基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位装置及方法与流程
本发明涉及管道泄漏检测，具体涉及基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位装置及方法。
背景技术：
1、石油、天然气、市政供水、集中供热等领域广泛铺设各类带压输送管道，管道泄漏会造成介质流失、经济损耗，严重时引发爆炸、水体污染、地面塌陷等安全与环境事故，管道泄漏在线监测已成为管网运维核心刚需。在多种泄漏检测手段中，声学检测法凭借非侵入、可在线实时监测、部署灵活、成本可控等优势，是当前工程应用最普及的漏点定位方案。现有声学定位技术主要依托沿管布设的声学传感器采集泄漏喷射产生的宽频声波，依靠到达时差（tdoa）、广义互相关、单频带信号衰减、变分模态分解等算法完成时延求解与漏点反演，配套便携式相关仪、分布式在线声学监测系统已大规模应用于金属管道、pe塑料管道的日常巡检与长期在线监控；同时部分方案搭配温压采集模块修正基础声速，在噪声较低、管段短、工况稳定的简单管线场景中，能够实现漏点粗略定位，成为管网漏损管控的主流技术路线。
2、现有声学泄漏定位方案在复杂工业工况下存在显著技术短板，难以满足高精度定位需求：其一，未系统补偿声波频散效应，普遍采用固定单一声速模型，忽略管道管壁弹性、流体粘弹性带来的频率相关传播速度差异，长距离传输、高频泄漏信号下会产生系统性时延误差；其二，割裂处理声波衰减与频散的内在耦合关系，二者同源于介质粘弹性特性，现有技术将衰减、频散独立校正，缺少统一的物理解析模型，无法精准刻画全频段声波传播规律；其三，模型工况自适应能力不足，多数算法仅静态输入固定温压参数，未实时根据管道运行温度、内部压力动态修正流体密度、体积模量，压力波动、温度变化时定位误差急剧扩大；其四，信号处理仅利用单一频带或简单叠加各频段信息，未依据各子频带信噪比、信号能量分配差异化权重，有效频带与噪声频带贡献均等，互相关曲线峰值辨识度低；最后，现有方案缺少定位结果量化置信度评估机制，无法定量输出定位可靠性，现场运维难以判断检测结果是否具备开挖参考价值，整体鲁棒性与定位精度难以适配复杂埋地、大管径、长距离带压管道场景。
3、因此，亟需一种基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位装置，来解决现有技术存在的时延估计偏差大、定位精度低、无可靠性量化评价等问题。
技术实现思路
1、为此，本发明提供一种基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位装置及方法，解决现有声学管道泄漏定位技术忽略声波频散与衰减耦合特性、缺乏统一物理模型、无法自适应温压工况且未充分利用多频带信号，导致复杂工况下时延估计偏差大、定位精度低、无可靠性量化评价等问题。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位装置，其特征在于，包括声学传感器阵列、信号采集模块、处理器模块、存储模块、环境参数传感器；
3、所述声学传感器阵列包含沿管道轴向布设的若干个声学传感器，用于采集管道泄漏产生的宽频声波信号；
4、所述信号采集模块与所述声学传感器阵列进行电连接，用于接收声波信号并对所述声波信号进行同步放大、抗混叠滤波及模数转换处理；
5、所述环境参数传感器包括温度传感器及压力传感器，并与所述处理器模块进行通信相连；所述环境参数传感器用于采集管道运行温度和管内压力工况参数；
6、所述存储模块与所述处理器模块进行双向通信；所述存储模块中预存管道几何参数、管材力学参数、流体基础物性参数、频散-衰减耦合模型、信号处理中间数据与定位结果；
7、所述处理器模块分别与所述信号采集模块、所述环境参数传感器、所述存储模块进行通信连接；所述处理器模块内置频域分解单元、复波数计算单元、频散补偿单元、多频段加权时延估计单元、三维位置解算单元和置信度评估单元。
8、本发明还提供基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法，包括：
9、声学传感器阵列通过采集管道泄漏宽频声波信号，输出原始模拟声波信号至信号采集模块；所述信号采集模块对所述原始模拟声波信号进行同步放大、抗混叠滤波及模数转换处理，生成数字化时域声波信号并传输至处理器模块；环境参数传感器采集管道实时温度及管内压力工况参数，并传输至所述处理器模块；所述处理器模块向存储模块调取预存的管道几何参数、管材力学参数及流体基础物性参数，作为建模固定基础参数；
10、所述处理器模块通过内置的频域分解单元对所述数字化时域声波信号进行频域分解处理，获得若干组窄带频带分量；
11、所述处理器模块的内置复波数计算单元读取所述窄带频带分量、管道实时温度参数、管内压力工况参数及管道基础物性参数，基于粘弹性声波传播方程构建频散-衰减耦合模型；通过所述频散-衰减耦合模型进行动态修正流体密度与流体体积模量，求解获得所述窄带频带分量对应的复波数并分离相位常数与衰减常数；
12、基于所述窄带频带分量及对应的所述复波数，所述处理器模块的内置频散补偿单元计算获得所述窄带频带分量的传播相位延迟，并构造频散补偿滤波器；基于所述传播相位延迟，通过所述频散补偿滤波器对所述窄带频带分量进行相位校正，输出补偿完成后的多频带信号；
13、所述处理器模块内置的多频段加权时延估计单元将所述多频带信号划分为独立子频带；根据各频带信噪比、信号能量分配权重系数，对所述子频带内两路传感器补偿信号分别独立计算单频带互相关函数；根据所述子频的预设权重系数对所述单频带互相关函数进行幅值加权叠加，获得全局加权互相关曲线；通过对所述全局加权互相关曲线进行峰值搜索，获得传感器间时延估计值；
14、基于所述传感器间时延估计值与通过所述频散-衰减耦合模型修正后的管道实际声速，所述处理器模块内置的三维位置解算单元，根据布管场景采用设定公式计算获得泄漏点位置数据；
