本發(fā)明屬于輸氣管道故障診斷技術領域，尤其涉及一種氣體管道泄漏聲發(fā)射定位方法。

背景技術：

天然氣作為燃料因熱值高、清潔，受到世界各國青睞。我國“十二五”規(guī)劃指出要增加天然氣消費，加快全國天然氣管道建設，到2015年95％以上城市用上天然氣。天然氣是易燃易爆有毒氣體，一旦發(fā)生管道泄漏，將威脅人們的生命財產(chǎn)安全。因此及時發(fā)現(xiàn)和定位天然氣管道泄漏，對社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前天然氣管道泄漏檢測方法主要有管內探測球法、光纖傳感器檢測法、聲學檢測法等。管內探測球法利用檢測球獲得管線內壁缺陷的詳細信息來檢測定位。但這種檢測方法一般適用于大口徑管道，對分支多，管徑多變的城市天然氣管道并不適合。光纖檢測法能快速檢測微小泄漏，定位精度高。但需要沿管線鋪設光纖，對已建管道須重新鋪設，成本較高。聲學檢測方法包括管內音波法和管外聲發(fā)射檢測法。管內音波法，將傳感器置于管道氣體內，通過檢測沿氣體傳播的泄漏聲信號來定位，檢測的信號形式簡單，聲速穩(wěn)定，通過相關時延定位準確。但這種方法須對管道進行打孔安裝傳感器，傳感器與管內氣體接觸要求傳感器耐高壓耐腐蝕。管外聲發(fā)射檢測方法通過采集管壁聲信號進行定位，傳感器安裝方便，泄漏信號易獲取，檢測成本低。氣體管道泄漏聲發(fā)射信號沿管道傳播能量主要集中在管壁。因此，管外聲發(fā)射檢測法對氣體管道泄漏檢測具有獨特的優(yōu)勢。

導波在管道內外兩邊界面的反射和折射會產(chǎn)生模態(tài)轉換，使導波有多種模態(tài)，泄漏信號組成形式復雜。導波在傳播過程中存在頻散，不同頻率的導波波速不同。導波的多模態(tài)特性和頻散特性使聲發(fā)射的傳播速度隨模態(tài)成分和頻率的不同而不同。對未經(jīng)分解的泄漏聲發(fā)射信號進行相關時延分析，并根據(jù)泄漏信號能量中起主要作用的模態(tài)導波波速計算定位，會產(chǎn)生較大的泄漏定位誤差。因此，提取泄漏信號中頻散小的單一模態(tài)導波進行相關定位非常重要。吳銀鋒、裴麗瑩等人提出利用小波變換提取氣體管道泄漏的高能量模態(tài)來進行相關時延定位，該方法通過實測聲速進行定位，需要3只以上傳感器檢測泄漏信號；Rewerts等分析充液管道中波傳播的頻散特性，解析泄漏信號由多種模態(tài)導波組成，通過對泄漏源兩端檢測的聲發(fā)射信號進行時間-頻率變換和時間-空間變換來提取信號的單一模態(tài)，對兩單一模態(tài)信號進行相關分析理論上實現(xiàn)泄漏聲發(fā)射源的準確定位，但該模態(tài)提取方法需要獲得兩檢測點附近±Δ范圍內的聲發(fā)射信號，即實際定位中泄漏源兩端的每個檢測點附近至少需要兩只傳感器同時采集信號；焦敬品、何存富等在Rewerts等人模態(tài)提取算法的基礎上，根據(jù)某處傳感器接收的導波波形可確定任意位置處的傳播波形的原理，利用兩只傳感器拾取泄漏信號實現(xiàn)聲發(fā)射單一模態(tài)定位，但實驗結果顯示對于充液管道泄漏，40m以內不同檢測距離下，定位相對誤差大多在4％以上，最高達13％，其定位誤差較大。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種氣體管道泄漏聲發(fā)射定位方法，根據(jù)導波理論，對檢測信號互譜加窗，提取泄漏源聲發(fā)射信號(簡稱泄漏源信號)中單一的且頻散小的模態(tài)的互譜；對單一模態(tài)導波的互譜進行傅立葉反變換，得到互相關函數(shù)，從而估計距離差，實現(xiàn)泄漏源定位；通過互譜加高斯窗提取單一模態(tài)成分進行定位，減少多模態(tài)導波干擾，降低泄漏源定位的誤差。

