何声学的虚声源法，根据球面声波传播原理，通过建立特定水域空间的仿真声场模型，提取声场中不同位置的相位信息，以声场模型得到的相位信息作为延时校准的依据，采用近场波束形成方法进行空域滤波，提高泄漏气泡声信噪比以实现油气管道泄漏检测与定位。本发明能够有效解决水下油气管道泄漏检测与定位的技术难题，相比传统的管道泄漏的检测方法，具有更强的实用性，更高的定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及水声探测技术领域，涉及一种声信号处理定位方法，具体涉及一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法及控制系统。
背景技术
海底油气管道是目前最广泛使用的石油、燃气资源远距离跨洋运输方式，但海底油气管道施工成本高，负收益高，一旦发生外力破坏或海水侵蚀导致的管道泄漏，轻则会造成资源流失，重则会导致石油燃气输送作业中断。同时，管道泄漏带来的石油污染物，在洋流作用下会进一步扩大污染范围，对进出海面的船舶与周围生态造成严重的影响。因此，为保障海底管道的长期安全运行，确保发生管道泄漏时能够及时定位到泄漏点，开展海底管道泄漏的在线检测是十分必要的。
目前，管道泄漏的检测方法主要有：
(1)直接检测法：利用探测器对管道上及管道周围的特征参数进行检测，具体分为检漏电缆法、传感光缆法、红外线法、探地雷达法等；
(2)间接检测法：通过监测管道的运行参数(如压力、流量、温度等)估计泄漏，具体分为质量平衡法、压力梯度法、负压波检漏法等。
但是，以上检测方法仅适用于陆地上的管道检测。由于电磁波在水下传播特性差，直接检测法很难将探测器应用到水下。间接检测法中的压力、流量等传感器受限于复杂的海洋环境，实际工程中难以长期有效工作。
采用水声传感器检测海底油气管道能够克服传统检测方法的局限性。声波在水下具有良好的传播特性，能够实现稳定的信号传输，目前，水声传感器被广泛应用于水下探测及通信。通过将传感器串联成阵列，采用阵列信号处理技术实现空域滤波，以此提高信噪比来检测微弱的泄露气泡声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，基于几何声学的虚声源法，根据球面声波传播原理，通过建立特定水域空间的仿真声场模型，提取声场中不同位置的相位信息，以获得的相位信息作为延时校准的依据，采用近场波束形成方法进行空域滤波，提高泄漏气泡声信噪比从而解决泄漏检测与定位的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，在油气管道所处的水域空间内设置n个水声传感器阵列单元，n为正整数，n≥2，将所述油气管道分为m个声源点，m为正整数，m≥2，当所述油气管道发生泄漏时，对于水域空间内处于所述油气管道上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，所述水下油气管道泄漏检测与定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对水声传感器阵列单元接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；
步骤二：计算水域空间内处于所述油气管道上的任意位置因各声源点直达波作用而产生的第一声场信息；
步骤三：根据虚声源法原理，建立声源点相对于水域空间边界的虚声源，所述水域空间边界为任意实际边界环境，根据虚声源位置计算水域空间内处于所述油气管道上的任意位置的一次反射声场信息；
步骤四：根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间内处于所述油气管道上的任意位置的二次反射声场信息；
步骤五：将所述步骤二、所述步骤三、所述步骤四中的声场叠加，计算相位角；
步骤六：以所述步骤五计算结果作为延时校准依据，采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点进行波束扫描，获得空间滤波输出；
步骤七：比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述步骤六的空间滤波输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位。
进一步的，所述步骤一中对水声传感器阵列单元接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号。
进一步的，所述步骤二中所述各声源点产生的直达波作用下的声场计算方法为：P(m,x,y)＝Aej(ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小。
进一步的，所述步骤三中所述一阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P'i(m,x,y)＝RiAej(ωt-kr)/r'i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r'i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P'i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的虚声源作用下的一次反射声压。
进一步的，所述步骤四中所述二阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P”ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r”ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r”ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P”ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压。
进一步的，所述步骤六中所述波束扫描计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出。
为实现本发明的目的，本发明还提供一种水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，在油气管道所处的水域空间内设置n个水声传感器阵列单元，n为正整数，n≥2，将所述油气管道分为m个声源点，m为正整数，m≥2，当所述油气管道发生泄漏时，对于水域空间内处于油气管道上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，其特征在于，包括信号采集模块、声场建模模块、信号处理模块；所述信号采集模块包括布放在指定水域空间内的至少两个水声传感器阵列单元，采集水下噪声数据；所述声场建模模块以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，采用近场波束形成方法分析油气管道不同位置处的声压级，以此判断泄漏点；所述信号处理模块用于分析泄漏气泡声的声学特性，根据泄漏气泡声特性以及频域分析结果提取泄漏气泡主要作用频段的频带信息，进行通道间信号强度的对比，并进行定位，判断泄漏点位置。
