[發明專利]時間反演超分辨率管道泄漏監測方法

有效

• 申請號: 201711434392.2
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN108120573B
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 張光旻;宋鋼兵;宋躍;鄭愚;李釗勤
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G01M3/40
• 分類號: G01M3/40
• 代理公司: 11350 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 湯東鳳

1.一種時間反演超分辨率管道泄漏監測方法，其特征在于，包括以下步驟：

在輸氣管道的一端安置壓電傳感器1，在輸氣管道的另一端安置壓電傳感器2，用于檢測泄漏時產生的負壓力波信號；設泄漏點位于r_L，泄漏所產生的負壓力波信號為e(r_L,t)；設r_L和r_n之間的信道沖激響應函數為

h_m(r_n,r_L,t)＝a_n,L,mδ(t-t_n,L,m) (1)

其中，a_n,L,m為r_L和r_n之間的信號衰減系數，δ(t-t_n,L,m)為沖激信號，t_n,L,m為負壓力波在r_L和r_n之間的傳播時間，符號“m”代表對應函數通過測量獲得；

則，位于r_n的第n個壓電傳感器收到的負壓力波信號表示成，

x(r_n,r_L,t)＝e(r_L,t)*h_m(r_n,r_L,t)*δ(t-T_L) (2)

其中，“*”表示卷積，T_L為泄漏發生的時間；

一種時間反演時域超分辨率函數用于提高泄漏點定位分辨率，其設計過程如下：

1)壓電傳感器2所得泄漏負壓力波信號進行時間反演運算，得

x(r₂,r_L,-t)＝e(r_L,-t)*h_m(r₂,r_L,-t)*δ(-t+T_L) (3)

2)將壓電傳感器2的時間反演信號，與壓電傳感器1信號進行卷積得

y(t)＝x(r₁,r_L,t)*x(r₂,r_L,-t)

＝e(r_L,t)*e(r_L,-t)*a_1,L,ma_2,L,mδ(t-t_1,L,m+t_2,L,m) (4)

3)將壓電傳感器1所得負壓力波信號進行時間反演運算，并且與壓電傳感器1的原信號進行卷積得

y'(t)＝x(r₁,r_L,t)*x(r₁,r_L,-t)

＝e(r_L,t)*e(r_L,-t)*a_1,L,ma_1,L,mδ(t) (5)

4)計算y(t)的傅里葉變換Y(ω)，和y'(t)的傅里葉變換Y'(ω)，用Y(ω)除以Y'(ω)得到

H'_1,L,2(ω)＝Y(ω)/Y'(ω) (6)

5)對H'_1,L,2(ω)進行傅里葉反變換得，

6)對式(7)歸一化處理，并且將歸一化結果進行p-1次自卷積，得到時間反演時域超分辨率函數s₁₂(t)，即，

s₁₂(t)＝δ(t-p×t_1,L,m+p×t_2,L,m) (8)

利用s₁₂(t)，對壓電傳感器1和壓電傳感器2所接收到的原信號分別做以下處理，

x'(r₁,r_L,t)＝x(r₁,r_L,t)*s₁₂(-t)

＝e(r_L,t)*a_1,L,mδ(t-t_1,L,m-T_L+p×t_1,L,m-p×t_2,L,m)

＝e(r_L,t)*a_1,L,mδ(t-T_L+(p-1)×t_1,L,m-p×t_2,L,m) (9)

x'(r₂,r_L,t)＝x(r₂,r_L,t)*s₁₂(t)

＝e(r_L,t)*a_2,L,mδ(t-T_L-p×t_1,L,m+(p-1)×t_2,L,m) (10)

為新信號x'(r₁,r_L,t)和x'(r₂,r_L,t)，設計相應的定位背景函數；對于r_k，x'(r₁,r_L,t)的定位背景函數為

h_c(r₁,r_k,t)＝δ(t+(p-1)×t_1,k,c-p×t_2,k,c) (11)

對于r_k，x'(r₂,r_L,t)的定位背景函數為

h_c(r₂,r_k,t)＝δ(t+(p-1)×t_2,k,c-p×t_1,k,c) (12)