本發(fā)明是通過如下的技術方案來解決上述技術問題的：一種氣體管道泄漏聲發(fā)射定位方法，包括以下幾個步驟：

1、建立氣體管道泄漏源信號和檢測信號模型，檢測信號通過氣體管道泄漏聲發(fā)射檢測定位系統(tǒng)中泄漏源兩端的第一傳感器和第二傳感器進行采集，所述檢測信號包括泄漏源信號和噪聲信號；

2、對第一傳感器和第二傳感器采集到的檢測信號進行相關性分析，即互譜分析；

3、對檢測信號的互譜加高斯窗，提取泄漏源信號中單一模態(tài)導波成分的互譜，即獲得氣體管道泄漏源信號頻帶范圍內第i種模態(tài)導波成分的互譜；

4、泄漏源的定位：通過對第i種模態(tài)導波成分的互譜進行傅立葉反變換，獲得第一傳感器和第二傳感器檢測信號的互相關函數(shù)，從而計算第一傳感器和第二傳感器到泄漏源的距離，定位計算泄漏源的位置。

進一步的，所述氣體管道泄漏聲發(fā)射檢測定位系統(tǒng)包括輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。

進一步的，所述輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)包括依次連接的空氣壓縮機，儲氣罐以及氣體管道，所述氣體管道上設有放氣閥。

進一步的，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)包括依次連接的傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及信息處理中心，所述傳感器包括第一傳感器和第二傳感器，所述傳感器均安裝在氣體管道外壁上，用于采集沿氣體管壁傳播的泄漏源聲發(fā)射信號；所述前置放大器，用于放大傳感器的輸出信號；所述信息處理中心控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，并對采集到的信號進行分析處理、顯示和保存。

進一步的，所述檢測信號與氣體管內壓力、泄漏源孔徑、泄漏源到傳感器的傳播距離等因素有關。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所提供的氣體管道泄漏聲發(fā)射定位方法，通過檢測氣體管道泄漏聲發(fā)射，對泄漏點進行定位，對傳感器采集到的檢測信號互譜加高斯窗，提取泄漏源信號中單一且頻散小的模態(tài)成分，通過傳感器的互相關函數(shù)來定位泄漏源的位置，該定位方法減少了多模態(tài)導波的干擾，降低了泄漏源定位的誤差，提高了泄漏源定位精度，提高了氣體管道檢修的工作效率；所述定位方法采用LabVIEW開發(fā)平臺設計氣體管道泄漏聲發(fā)射檢測定位虛擬系統(tǒng)，通過選擇窗參數(shù)，即可提取出選定的單一模態(tài)成分，操作簡單，適用性強。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個實施例，對于本領域普通技術人員來說，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明不同氣體管內壓力下泄漏源信號頻譜圖；

圖3是本發(fā)明不同泄漏源孔徑下泄漏源信號頻譜圖；

圖4是本發(fā)明不同傳播距離下泄漏源信號頻譜圖；

圖5是本發(fā)明Φ26.9×2.8mm氣體管道頻散曲線圖；

圖6是本發(fā)明未經(jīng)分解的泄漏源信號定位估計的距離差圖；

圖7是本發(fā)明提取泄漏源信號中L(0,1)模態(tài)定位估計的距離差圖；

其中：1-第一傳感器，2-第二傳感器，3-泄漏源，4-氣體管道。

具體實施方式

下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種氣體管道泄漏聲發(fā)射定位方法，包括以下幾個步驟：

1、建立氣體管道泄漏源信號和檢測信號模型

氣體管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號由多模態(tài)導波組成，假設泄漏源信號含有n種模態(tài)導波，則泄漏源信號x(t)表示為：

其中，s_u(t)是泄漏源的第u種模態(tài)導波，泄漏源信號通過氣體管道外壁設置的多個傳感器來檢測，設泄漏源與其一側的第一傳感器的傳播距離為z₁，與其另一側的第二傳感器的傳播距離為z₂，則第一傳感器的檢測信號由泄漏源信號和噪聲組成，根據(jù)導波理論，泄漏源信號各種模態(tài)導波沿氣體管壁傳播會產(chǎn)生衰減和時間延遲；泄漏聲發(fā)射沿管道傳播，各模態(tài)導波波速不同，泄漏源信號到達檢測點的時間延遲也不同，因此，第一傳感器的檢測信號表示為：

