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基于超声波虚拟相控阵列的气体泄漏成像方法

李磊;刘庆辉;杨宽;田勇志;张斌;牧凯军

【摘要】提出了一种基于虚拟相控阵列的气体泄漏成像方法,能够实现气体泄漏源

的可视化定位.该方法首先利用扫描传感器分时采集泄漏源产生的声波信号,然后采

用互功率谱和虚拟阵列信号处理技术对泄漏源进行定位.通过仿真讨论了各种因素

对定位成像精度的影响,其中包括传感器的数量和阵元间距.在实验平台上进行气体

泄漏源的检测和成像实验,验证了该方法的可行性和精确性.结果表明,该方法能够准

确可靠地对气体泄漏源进行可视化成像,具有广泛的应用前景

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2019(032)005

【总页数】5页(P676-680)

【关键词】泄漏定位;虚拟相控阵列;互功率谱;阵列信号处理

【作者】李磊;刘庆辉;杨宽;田勇志;张斌;牧凯军

【作者单位】郑州大学物理工程学院,郑州450001;郑州大学物理工程学院,郑州

450001;郑州大学物理工程学院,郑州450001;郑州大学物理工程学院,郑州

450001;郑州大学物理工程学院,郑州450001;郑州大学物理工程学院,郑州

450001

【正文语种】中文

【中图分类】TB533

气体存储和运输在工业和生活领域发挥着重要的作用,如二氧化碳、氯气、天然气

等。当气体在存储和运输过程中发生泄漏,会产生能源浪费、环境污染、以及威胁

人的生命安全。因此,对气体泄漏源的检测和定位问题成为无损检测领域的研究热

点之一[1]。目前存在的泄漏检测定位方法有:压力差法、电阻变换法、光学方法和

声学方法等[2-5]。与其他方法相比,声学方法具有易于实现、检测对象的结构无需

改变、定位速度快、抗干扰能力强等诸多优点。

声学方法是利用超声波传感器采集泄漏源释放的超声信号,然后进行数据处理及分

析,进而检测泄漏源的位置。利用声学方法对泄漏源进行检测定位主要分为两类,第

一类是根据泄漏的超声信号到管道两端的超声波传感器的时间差进行定位。2012

年,孟令雅[6]等考虑温度和压力等因素对声音传播速度的影响,对泄漏位置公式进行

了修正,提高了这种方法的定位精度。2013年,徐晴晴[7]等为了提高定位精度采用

了小波包变换降噪的方法,能够对微弱泄漏信号进行有效的检测和定位。2016年,

徐长航[8]等为解决管道泄漏源定位精度与超声波传感器数量之间的矛盾,提出了一

种基于多级方案的新方法,包括区域定位和精确定位两个步骤。虽然此类方法的检

测准确率较高,但是定位精度易受到环境温度、气体流速以及气体压力等多种因素

的影响,而且需要较多数量的超声波传感器。

第二类方法是利用超声波传感器阵列对泄漏源进行检测和定位。2015年,边旭[9]

等提出了一种基于超声波传感器阵列的气体泄漏检测定位方法,该方法利用超声信

号在时空域的相关性解决了泄漏源产生的连续超声信号的实时定位问题。2017年,

张宇[10]等提出了一种基于改进波束形成算法的连续气体泄漏定位方法,该方法能

较好地定位近场和远场连续泄漏气体。利用超声波传感器阵列对泄漏源检测定位,

能够极大地提高泄漏源的定位精度。

利用传感器阵列对气体泄漏源检测定位需要大量的传感器组成阵列,并且需要数据

同步采集装置,使系统结构非常复杂[11]。由于受到阵列孔径和系统复杂度的限制,

一直缺少一种能够对泄漏源进行高精度检测成像的有效方法。本文首次提出了一种

将虚拟阵列应用于气体泄漏检测成像的方法,对气体泄漏源位置的可视化成像从而

实现二维精确定位。该方法将采用虚拟相控阵列技术实现对气体泄漏源的高精度定

位检测,具有以下优点:①该方法使用两个传感器代替传感器阵列,虚拟阵列的孔径可

按照需求进行灵活配置,进而提高系统的定位成像精度。②传感器阵列使用多路同

步采集装置保证各阵元信号的幅相一致性,而该方法只需要保证两路信号的幅相一

致性即可。因为该方法不使用多路同步采集装置,所以系统结构更加简单。③该方

法节省了传感器的数量并且不需要多路数据同步采集装置,大大降低了系统的成本

和复杂度。

1成像检测原理

图1系统原理图

当气体管道发生泄漏时,由于管道内外存在压力差,在泄漏孔处会产生一定频率的声

波。泄漏孔处产生的声波频率一般在10kHz～100kHz之间,而能量主要分布在

10kHz～50kHz之间[12]。由于40kHz频率的超声波与环境噪声的能量差值最

大,所以我们选用40kHz的超声信号作为检测信号。

本节分为两个部分:首先,介绍了泄漏源产生的超声信号,泄漏声波的传播模型;其次,