进一步的，所述信号处理模块包括时频分析模块，方位估计，近场聚焦定位，信号能量分布，所述时频分析模块，采用傅里叶变换方法对水声传感器阵列单元接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；所述对水声传感器阵列单元接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号。
进一步的，所述声场建模模块采用虚声源法，对指定水域空间进行声场建模，提取声场模型的相位信息，水域空间内处于所述油气管道上的任意位置因各声源点直达波作用而产生的第一声场信息；根据虚声源法原理，建立声源点相对于水域空间边界的虚声源，所述水域空间边界为任意实际边界环境，根据虚声源位置计算水域空间内处于所述油气管道上的任意位置的一次反射声场信息；根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间内处于所述油气管道上的任意位置的二次反射声场信息；将上述获得的水域空间内处于所述油气管道上的坐标位置(x,y)因各声源点直达波作用而产生的第一声场信息、根据虚声源位置获得的水域空间内处于所述油气管道上的坐标位置(x,y)的一次反射声场信息、根据二阶虚声源位置获得的水域空间内处于所述油气管道上的坐标位置(x,y)的二次反射声场信息叠加，计算得到相位角；以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点进行波束扫描，获得空间滤波输出；结合阵列采集的噪声数据进行波束形成处理；比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述第m个声源点位置处的空间滤波的输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位；
其中，所述各声源点产生的直达波作用下的第一声场信息计算方法为：P(m,x,y)＝Aej(ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小；
其中，所述一阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P'i(m,x,y)＝RiAej(ωt-kr)/r'i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r'i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P'i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的虚声源作用下的一次反射声压；
其中，所述二阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P”ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r”ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r”ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P”ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压；
其中，所述波束扫描计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出。
优选的，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，还包括波束形成模块，用于分析整个平面空间的能量分布，适用范围更广。
优选的，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，还包括阵元状态模块，用于实时监测阵元的工作状态，可设定阈值，当有效阵元数较低时，发出预警。
本发明提供的一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法及控制系统，基于几何声学的虚声源法，根据球面声波传播原理，通过建立特定水域空间的仿真声场模型，提取声场中不同位置的相位信息，以获得的相位信息作为延时校准的依据，采用近场波束形成方法进行空域滤波，提高泄漏气泡声信噪比从而解决泄漏检测与定位的技术问题。与现有技术相比，本发明的有益效果是：能够有效解决水下油气管道泄漏检测与定位的技术难题，具有更强的实用性，且定位精度高。本发明能够有效解决水下油气管道泄漏检测与定位的技术问题，相比传统的管道泄漏的检测方法，具有更强的实用性，更高的定位精度。
1、采用水声传感器检测油气管道泄漏有效克服传统检测方法局限性由于声波在水下具有良好的传播特性，能够实现稳定的信号传输。
2、即使泄漏气泡声能量较小，光纤传感器单元灵敏度高，能够检测微弱信号。
3、采用阵列信号联合处理，增加气泡声信噪比，显著提高定位精度。
4、将声场仿真应用到阵列信号处理，提高相位补偿的准确性，显著提高定位精度。
附图说明
图1是本发明提供的水下油气管道与水声传感器阵列布放示意图；
图2是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统原理图；
图3是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统显控操作流程图；
图4是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位系统的显控界面实施实例图；
图5是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位系统的显控界面实施实例图中时频分析图；
图6是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位系统的显控界面实施实例图中方位估计图；
图7是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位系统的显控界面实施实例图中近场聚焦图；
图8是本发明提供的水下油气管道泄漏检测与定位系统的显控界面实施实例图中能量分布图；
附图标记说明：
1：水域空间；2：水声传感器阵列单元；3：油气管道；4：声源点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，在油气管道3所处的水域空间1内设置n个水声传感器阵列单元2，根据水域空间以及油气管道实际情况设置n的取值，n为正整数，n≥2，将所述油气管道3分为m个声源点，根据水域空间以及油气管道实际情况设置m的取值，m为正整数，m≥2，m取值越大，对于泄露点定位精度则越高；相邻声源点的位置之间等距离设置或不等距离设置均可，优选的，相邻声源点的位置之间等距离设置；当所述油气管道3发生泄漏时，对于水域空间1内处于油气管道3上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，本发明提供的一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，泄漏检测与定位方法包括如下步骤：