其中，α_1u、τ_1u為泄漏源第u種模態(tài)導波傳播到第一傳感器時的衰減因子和時間延遲，n₁(t)是第一傳感器檢測到的噪聲；

2、檢測信號的互譜分析

假設第一傳感器和第二傳感器檢測的噪聲以及噪聲與泄漏源信號互不相關，即互譜為零，對式(2)進行傅立葉變換，得到檢測信號的頻譜：

其中，S_u(ω)為泄漏源處導波s_u(t)的頻譜，X₁(ω)、N₁(ω)分別為第一傳感器檢測信號x₁(t)和噪聲n₁(t)的頻譜，時間延遲與傳播距離、導波的傳播速度存在下列函數(shù)關系：

τ_1u＝z₁/c_pu (4)

其中，c_pu是第u種模態(tài)導波的相速度，導波的相速度與波數(shù)存在下列函數(shù)關系：

C_pu＝ω/k_u(ω) (5)

其中，k_u(ω)是第u種模態(tài)導波的波數(shù)，由此得出時間延遲τ_1u＝k_u(ω)z₁/ω，因此，第一傳感器1檢測信號的頻譜X₁(ω)為：

同理，第二傳感器2檢測信號x₂(t)的頻譜X₂(ω)為：

根據(jù)式(6)(7)對第一傳感器1和第二傳感器2的檢測信號進行互譜分析，由于噪聲與噪聲、噪聲與泄漏源信號不相關，檢測信號相關性主要由泄漏源信號中的各模態(tài)導波的相關性決定。根據(jù)模態(tài)導波理論：當u≠v時，S_u，S_v是兩種不同的模態(tài)波，兩種波的振動形式不同波形不同，兩種導波的相關性弱；當u＝v時，S_u，S_v是同一種模態(tài)導波，若該模態(tài)導波頻散較大，導波波形在傳播過程中發(fā)生畸變，隨傳播距離差增大，兩導波的相關性越差；當u＝v時，S_u，S_v是同一種模態(tài)波，若該模態(tài)導波頻散較小，隨傳播距離差增大，兩導波波形幾乎不變，其相關性較好；根據(jù)三種情況導波的相關性分析可知，互相關時延主要由檢測信號中同一種模態(tài)波的相關值決定；當泄漏源信號由多種模態(tài)導波組成時，由于模態(tài)不同和各模態(tài)頻散不同，泄漏源信號的傳播速度是各模態(tài)導波疊加的平均速度；平均速度近似為能量最大的模態(tài)導波波速；若直接用檢測信號互相關時延和泄漏源信號能量中起主要作用的模態(tài)導波波速來計算定位，定位誤差將會比較大。

3、單一模態(tài)導波成分的互譜提取

對泄漏源信號的互譜進行加窗，獲得泄漏源聲發(fā)射信號單一模態(tài)互譜，在氣體管道泄漏源聲發(fā)射信號頻帶范圍內，任意頻率ω₀處構造互譜加高斯窗分析表達式：

其中，*表示復共軛，β＞0為常數(shù)，γ是波數(shù)和第一傳感器1和第二傳感器信號2時延的函數(shù)，exp(-βγ²(ω-ω₀)²)為高斯窗函數(shù)，βγ²控制窗寬；考慮到不同采集點的噪聲以及噪聲與泄漏源信號互不相關，即噪聲與噪聲、噪聲與泄漏源信號互譜為零，則：

當窗口足夠小，ω≈ω₀，則S_u(ω)≈S_u(ω₀)，S_v(ω)≈S_v(ω₀)，對波數(shù)用泰勒級數(shù)展開得k_u(ω)≈k_u(ω₀)+(ω-ω₀)k_u'(ω₀)，k_v(ω)≈k_v(ω₀)+(ω-ω₀)k_v'(ω₀)，則

令βγ²＝A，j(k′_v(ω₀)z₂-k′_u(ω₀)z₁-γ)＝B，(ω-ω₀)＝x，則式(10)中的積分式表示為：

令式(11)進一步變換為：

式(12)中積分的指數(shù)項為高斯函數(shù)，式(12)積分式由此得到：

將式(13)還原A、B變量得：

式(14)的指數(shù)項是有關γ的高斯窗函數(shù)，4β決定窗寬，β越小，窗越窄；令γ＝k′_i(ω₀)z，u、v有不同的組合，當k′_u(ω₀)＝k′_v(ω₀)＝k′_i(ω₀)，z＝z_B-z_A時，在信號頻率范圍內，無論ω₀取何值，指數(shù)項取得最大值1，同時積分式erf(x)值的虛部為0；此時，若ω₀不變，分式erf(x)值的實部也不變，即ω＝ω₀時式(14)取得實部的最大值，式(14)的指數(shù)項可近似成實采樣函數(shù)δ_uvi，式(14)改寫為：

