基于超声波虚拟相控阵列的气体泄漏源定位算法研究

摘要

现代工业和生活中均大量使用用于存放和运输高压气体的压力管道以及压力容器，例如气缸、气罐、高压气体管道等。由于自身原因和外部因素，管道经常会发生泄漏事故，既影响人们正常的生产生活，还会造成能源浪费和经济损失。管道气体泄漏检测技术已受到不同领域科研人员的重视，如何快速检测和准确定位泄漏源是目前亟待解决的问题。　　目前常用的泄漏检测和定位方法主要有质量/体积平衡法、负压波法、分布式光纤法、电阻变化法和声发射法。与其它方法相比，声发射法具有定位精度高、检测时间短、误报率低、适应性强等优点，所以利用声发射法对泄漏源进行检测定位成为泄漏检测定位领域研究的热点。声发射法主要可分为时域检测法与空域定位法两种，其中空域方法比时域方法具有更高的检测精度及灵敏度，故该方法在实际的工业应用中最为常用。但是传统的空域法经常使用小阵元数目的L型阵列和U型阵列，同时伴随着多个信号放大器和多路数据同步采集系统的使用，导致系统结构复杂及成本昂贵。同时由于阵元数目的限制，泄漏定位的精度也受到限制。　　针对上述方法存在的问题，本文提出了一种基于仅由两个传感器组成的虚拟相控阵的气体泄漏定位方法。此方法采用单个传感器连续扫描来获得泄漏信号的幅度信息，同时引入参考传感器来获得相位信息。本研究通过使用该方法可以使用两个传感器来构成较大数目的阵列，研究结果表明此方法可以获得高精度的气体泄漏定位结果，显著降低泄漏检测系统的复杂度，同时还可以有效降低系统成本。　　本研究提出了一种基于传统阵列信号处理的虚拟波束形成算法，其将传统的阵列信号处理算法与虚拟阵列相结合，可以有效地估计出气体泄漏的方位。同时该方法使用互功率谱算法去解决使用虚拟阵列造成的信号采集不同步的问题，用算法去代替信号同步采集电路。本研究首先设计了不同阵元数目及不同阵元间距的仿真实验对虚拟波束形成算法精度的影响，实验结果表明定位结果的角度分辨率随扫描阵元的增多而提高;阵元间距远低于半个波长时，随着扫描间距的增大，由于虚拟阵列的阵元数目固定，从而使阵列孔径变大，进而提高了定位的分辨率。然后进行多次实际的气体泄漏检测实验验证提出的气体泄漏定位方法的有效性，并进行了误差分析。结果表明该方法在有效的检测距离内能够高精度地对气体泄漏源进行定位，该方法可以低成本、高效率、高精度地定位泄漏源位置，具有广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究的背景及意义

1．2气体泄漏源检测及其定位方法综述

1．2．1基于硬件的泄漏检测定位方法

1．2．2基于软件的泄漏检测定位方法

1．3声学泄漏检测定位的研究现状

1．4本文的主要工作

2泄漏超声信号的特性研究

2．1超声波信号的声学原理

2．1．1超声波基本特性

2．1．2超声波的传播速度

2．1．3超声信号的传播特性分析

2．2泄漏超声信号的产生及检测原理

2．2．1泄漏源产生超声信号的机理

2．2．2泄漏超声信号的检测机理

2．3本章小结

3泄漏源定位算法分析

3．1基于阵列信号处理的泄漏源定位算法

3．1．1阵列信号模型

3．1．2波束形成算法

3．1．3算法仿真

3．2基于互相关算法的虚拟阵列泄漏源定位算法

3．2．1虚拟阵列技术的基本原理

3．2．2基于双通道的互相关算法

3．2．3虚拟阵列信号模型

3．3提高泄漏源定位精度的方法研究

3．3．1阵元数量对定位结果的影响

3．3．2阵元间距对定位结果的影响

3．4本章小结

4超声波检测定位系统的设计与实现

4．1系统整体概述

4．2硬件实现

4．2．1超声波换能器

4．2．2数据采集卡

4．3软件实现

4．3．1自动化扫描模块

4．3．2数据采集和存储模块

4．4系统测试

4．4．1实验原理验证

4．4．2实验过程与结果分析

4．5本章小结

5结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