15、基于所述泄漏点位置数据及所述传感器间时延估计值，所述处理器模块内置的置信度评估单元，通过构建观测权重矩阵与定位误差协方差矩阵，计算获得定位置信度；根据所述定位置信度分级输出定位结果、复测指令或设备故障报警；所述处理器模块将全部中间计算数据、最终泄漏坐标及所述定位置信度回传至所述存储模块进行持久化存储。
16、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，在基于所述粘弹性声波传播方程构建所述频散-衰减耦合模型的过程中，所述粘弹性声波传播方程的表达式为：
17、
18、
19、式中，为声压；为沿管道轴向的空间坐标；为时间；为管道内流体密度；为复体积模量；为流体静态体积模量；为虚数单位；为损耗因子。
20、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，所述复波数的计算公式为：
21、
22、
23、式中，为复波数；为角频率；为无损介质中的声速；
24、所述复波数包括所述相位常数与所述衰减常数：
25、
26、式中，为复波数的实部，表示相位常数；为复波数的虚部，表示衰减常数。
27、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，所述频散-衰减耦合模型修正后的管道实际声速为：
28、
29、式中，为修正后的声速；为管道内径；为管道壁厚；为管道材料的弹性模量；为管道材料的泊松比；
30、通过所述频散-衰减耦合模型进行动态修正流体密度与流体体积模量，修正后的流体密度与流体体积模量为：
31、
32、
33、式中，为温度；为压力；为参考温度和参考压力下的流体密度；为参考条件下的体积模量；为流体的热膨胀系数；为流体的压力压缩系数；为体积模量的温度系数；为体积模量的压力系数。
34、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，在所述频域分解单元对所述数字化时域声波信号进行频域分解处理的过程中，采用短时傅里叶变换将所述数字化时域声波信号转换为时频域表示，或者通过变分模态分解将所述数字化时域声波信号分解为若干个本征模态分量；
35、所述时频域表示的表达式为：
36、
37、式中，为时频域信号；为频率；为窗函数；为积分变量；
38、所述本征模态分量的表达式为：
39、
40、式中，为第个本征模态分量；为第个分量的中心频率；为狄拉克函数。
41、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，所述窄带频带分量的所述传播相位延迟表达式为：
42、
43、式中，为相位延迟；为频率对应的复波数实部；为声波信号的传播距离；
44、所述频散补偿滤波器的表达式为：
45、
46、
47、式中，为频散补偿滤波器；为参考相位延迟；为参考声速；
48、补偿完成后的所述多频带信号表达式为：
49、
50、式中，为补偿后多频带信号；为原始频域信号。
51、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，所述单频带互相关函数的表达式为：
52、
53、
54、式中，为互相关函数；为时延变量；和分别为和的傅里叶变换；为复共轭；为加权函数；为第个频带的权重系数；为第个频带的中心频率；为第个频带的带宽；为矩形窗函数；n为子频带的数量；
55、所述传感器间时延估计值的表达式为：
56、
57、式中，为传感器间时延估计值；为取使函数取得最大值的自变量；
58、对于多传感器阵列的情况，构建时延向量：
59、
60、式中，为第1个传感器与第个传感器之间的时延估计值，；为向量转置；m为传感器数量。
61、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，在所述三维位置解算单元根据布管场景，采用所述设定公式计算获得泄漏点位置数据的过程中，对于沿直线布置的两个传感器，采用一维距离公式计算泄漏点位置：
62、
63、式中，为泄漏点距离第一个传感器的距离；为两个传感器之间的距离；为声波传播速度；
64、对于多传感器阵列的情况，构建三维时差定位方程组，并通过最小二乘法求解，获得泄漏点的位置；所述三维时差定位方程组为：
65、
66、
67、
68、式中，为泄漏点的三维坐标向量；为第个传感器的坐标向量；表示欧几里得范数；
69、泄漏点的位置计算公式为：
70、
71、式中，为泄漏点位置的估计值。
72、作为基于声波频散-衰减耦合补偿的带压管道泄漏定位方法的优选方案，所述定位置信度的计算公式为：
73、
74、
75、式中，为定位置信度；为的协方差矩阵；为观测矩阵；为权重矩阵；为矩阵行列式。
76、本发明具有如下优点：
77、第一，定位精度显著提高。本发明通过建立频散-衰减耦合模型，准确描述了声波在带压管道中的传播特性，从理论上消除了因模型简化带来的系统误差。
78、第二、算法具有明确的物理意义和理论边界。本发明从粘弹性介质声波传播方程出发，推导了复波数与频率、压力、管材参数的解析关系，使算法的每一步都有明确的物理含义。这不仅提高了算法的可解释性，也为算法的适用范围和精度边界提供了理论依据。
79、第三、复杂工况下具有更好的鲁棒性。本发明通过复波数反演算法，能够自适应地补偿不同工况下的频散效应。同时，通过引入环境参数传感器实时监测温度和压力，动态更新模型参数，使算法在压力波动、温度变化、管材不均等复杂工况下仍保持稳定的定位性能。
80、第四、充分利用宽频带信号特性。本发明采用多频段加权互相关策略，将泄漏声波信号的宽频带特性充分利用起来。通过为不同频带分配合理的权重系数，既提高了时延估计的信噪比，又避免了单一频段估计的偶然误差，进一步提升了定位精度。
81、第五、提供定位结果的置信度评估。本发明通过计算定位误差的协方差矩阵，定量评估定位结果的可靠性。这为工程应用提供了重要的决策依据，当置信度低于阈值时可触发重新测量或报警，提高了系统的实用性。