CN111350948A - 一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，其包括成直线排列布置一个参考传感器和多个辅助传感器构建传感器阵列；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，并发送至信号处理终端；信号处理终端采用除自谱的互功率谱波束形成算法对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合计算并输出定位结果。通过传感器阵列对所述管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合估计，从而避免采用理论速度模型对复杂管道环境下波速进行估计所产生的误差，实现对管道泄漏位置的精确定位。

Description

一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法

技术领域

本发明涉及管道泄漏定位技术领域，尤其涉及一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法。

背景技术

近年来，管道运输作为一种重要的能源运输方式(世界上100％的天然气、85％的原油通过管道运输)，为能源运输带来便利的同时也不可避免的增加了安全隐患。为实现安全可持续发展，有必要对燃气管网泄漏进行准确定位，及时排除安全隐患。

管道泄漏声波定位方法以其较好的综合性能得到日益广泛的研究和应用，其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，结合传感器间距和波速即可计算出泄漏位置。现有声波法属于一种两步定位方法，实际为次最优声源位置估计过程。该方法的定位误差仍较大，影响因素主要有：(1)延时估计误差，主要由背景噪声干扰和延时估计函数自身性能不佳所引起，Liu等建立了用于提取泄漏信号特征的降噪***；(2)理论波速误差，由于管道环境复杂以及管内气体介质的流动，很难对沿管道传播的泄漏声波进行精确的理论波速估计，Li等提出一种基于时频谱的定位方法，提取非频散导波模态信号的互功率谱，从而实现对速度随频率变化的泄漏信号定位。

现有声波法一般基于双传感器进行延时估计和定位，可看作基于2元线性阵列的波达时差法。相较于波达时差法，高分辨率谱估计法和波束形成法的定位精度更高、抗干扰能力更强。但较多的阵元数目需求和混响干扰的存在限制了高分辨率谱估计法的实际应用效果。而常规波束形成法则直接以延时补偿的方式进行加权，无需信源与噪声的先验知识，实际应用简单方便。

据此，目前急需一种基于波束形成的管道泄漏位置-波速联合估计方法，避免理论波速模型的误差，提升声波法的抗干扰能力，实现对泄漏位置的精确定位。

发明内容

本发明提供了一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，旨在避免采用理论速度模型对复杂管道环境下波速进行估计所产生的误差，实现对管道泄漏位置的精确定位。

本发明提供了一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，其包括。

在目标管道的一端外壁处布置一个参考传感器，在所述目标管道的另一端外壁处间隔布置多个辅助传感器，所述多个辅助传感器与所述参考传感器成直线排列构成一个多元线性传感器阵列；

若发生管道泄漏，通过所述多元线性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；

所述信号处理终端采用除自谱的互功率谱波束形成算法对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合计算并输出对所述管道泄漏位置的定位结果。

本发明实施例通过传感器阵列对所述管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合估计，从而避免采用理论速度模型对复杂管道环境下波速进行估计所产生的误差，实现对管道泄漏位置的精确定位。

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波束形成的管道泄漏位置计算方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法的定位原理示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法的波束形成输出在泄漏位置上的分布图；

图4是本发明实施例提供的一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法的波束形成输出在波速上的分布图。

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波束形成的管道泄漏位置计算方法的流程示意图，该基于波束形成的管道泄漏位置计算方法包括以下步骤S101-S104。

步骤S101：在目标管道的一端外壁处布置一个参考传感器，在目标管道的另一端外壁处间隔布置多个辅助传感器，多个辅助传感器与所述参考传感器成直线排列构成一个多元线性传感器阵列。

具体地，将传感器阵列沿直线布置于管道外壁；所述步骤一具体为：将1个传感器布置于管道一端的管道外壁，记为参考传感器，另外M-1个传感器布置于管道另一端的管道外壁，记为传感器m(1≤m≤M-1)，传感器1～M-1按距离参考传感器远近顺次排列，其中传感器1距离参考传感器最近，传感器M-1距离参考传感器最远，所述M个传感器构成一个M元线性阵列。

步骤S102：若发生管道泄漏，通过多元线性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。

具体地，所述泄漏信号沿管壁介质传播至各传感器，由所述传感器采集泄漏信号的时域波形，经采集仪发送至信号处理PC。

步骤S103：所述信号处理终端采用除自谱的互功率谱波束形成算法对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合计算并输出对所述管道泄漏位置的定位结果。