在式(11)和(12)中，t_1,k,c為負壓力波在r_k和r₁之間的傳播時間，t_2,k,c為負壓力波在r_k和r₂之間的傳播時間；符號“c”代表對應函數通過計算獲得；

最后，對x'(r₁,r_L,t)和x'(r₂,r_L,t)進行時間反演處理，并且通過以下定位函數對輸氣管道泄漏點進行定位，

當測量值和計算值一致時，即t_n,k,c＝t_n,k,m，泄漏點的定位函數輸出為

I_o(r_k)＝Max[(a_1,L,m+a_2,L,m)e(r_L,-t-T_L)] (14)

由于時間反演技術的時空聚焦特性，各信號在泄漏點處，聚焦于在t＝-T_L處取得；因此，泄漏點的輸出值由各信號的峰值疊加而成，即I_o(r_L)＝(a_1,L,m+a_2,L,m)e(r_L,0)，該值大于其他位置的函數輸出值；可以通過在管道上尋找最大信號值來確定泄漏點的位置；

對于傳統的時間反演定位技術，其定位函數為

其中，h′_c(r_n,r_k,t)＝δ(t-t_n,k,c)，為從r_k到r_n的沖激響應；

則，泄漏點的函數輸出值為

I_c(r_L)＝(a_1,L,m+a_2,L,m)e(r_L,0) (16)

可見兩個方法在泄漏點的輸出值一樣；

接下來探討兩個方法的分辨率，先考慮管道上的點r_z，t_n,z,c為負壓力波在r_z和r_n之間的傳播時間，并且整理為，t_n,z,c＝t_n,L,c+Δt_n,z,L；

對于傳統的時間反演定位技術，假設點r_z，最大值在t'，

I_c(r_z)＝Max(a_1,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+Δt_2,z,L))

＝a_1,L,me(r_L,-t'-T_L-Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t'-T_L-Δt_2,z,L) (17)

對于本發明方法，假設點r_z，最大值在t”

I_o(r_z)＝Max(a_1,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+(p-1)Δt_1,z,L-pΔt_2,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t)*δ(t+T_L+(p-1)Δt_2,z,L-pΔt_1,z,L))

＝a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(p-1)Δt_1,z,L+pΔt_2,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L-(p-1)Δt_2,z,L+pΔt_1,z,L) (18)

由于兩個壓電傳感器1和壓電傳感器2位于管道的兩端，點r_z靠近其中一端，則會等距離的遠離另一端，因此可以得到，Δt_1,z,L＝-Δt_2,z,L；所以上兩式又可以表示成

I_c(r_z)＝a_1,L,me(r_L,-t'-T_L-Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t'-T_L+Δt_1,z,L) (19)

I_o(r_z)＝a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(2p-1)Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+(2p-1)Δt_1,z,L) (20)

由上式可以看到，公式(20)中的兩個信號分量a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-(2p-1)Δt_1,z,L)和a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+(2p-1)t_1,z,L)之間的時間間隔為(4p-2)Δt_1,z,L；而且，(4p-2)Δt_1,z,L隨著p的增大而增大，即公式(20)中的兩個信號分量時間軸上相距越來越遠；并且，對于泄漏產生的負壓力波信號，信號值從峰值時刻向兩邊衰減；上述兩個因素使得，公式(20)中的兩個信號分量在重合時刻的信號值也越來越小，由此帶來，其疊加后的值也在變小；

對于本發明方法，當p＞1時，(2p-1)t_1,z,L＞t_1,z,L，因此

I_o(r_z)＜a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+Δt_1,z,L) (21)

對于傳統的時間反演定位技術，點r_z，最大值在t'；因此，

a_1,L,me(r_L,-t”-T_L-Δt_1,z,L)+a_2,L,me(r_L,-t”-T_L+Δt_1,z,L)＜I_c(r_z) (22)

即，I_o(r_z)＜I_c(r_z)；由于，對于同一點，本發明方法的輸出值小，空間點少，區域小，分辨率高。