步骤一：采用傅里叶变换方法对水声传感器阵列单元2接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；所述对水声传感器阵列单元2接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；
步骤二：计算水域空间1内处于油气管道上的任意位置因各声源点4直达波作用而产生的第一声场信息；所述各声源点4产生的直达波作用下的声场计算方法为：P(m,x,y)＝Aej (ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小；
步骤三：根据虚声源法原理，建立声源点4相对于水域空间1边界的虚声源，所述水域空间1边界为任意实际边界环境，根据虚声源位置计算水域空间1内处于油气管道上的任意位置的一次反射声场信息；一阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P'i(m,x,y)＝RiAej (ωt-kr)/r'i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r'i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P'i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的虚声源作用下的一次反射声压；
步骤四：根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间1边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间1内处于油气管道3上的任意位置的二次反射声场信息；二阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P”ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r”ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r”ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P”ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压；
步骤五：将所述步骤二、所述步骤三、所述步骤四中的声场叠加，计算相位角；
步骤六：以所述步骤五计算结果作为延时校准依据，采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点4进行波束扫描，获得空间滤波输出；所述波束扫描计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出；
步骤七：比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述步骤六的空间滤波输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位。
如图1所示，在油气管道3所处的水域空间1内设置n个水声传感器阵列单元2，根据水域空间以及油气管道实际情况设置n的取值，n为正整数，n≥2，将所述油气管道3分为m个声源点，根据水域空间以及油气管道实际情况设置m的取值，m为正整数，m≥2，m取值越大，对于泄露点定位精度则越高；相邻声源点的位置之间等距离设置或不等距离设置均可，优选的，相邻声源点的位置之间等距离设置；当所述油气管道3发生泄漏时，对于水域空间1内处于油气管道3上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，为实现本发明的目的，本发明还提供一种水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，如图2所示，包括信号采集模块、声场建模模块、信号处理模块；所述信号采集模块包括布放在指定水域空间1内的至少两个水声传感器阵列单元2，采集水下噪声数据；所述声场建模模块以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，采用近场波束形成方法分析油气管道不同位置处的声压级，以此判断泄漏点；所述信号处理模块包括时频分析模块，方位估计，近场聚焦定位，信号能量分布，用于分析泄漏气泡声的声学特性，根据泄漏气泡声特性以及频域分析结果提取泄漏气泡主要作用频段的频带信息，进行通道间信号强度的对比，并进行定位，判断泄漏点位置；
所述时频分析模块，采用傅里叶变换方法对水声传感器阵列单元2接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；所述对水声传感器阵列单元2接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；
所述声场建模模块采用虚声源法，对指定水域空间1进行声场建模，提取声场模型的相位信息，结合阵列采集的噪声数据进行波束形成处理；所述声场建模模块包括每个单元的声压级分析模块，用于实时反应各个单元声压级大小；
获得水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)因各声源点4直达波作用而产生的第一声场信息；所述各声源点4产生的直达波作用下的第一声场信息计算方法为：P(m,x,y)＝Aej(ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小；
根据虚声源法原理，建立声源点4相对于水域空间1边界的虚声源，所述水域空间1边界为任意实际边界环境，根据虚声源位置计算水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)的一次反射声场信息；一阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P'i(m,x,y)＝RiAej (ωt-kr)/r'i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r'i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P'i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的虚声源作用下的一次反射声压；
根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间1边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)的二次反射声场信息；二阶虚声源点作用下的声场计算方法为：P”ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r”ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r”ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P”ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压；