令其大小只與ω₀有關，與模態(tài)組合無關，則

當u＝v＝i,z＝z₂-z₁時，經(jīng)過采樣提取第i種模態(tài)導波成分，即：

由式(17)可知，是第i種模態(tài)導波互譜在ω₀的值，大小是第i種模態(tài)導波互譜在ω₀的值的C倍，包含了第一傳感器1和第二傳感器2的距離差信息，因此，用來定位管道泄漏。

為了計算需要已知窗參數(shù)γ和β，γ由γ＝k_i'(ω₀)z確定，一旦選定模態(tài)，就能計算出波數(shù)k_i(ω₀)以及k_i'(ω₀)。但在定位分析中，第一傳感器1和第二傳感器2兩導波的傳播距離差未知，因此選取可能的z值，逐個定出γ，并根據(jù)式(17)計算出對應其中的最大值，就是要提取的第i種模態(tài)成分。由于β取值受兩個條件限制：a)式(9)變換到式(10)時，要求窗寬要足夠小即βγ²要足夠大；b)式(14)中指數(shù)項是有關γ的高斯窗函數(shù)，窗寬4β，β越小，窗寬越小，指數(shù)項可近似成實采樣函數(shù)δ_uvi，從而提取出單一模態(tài)互譜；綜合a)和b)，當γ確定時，β不宜過大或過小，否則條件不滿足，不能有效提取出單一模態(tài)互譜。

4、氣體管道泄漏源的定位

互譜反映信號在頻域的相關性，互譜的傅立葉反變換——互相關函數(shù)描述了信號在時域的相關性，通過泄漏點兩端第一傳感器1和第二傳感器2采集的檢測信號x₁(t)和x₂(t)的互相關函數(shù)估計檢測信號的時延，來定位泄漏點，對式(17)第i種模態(tài)導波的互譜求傅立葉反變換，得到根據(jù)第i種模態(tài)導波互相關定位的表達式：

當jk_i(ω)(z+Δz)＝0時，即Δz＝-z＝z_A-z_B時，互相關函數(shù)R_i，AB(x)取得最大值，設最大值對應第一傳感器1和第二傳感器2距離差為Δz₀，第一傳感器1和第二傳感器2間距為L，則泄漏源到管道第一傳感器1的距離：

z₁＝(L+Δz₀)/2 (19)

為了評定檢測信號的相關性，計算相關系數(shù)相關系數(shù)越大，相關性就越高，第i種模態(tài)導波的相關系數(shù)為：

如圖1所示，聲發(fā)射檢測系統(tǒng)包括依次連接的傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及信息處理中心，所述傳感器包括第一傳感器1和第二傳感器2，所述傳感器均安裝在氣體管道4外壁上。

對泄漏源信號進行頻譜分析，在無泄漏時，采集到的噪聲主要集中在低頻3kHz以內，中低壓泄漏源信號主要集中在低頻3-8kHz內，選擇頻率在3kHz以上的檢測信號用于定位，有效避免低頻噪聲的干擾。如圖2-4所示，所述檢測信號與氣體管內壓力、泄漏源孔徑、泄漏源到傳感器的傳播距離等因素有關；由圖2可知管內壓力越大，檢測信號能量越大，同時激發(fā)出更多高頻成分，信號主要能量頻帶向高頻轉移；圖3反映了泄漏孔徑增大，信號能量變大，但對信號頻率分布影響較小，能量主要集中在低頻部分；圖4顯示當傳播距離增加時，信號衰減，且高頻部分衰減比低頻部分更快，使信號能量集中頻率向低頻轉移；綜合可知，在不同泄漏條件下，特別在管內壓力小、泄漏孔徑小、傳播距離長時，信號能量主要集中在低頻3-8kHz，因此，選擇該頻帶模態(tài)信號更有利于實際泄漏定位。

