一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于流体输送管道泄漏识别技术领域，尤其是一种基于声波成像的管道泄 漏识别和定位系统。
【背景技术】
[0002] 管道泄漏监测是近二十年来的一个技术难题，更是由于现有测量方法的局限导致 对泄漏误报率高和漏报率高，究其原因是不能准确识别泄漏信号和不能排除非泄漏信号的 干扰。具体来说，现有的方法按照应用广泛程度排序依次有负压波法、流量差法、光纤法等。 其中负压波法是指利用突然泄漏引起了管道内的一个较大的压力脉冲波，在管道两端的传 感器接收到同一个压力脉冲波的时间差与泄漏点到传感器的距离具有对应关系，据此结合 传感器坐标可以计算出泄漏点的坐标，该压力脉冲波达到1000 Pa级，而其主要能量集中在 频率低于5HZ的频段，也包含有可听声音，所以又被俗称为音波法。负压波法（音波法） 的缺点有五个：一是容易受到管道所在环境中的冲击干扰声（如挖掘声、汽车辗压声、敲击 声）影响而导致虚警；二是对于一些人为的偷盗性泄漏，在人为控制的慢放过程中，负压波 的幅值较小，容易被背景噪声淹没而导致系统监测不到，导致漏报，对于一些3_以下的细 孔泄漏也容易由于所产生的负压波脉冲弱而漏报；三是只能检测突发的压力变化，不能监 测持续的泄漏过程，导致对干扰的排除能力差；四是对于不同的介质，这种由于突发性泄漏 引起的负压波在管道内的传播衰减差异较大，在水和油等液体介质中的传播衰减小，而在 天然气和煤气等气体介质中的传播衰减大，因而在输气管道上应用效果差；五是环境温度 和管道内的温度变化引起了介质中的声速变化，不同介质中的声速有很大的差别，且泄漏 点上下游声速不一致引起的定位误差不能被消除，导致对泄漏点定位误差大。总之负压波 法误报率和漏报率高，对气体管道比对水管和油管的漏报率更大，在工况良好和快速突发 性大泄漏的识别率约85%，对小泄漏和偷盗时的慢泄漏的识别率低于60%。流量差法是 基于泄漏改变了管道上、下游的介质总流量，理想状态下对于不可压缩介质（水、油）泄漏 引起上游流量增加或者不变，而下游流量减少，根据流量差来判断是否出现了泄漏，并且根 据上下游流量传感器接收信号出现改变的时间差来计算泄漏点坐标，但是对于可压缩介质 (各类气体），泄漏引起的流量变化向上、下游传递的效应差，因而响应灵敏度低，容易出现 漏报。光纤法是沿管道铺设光纤，当出现泄漏时，泄漏引起的振动诱发光纤振动，可以从光 纤头上检测出这种振动信号，进而确定泄漏位置，该方法也能监测泄漏过程。光纤法的缺点 是铺设成本高，不能用于老管道的监测，同时容易受到管道周围的振动和冲击的干扰而导 致误报。
[0003] 综上所述，负压波法（音波法）、流量差法、光纤法等都是只利用了信号的时间域 信息和能量域信息。压力管道的泄漏既可以产生突变的脉冲声波，也可以产生宽频带的噪 声，如何充分利用泄漏时产生的声音与非泄漏时的环境中其他声音的区别来提高对泄漏的 识别准确率，从而降低监测系统的误报率和漏报率，是一个瓶颈问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、抗干扰能力强且识 别准确的基于声波成像的管道泄漏识别和定位系统及方法。
[0005] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0006] -种基于声波成像的管道泄漏识别和定位系统，包括管道次声波传感器、数字化 仪、直流稳压电源和监测服务器；所述管道次声波传感器分别设置在被测管道两端，每个管 道次声波传感器安装在被测管道壁上且其敏感头通过被测管道上的开孔与管道内的介质 完全接触并沉浸在介质中，管道次声波传感器均通过信号线与数字化仪连接并将输出声音 信号传给数字化仪；所述数字化仪为管道次声波传感器提供工作电源，所述数字化仪连接 有GPS天线用来获取GPS时间和坐标数据，所述数字化仪连接有3G天线并将采集的测量信 号上传给监测服务器；所述直流稳压电源给数字化仪供电；所述监测服务器根据管道两端 的数字化仪上传的测量信号计算出两个管道次声波传感器之间管道内的声压分布的声像 图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强度。
[0007] 而且，所述监测服务器利用管道两端的传感器信号计算管道内的声像图，并从声 像图的稳定性上识别泄漏。
[0008] 而且，所述被测管道每一端安装的管道次声波传感器的数量为一个或二个。
[0009] 而且，所述被测管道两端安装的管道次声波传感器可以测量突发泄漏引起的脉冲 次声波和泄漏过程中的包括次声波的宽频带声波。
[0010] 而且，所述数字化仪在将传感器采集信号文件上传给所述的监测服务器时，数据 文件中包含了 GPS坐标和文件开始的GPS时刻数据值。
[0011] 而且，所述管道次声波传感器安装在被测管道壁上并通过管壁开孔与管道内的介 质完全接触并沉浸在介质中。
[0012] 一种基于声波成像的管道泄漏识别和定位方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1、将管道次声波传感器安装在被测管道两端且其敏感头与管道内的介质完 全接触并沉浸在介质中；
[0014] 步骤2、被测管道两端的管道次声波传感器分别向各自连接的数字化仪输出测量 信号；
[0015] 步骤3、每个数字化仪将监测点的GPS时间、GPS坐标和管道次声波传感器传来的 测量信号传送给监测服务器；
[0016] 步骤4、监测服务器根据被测管道两端的传感器信号，根据已知声音传播的速度 参数，结合GPS时间基准，计算沿管道分布的声像图，从声像图上识别泄漏声源的位置和强 度，实现泄漏识别与定位功能。
[0017] 而且，所述步骤4计算沿管道分布的声像图的方法为：管道两端的信号S1 (t)和 s4(t)延时迭加，不考虑介质流速影响时，距离第一个管道次声波传感器的距离r处的合成 声压信号的频域表示式SJjco)是：
[0019] 其中L是被测管道长度，V是声音在管道内传播的速度，两端管道次声波传感器之 间的时延量τ 14与泄漏处距离r的关系是：
[0021] 沿管道计算不同距离r处的SJj ω)的能量，换算成声压值后就可以得出沿管道 的声压分布。
[0022] 考虑上、下游速度不一致时，相距上游端管道次声波传感器1的距离r处的声压信 号的频域表示式SJj ω)是：
[0024] 其中L是管段的长度，Vup和V d_分别是泄漏声音向上游和下游传播的速度，V up等 于声速减去介质流速，Vd_等于声速加上介质流速，V up和V d_可以通过在两个确定点激发 信号的办法得到，在距离传感器1的位置rl和r2现两处得到的时延
符合以下公 式：
[0027] 而且，所述步骤4从声像图上识别泄漏声源的位置和强度的方法为：监测服务器 依据声像图的稳定性识别泄漏和定位泄漏位置，对泄漏过程连续显示，所显示的声像图反 映出管道内介质流动的声音状况并以一条多变的彩色带在不断地移动；当有泄漏发生时， 就会在管道上的泄漏位置显示一个稳定不移动的声像斑，并且是高亮度的，反映出声音强 度超出周边位置的声音。
[0028] 本发明的优点和积极效果是：
[0029] 1、本发明利用泄漏声音的宽频带特点，将突发性脉冲声波作为预警信号和对泄漏 初步定位，并根据泄漏过程中的声波来识别泄漏，更重要的是利用泄漏声波的声成像图来