具体地，通过传感器阵列对所述管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合估计，从而避免采用理论速度模型对复杂管道环境下波速进行估计所产生的误差，实现对管道泄漏位置的精确定位。

在一实施例中，信号处理终端采用波束形成算法对阵列的所述泄漏信号进行分析处理并输出定位结果包括：

构建延时向量对所述辅助传感器的输出信号进行延时补偿；

所述延时向量为：τ＝[τ₁,τ₂,…,τ_M-1]^T

其中，L_m为辅助传感器m与参考传感器的距离，M-1为所述辅助传感器的个数，c为波速，d为泄漏位置与所述参考传感器的距离；

对经过所述延时补偿后的所述辅助传感器的输出信号求互功率谱，并去除自谱元素，得到除自谱的互功率谱波束形成输出；

对所述波束形成输出搜索峰值并得到定位结果。

在一实施例中，所述对经过所述延时补偿后的所述辅助传感器的输出信号求互功率谱，并去除自谱元素，得到除自谱的互功率谱波束形成输出包括：

根据互功率谱计算公式对所述多元线性传感器阵列的各个阵元的加权输出求互功率谱；

所述互功率谱计算公式为：

其中，

为阵元m、n信号互功率谱，p_m(ω)表示阵元m所接收信号的频域表达式，exp(-jωτm)为阵元m信号延时因子，m,n＝1,2,3,...,M-1，m＝n时，Cnm实际构成某个阵元信号的自功率谱；

根据除自谱的互功率谱波束形成输出计算公式得到除自谱的互功率谱波束形成输出；

所述除自谱的互功率谱波束形成输出计算公式为：

具体地，在阵列信号处理技术中，波束形成可用作空域滤波和波达方向估计，其实质是对阵元输出加权从而达到增强期望信号、抑制干扰信号的作用。常规波束形成通过延时补偿的方式进行阵元输出加权，当聚焦方向与实际信源方向重合时即可形成最大输出，搜索输出峰值点并反演波达方向即可完成定位。以一维M元线性阵列为例，其中一个阵元作为参考阵元，其余M-1个阵元的加权求和输出可表示为：

m＝1,2,3,...,M-1

其中pm(ω)表示阵元m所接收信号的频域表达式，τ＝[τ1,τ2,…,τM-1]T为延时向量，exp(-jωτm)为阵元m信号延时因子。对各阵元的加权输出求互功率谱得

m,n＝1,2,3,...,M-1

其中

为阵元m、n信号互功率谱。m＝n时Cnm实际构成某个阵元信号的自功率谱，去除自谱元素可有效降低不相关噪声的干扰。得到除自谱的互功率谱波束形成输出为

m,n＝1,2,3,...,M-1

搜索互功率谱波束形成输出函数V’(τ,ω)最大值对应的延时向量τ，即为实际各传感器信号相对于参考传感器的延时所构成向量。各传感器阵元位置已知，则延时向量τ由信源的可观测位置参数和信号波速决定。实际定位过程中，位置参数由阵列构型和信源模型决定，其中一维线性阵列可观测阵列所在直线上信源相对参考阵元的距离。

将除自谱的互功率谱波束形成应用到管道泄漏声波定位中，即转化为基于一维线性阵列的泄漏声源定位问题。基于传感器阵列的定位方法通过信号到达不同传感器的延时来反演声源位置，参考传感器的选取必须满足所有传感器与参考传感器的延时均与泄漏位置相关这一条件。图2为定位原理示意图，使用线性阵列对阵列所在直线上的泄漏位置进行定位时，位于泄漏点同侧的两个传感器信号延时与泄漏位置无关(仅由两个传感器的间距决定)，仅当两个传感器位于泄漏点不同侧时延时才与位置相关。因此，图2中参考传感器布置于管道左端，传感器1～M-1布置于管道右端。由图2几何关系可知，传感器m相对于参考传感器的延时τm可表示为：

m＝1,2,3,...,M-1

其中，Lm为传感器m与参考传感器的距离，c为波速，d为泄漏位置与参考传感器的距离。此时延时向量τ是与泄漏位置d和波速c同时相关的变量，将其带入V’(τ,ω)的表达式并搜索波束形成输出峰值即可得到泄漏位置和波速的联合估计结果。