将上述获得的水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)因各声源点4直达波作用而产生的第一声场信息、根据虚声源位置获得的水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)的一次反射声场信息、根据二阶虚声源位置获得的水域空间1内处于油气管道上的坐标位置(x,y)的二次反射声场信息叠加，计算得到相位角；以声场模型计算得到的相位信息代替常规的近场相位补偿，使计算结果更准确；
以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，根据时频分析选择波束形成的主要频带，最终得到方位角估计信息以及泄漏点的近场聚焦定位，判断泄漏点位置；采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点4进行波束扫描，获得空间滤波输出；所述波束扫描计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出；
将定位结果与通道间信号强度对比进行结合，比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述第m个声源点位置处的空间滤波的输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位；
优选的，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统包括波束形成模块，用于分析整个平面空间的能量分布，适用范围更广；优选的，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统包括阵元状态模块，用于实时监测阵元的工作状态，可设定阈值，当有效阵元数较低时，发出预警；
实施例：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，在某船坞内油气管道3所处的水域空间1内布放一条由6个水声传感器阵列单元2组成的阵列，用于监测油气管道3泄漏声；本系统可选为基于一块工控机板卡，尺寸小，适装性强；通过软件编程可实现对工控机无线控制以及数据实时收发、处理能力；声信号处理方面，通过编程将接收数据进行一系列运算，得到声场模型、声强、方位等信息，并返回运算结果；同时，给系统预留输入参数接口，能够满足不同时长、不同频段等多种处理需求；流程图如图2所示，传感器阵列接收信号经信号解调装置转换为水声信号，通过软件编程实现网络数据传输，运行声信号处理系统；在结合声场仿真计算得到的相位信息进行声信号处理，最后将得到的近场波束形成等信息输出到显控界面上，由此判断泄漏点位置；
为了简化操作，实现良好的人机互动模式，为系统编写了一套显控界面，集成了数据传输、计算、结果返回等功能；计算后，将数据处理结果显示在界面上，包括时频分析、方位估计、信号能量分布、近场聚焦定位等；通过检测阈值及波束形成定位结果判断泄漏点位置；可调整的参数包括：听音频段，实时播放该频段内的声信号；积分处理时长：每次计算处理所选取的数据样本长度；算法选择：包括常规算法、自适应算法等；信号处理频段：波束形成选择的频段范围；可根据阵列信息、环境等因素选择合适的输入参数；系统在支持实时在线处理的同时，存储原始解调数据，可用于进行历史数据回放处理；另外，显控集成了阵元预警功能；通过设定阈值，当失效阵元数超过阈值，会发出预警；最后，计算结果显示在显控界面上，如图4所示；参数调整部分，设置听音频段、积分处理时长、算法选择、信号处理频段；听音频段0表示全频段，算法选择1和2分别是自适应算法和常规波束形成算法；如图5至图8所示，分别为信号处理模块中时频分析、方位估计、近场聚焦定位、能量分布的结果显示；根据计算结果所示，泄漏点位于x＝30m，y＝40m处附近，泄漏声频率主要分布于500Hz以内。
本发明提供的一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法及控制系统，基于几何声学的虚声源法，根据球面声波传播原理，通过建立特定水域空间的仿真声场模型，提取声场中不同位置的相位信息，以获得的相位信息作为延时校准的依据，采用近场波束形成方法进行空域滤波，提高泄漏气泡声信噪比从而解决泄漏检测与定位的技术难题，并且定位精度高。
Claims (6)
1.一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，在油气管道(3)所处的水域空间(1)内设置n个水声传感器阵列单元(2)，n为正整数，n≥2，将所述油气管道(3)分为m个声源点(4)，m为正整数，m≥2，当所述油气管道(3)发生泄漏时，对于水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，所述水下油气管道泄漏检测与定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对水声传感器阵列单元(2)接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；
步骤二：计算水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置因各声源点(4)直达波作用而产生的第一声场信息；所述步骤二中所述各声源点(4)产生的直达波作用下的声场计算方法为：P(m,x,y)＝Aej(ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小；
步骤三：根据虚声源法原理，建立声源点(4)相对于水域空间(1)边界的一阶虚声源，所述水域空间(1)边界为任意实际边界环境，根据一阶虚声源位置计算水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置的一次反射声场信息；所述步骤三中所述一阶虚声源作用下的声场计算方法为：P′i(m,x,y)＝RiAej(ωt-kr)/r′i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r′i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的一阶虚声源位置到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P′i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的一阶虚声源作用下的一次反射声压；
步骤四：根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间(1)边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置的二次反射声场信息；
