基于多波束测深声纳的海底管道泄漏检测模块

摘要

海底管线铺设于海洋环境之中，海底环境相比于陆地环境更加恶劣。管线内部腐蚀、管外波流作用、海床运动、外界撞击等均会使其损坏。历史上曾发生多起海底管线泄漏事故，其对生态环境造成了严重破坏并造成了巨大的经济损失。在海底天然气管道泄漏的问题上，最早使用单波束回波测深仪对海底泄漏气体进行检测，之后由于声纳技术的快速发展，声纳硬件、软件设计能力以及计算机处理能力的提高，使利用多波束测深声纳对管道进行泄漏检测成为可能。多波束测深声纳具有更宽的覆盖，其水体成像数据具有从发射换能器到海底的完整波束信息，并且可以提供3D的空间关系，因此可以利用多波束水体成像数据判断水体中的目标物的形状大小和位置。
　　本文利用多波束测深声纳的水体成像数据对天然气管道泄漏检测进行相关研究。设计并实现了针对海底天然气泄漏的管道泄漏检测模块。该模块的软件部分主要是泄漏检测算法，硬件部分为搭载VxWorks嵌入式操作系统的PC104主板。本文首先对多波束测深声纳的水体成像数据的数据结构进行分析，之后对泄漏检测算法进行研究，主要内容包括利用图像滤波算法、形态学处理算法、底部检测算法对水体成像数据进行预处理，通过利用最大熵分割算法得到泄漏气体的疑似区域，利用Hough变换的方法分析泄漏气体的上升形态，以此来确定是否存在管道泄漏情况。最后，介绍了将检测算法移植到搭载VxWorks嵌入式操作系统的PC104主板上的过程。模块采用多任务编程方法，设计了数据接收模块、数据处理模块以及检测结果传输模块，实现了从接收数据到完成检测的过程，进而为实现AUV对天然气管道进行巡检奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．2水下泄漏气体检测技术概述

1．3基于声纳系统的管道泄漏检测

1．4本论文主要工作内容

第2章管道泄漏检测图像算法研究

2．1多波束水体成像数据分析

2．1．1水体成像数据获取

2．1．2水体成像数据结构

2．2泄漏检测算法研究

2．2．1算法总述及流程图

2．2．2图像滤波处理

2．2．3形态学tophat处理

2．2．4图像分割处理

2．2．5疑似泄漏区域提取

2．2．6基于Hough变换的气体上升形态估计

2．3实验结果与分析

2．3．1图像滤波处理结果

2．3．2形态学tophat处理结果

2．3．3最大熵分割处理结果

2．3．4疑似区域提取处理结果

2．3．5气体上升方向估计处理结果

2．4算法评估

2．4．1不同去噪算法效果比较

2．4．2不同分割算法效果比较

2．5本章小结

第3章管道泄漏检测模块软硬件平台构建

3．1 VxWorks操作系统及硬件环境

3．1．1 VxWorks操作系统

3．1．2 PC104硬件处理平台

3．2编辑调试平台的选择

3．3泄漏检测模块系统环境搭建

3．3．2板级支持包开发

3．3．3系统映像开发

3．4本章小结

第4章管道泄漏检测模块设计及实现

4．1管道泄漏检测模块软件架构

4．2管道泄漏检测模块实现

4．3泄漏检测模块测试及实验结果

4．3．1模拟声纳软件功能

4．3．2模块检测结果测试

4．3．3模块稳定性测试

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