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7元线性阵列为例对本实施例作进一步的说明，将7元线性阵列布置于管道外壁并采集泄漏信号，由信号处理PC完成信号处理并输出定位结果。

7元线性阵列由7枚加速度传感器构成，频响范围1Hz～15kHz，参考传感器布置于一个管道区段的一端，其余6个辅助传感器布置于所述区段的另一端，且所述区段内发生了管道泄漏并伴随泄漏声波信号产生，参考传感器距离泄漏位置2.45m，即实际泄漏位置d取2.45m，传感器1～6与参考传感器的距离分别取5.00m、5.20m、5.40m、5.60m、5.80m、6.00m，即传感器1～6的间距为0.20m。

进一步的，将

L1＝5.00m，L2＝5.20m，L3＝5.40m，L4＝5.60m，L5＝5.80m，L6＝6.00m

带入下列公式，

得

进一步的，将τ＝[τ1,τ2,τ3,，τ4，τ5，τ6]T带入下列公式，

m,n＝1,2,3,4,5,6

得到除自谱的互功率谱波束形成输出V’(τ,ω)，其中，波束形成输出V’(τ,ω)在泄漏位置d上的分布如图3所示,在波束c上的分布如图4所示，由图3-4可得泄漏位置d的估计值取2.43m，波速c的估计值取1680m/s，据此，所述管道泄漏位置-波速联合估计结果为：泄漏位置与参考传感器的距离为2.43m。

综上所述，本发明将除自谱的互功率谱波束形成法应用到管道泄漏声波定位中，使其能够对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合估计，它主要包括以下步骤：对所述管道划分区段，将传感器阵列布置于管道外壁，其中，参考传感器布置于每个区段的一端，其余传感器布置于另一端，所述泄漏信号沿管壁介质传播至各传感器，由所述传感器采集泄漏信号的时域波形，经采集仪发送至信号处理PC，最后由信号处理PC基于除自谱的互功率谱波束形成算法对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合估计，从而完成对所述管道泄漏位置的定位。

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 (5)

1.一种基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，其特征在于，包括：

在目标管道的一端外壁处布置一个参考传感器，在所述目标管道的另一端外壁处间隔布置多个辅助传感器，所述多个辅助传感器与所述参考传感器成直线排列构成一个多元线性传感器阵列；

若发生管道泄漏，通过所述多元线性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；

所述信号处理终端采用除自谱的互功率谱波束形成算法对管道泄漏所产生声源位置和声波信号沿管道传播的速度进行联合计算并输出对所述管道泄漏位置的定位结果。

2.根据权利要求1所述的基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，其特征在于，所述信号处理终端采用波束形成算法对阵列的所述泄漏信号进行分析处理并输出定位结果包括：

构建延时向量对所述辅助传感器的输出信号进行延时补偿；

所述延时向量为：τ＝[τ₁,τ₂,…,τ_M-1]^T

其中，L_m为辅助传感器m与参考传感器的距离，M-1为所述辅助传感器的个数，c为波速，d为泄漏位置与所述参考传感器的距离；

对经过所述延时补偿后的所述辅助传感器的输出信号求互功率谱，并去除自谱元素，得到除自谱的互功率谱波束形成输出；

对所述波束形成输出搜索峰值并得到定位结果。

3.根据权利要求2所述的基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，其特征在于，所述对经过所述延时补偿后的所述辅助传感器的输出信号求互功率谱，并去除自谱元素，得到除自谱的互功率谱波束形成输出包括：

根据互功率谱计算公式对所述多元线性传感器阵列的各个阵元的加权输出求互功率谱；

所述互功率谱计算公式为：

其中，

为阵元m、n信号互功率谱，p_m(ω)表示阵元m所接收信号的频域表达式，exp(-jωτm)为阵元m信号延时因子，m,n＝1,2,3,...,M-1，m＝n时，Cnm实际构成某个阵元信号的自功率谱；

根据除自谱的互功率谱波束形成输出计算公式得到除自谱的互功率谱波束形成输出；

所述除自谱的互功率谱波束形成输出计算公式为：

4.根据权利要求1所述的基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，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。

5.根据权利要求4所述的基于波束形成的管道泄漏位置计算方法，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。

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