步骤五：将所述步骤二、所述步骤三、所述步骤四中的声场叠加，计算相位角；
步骤六：以所述步骤五计算结果作为延时校准依据，采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点(4)进行波束扫描，获得空间滤波输出；所述步骤六中所述波束扫描，计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出；
步骤七：比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述步骤六的空间滤波输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，其特征在于，所述步骤一中对水声传感器阵列单元(2)接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下油气管道泄漏检测与定位的方法，其特征在于，所述步骤四中所述二阶虚声源作用下的声场计算方法为：P″ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r″ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r″ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源位置到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P″ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压。
4.一种水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，在油气管道(3)所处的水域空间(1)内设置n个水声传感器阵列单元(2)，n为正整数，n≥2，将所述油气管道(3)分为m个声源点(4)，m为正整数，m≥2，当所述油气管道(3)发生泄漏时，对于水域空间(1)内处于油气管道(3)上的任意位置，其坐标位置设为(x,y)，所述水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，其特征在于，包括信号采集模块、声场建模模块、信号处理模块；所述信号采集模块包括布放在指定水域空间(1)内的至少两个水声传感器阵列单元(2)，采集水下噪声数据；所述声场建模模块以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，采用近场波束形成方法分析油气管道不同位置处的声压级，以此判断泄漏点；所述信号处理模块用于分析泄漏气泡声的声学特性，根据泄漏气泡声特性以及频域分析结果提取泄漏气泡主要作用频段的频带信息，进行通道间信号强度的对比，并进行定位，判断泄漏点位置；
所述信号处理模块包括时频分析模块，方位估计，近场聚焦定位，信号能量分布，所述时频分析模块，采用傅里叶变换方法对水声传感器阵列单元(2)接收到的声信号进行傅里叶变换，获得频域信号；分析频域特征，研究泄漏气泡声分布频段；所述对水声传感器阵列单元(2)接收到的声信号进行的傅里叶变换为：其中，n为所述水声传感器阵列上的单元序号，fn(t)为该单元接收到的时域信号，Fn(ω)为经过傅里叶变换后的频域信号；
所述声场建模模块采用虚声源法，对指定水域空间(1)进行声场建模，提取声场模型的相位信息，水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置因各声源点(4)直达波作用而产生的第一声场信息；根据虚声源法原理，建立声源点(4)相对于水域空间(1)边界的一阶虚声源，所述水域空间(1)边界为任意实际边界环境，根据一阶虚声源位置计算水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置的一次反射声场信息；根据一阶虚声源位置建立相对于水域空间(1)边界的二阶虚声源，根据二阶虚声源位置计算水域空间(1)内处于所述油气管道(3)上的任意位置的二次反射声场信息；
将上述计算获得的坐标位置(x,y)因各声源点(4)直达波作用而产生的第一声场信息、与上述根据一阶虚声源位置计算获得的坐标位置(x,y)的一次反射声场信息、以及上述根据二阶虚声源位置计算获得的坐标位置(x,y)的二次反射声场信息进行叠加，计算得到相位角；
以虚声源法建模仿真的声场中不同位置的相位信息作为延时校准依据，采用近场波束形成方法对油气管道上所有声源点(4)进行波束扫描，获得空间滤波输出；结合阵列采集的噪声数据进行波束形成处理；比较各个传感器单元接收声信号能量大小，结合所述第m个声源点位置处的空间滤波的输出结果SPLm，根据现场环境设定检测阈值，找出能量超出阈值的方位，判定为泄漏点位置，完成泄漏点的精确定位；
其中，所述各声源点(4)产生的直达波作用下的第一声场信息计算方法为：P(m,x,y)＝Aej (ωt-kr)/r(m,x,y)，其中，A为振幅，k为波数，r(m,x,y)为第m个声源点到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P(m,x,y)为此处直达波声压大小；
其中，所述一阶虚声源作用下的声场计算方法为：P′i(m,x,y)＝RiAej(ωt-kr)/r′i(m,x,y)，其中，Ri为边界i的反射系数，r′i(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i产生的一阶虚声源位置到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P′i(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i的一阶虚声源作用下的一次反射声压；
其中，所述二阶虚声源作用下的声场计算方法为：P″ij(m,x,y)＝RijAej(ωt-kr)/r″ij(m,x,y)，其中，Rij为边界i和边界j的反射系数，r″ij(m,x,y)为第m个声源点相对于边界i和边界j产生的二阶虚声源位置到达坐标位置(x,y)的直达波声程，P″ij(m,x,y)为该位置在第m个声源点相对于边界i和边界j的二阶虚声源作用下的二次反射声压；
其中，所述波束扫描，计算方法为：其中，θ(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器位置处的相位角，Sig(m,n)为第m个声源点作用下，第n个水声传感器接收到的声信号频域值，SPLm为计算得到的第m个声源点位置处的空间滤波输出。
5.根据权利要求4所述的一种水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，其特征在于，还包括波束形成模块，用于分析整个平面空间的能量分布。
6.根据权利要求4所述的一种水下油气管道泄漏检测与定位的控制系统，其特征在于，还包括阵元状态模块，用于实时监测阵元的工作状态，可设定阈值，当有效阵元数较低时，发出预警。
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