如圖5所示，本實施例以氣體管道Φ26.9×2.8mm為例進行導波模態(tài)分析，采用L(n,m)，F(xiàn)(n,m)表示氣體管道中的縱向模態(tài)和彎曲模態(tài)，n表示周向階次，m表示模數(shù)，n，m都為整數(shù)；中低壓泄漏源信號主要集中在低頻3-8kHz內，由圖5知，該段頻段范圍內，管道內傳播的模態(tài)數(shù)最少，只有縱向模態(tài)L(0,1)和彎曲模態(tài)F(1,1)兩種模態(tài)，為了避免多模態(tài)疊加，降低信號復雜程度，選擇對該頻段的信號進行分析；由圖5可知在低頻L(0,1)模態(tài)幾乎無頻散，信號傳播過程波形不畸變，信號更穩(wěn)定，信號相關性更強；同時考慮到縱向模態(tài)比彎曲模態(tài)的徑向位移更小，軸向位移更大，縱向模態(tài)導波沿管道傳播的衰減更小，在遠距離傳播中更容易檢測；因此，遠距離泄漏檢測定位中選擇L(0,1)模態(tài)更合適。

根據(jù)泄漏源信號頻譜分析及管道導波模態(tài)分析，選擇泄漏源信號3-8kHz頻帶內的L(0,1)模態(tài)進行定位，即式(18)中第i種模態(tài)選擇為L(0,1)，并以L(0,1)的波數(shù)來確定窗參數(shù)γ，另一個窗參數(shù)β取0.001時效果較好。如圖6所示，遠距離泄漏檢測時，信號能量主要集中在L(0,1)模態(tài)，因此，定位時以信號頻帶內L(0,1)模態(tài)的平均波速計算；如圖7所示，對泄漏源信號的互譜加高斯窗提取L(0,1)模態(tài)進行定位；對比圖5和6的相關系數(shù)可知，未經(jīng)分解的泄漏信號的相關系數(shù)為0.1653，提取L(0,1)模態(tài)定位的相關系數(shù)為0.3569，模態(tài)提取使相關系數(shù)提高了一倍；對比兩種定位方法得到的距離差，發(fā)現(xiàn)兩種結果相差較大。已知第一傳感器和第二傳感器的間距為78.03m，利用式(19)分別計算兩種定位方法估計的z₁：用未經(jīng)分解的泄漏源信號進行定位的結果為56.09m，提取泄漏源信號中L(0,1)模態(tài)定位的結果為58.83m，而實際距離為58.09m；兩種方法估計z₁的絕對誤差分別為2m和0.74m，相對誤差為3.44％和1.27％，即采用模態(tài)提取定位算法降低了氣體管道泄漏定位的誤差，提高了定位的準確度。

根據(jù)單一模態(tài)定位方法，采用LabVIEW開發(fā)平臺設計氣體管道泄漏聲發(fā)射檢測定位虛擬系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應用于氣體管道泄漏定位中，并與互相關定位方法做比較，并將結果列于表1。分析表1中兩種定位方法的結果：用未經(jīng)分解的泄漏信號進行定位時，由于多模態(tài)導波疊加，檢測信號的相關系數(shù)較小，相關性較差，估計的時延(距離差)誤差大；實際聲速是多種模態(tài)導波疊加的平均速度，而定位時以恒定的高能量模態(tài)導波波度計算，這兩方面造成用未經(jīng)分解的泄漏信號進行定位，誤差較大，表1顯示用未經(jīng)分解泄漏信號進行定位，大部分定位相對誤差在10％以上；而通過提取頻散小的L(0,1)模態(tài)進行定位，減少其它模態(tài)干擾，提高信號的相關性，同時選擇更準確的聲速，使定位相對誤差穩(wěn)定在1.38％左右；相比用未經(jīng)分解的泄漏信號進行定位，定位相對誤差平均降低7％以上，李帥永、王鵬飛等人采用F(1,1)彎曲模態(tài)進行互相關定位實驗，結果表明采用彎曲模態(tài)進行定位的相對誤差為12.56％。因此，提取單一非頻散模態(tài)進行互相關定位的相對誤差比采用彎曲模態(tài)互相關定位的相對誤差減少了8倍，由此可知，提取單一非頻散模態(tài)進行氣體管道泄漏源聲發(fā)射定位的精確度更高，提高了氣體管道檢修的工作效率。

表1氣體管道泄漏源定位結果

以上所揭露的僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或變型，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。