【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下结构气体监测，具体涉及一种水下结构气体泄漏监测装置及方法。
技术介绍
1、随着海洋油气勘探开发力度不断增大，油气管线泄漏的风险也不断增加，因此，水下结构气体泄漏监测系统研究、设计及应用，可用于减少或避免因气体泄漏带来的经济损失和环境污染等问题。
2、目前已经开发出了一些利用被动声呐检测水下管道泄漏的成熟产品，例如挪威naxys公司的水下泄漏监测系统、意大利co.l.mar公司水下声学泄漏检测系统、英国neptune oceanographics公司、英国南安普敦大学海底气体泄漏监测、瑞士weatherford公司水下声学泄漏检测系统的水下声学泄漏检测系统等。利用主动声呐检测水下管道泄漏的成熟产品主要有英国sonardyne公司的声学泄漏检测系统，瑞士weathford公司的didson声学泄漏检测系统等。
3、在中国专利申请cn116557794a中公开了一种前视声呐成像设备的海底输气管道微泄漏检测系统及方法，该系统仅采用主动声呐探测，信号处理方法为脉冲压缩技术和近场动态聚焦技术对采集的微泄漏气泡数据进行高分辨率成像，而后对图像进行降噪。
4、上述的现有技术存在以下问题：
5、1)监测定位装置体积和重量太大(如挪威naxys公司的泄漏监测系统宽1米，高1.8米，在空气中的重量为200-250公斤)，海洋油气田水下结构区域受限，布放和回收难度大；
6、2)主动声呐检测时，水下结构回波强度大于气泡群回波，导致漏报率较高；
7、3)被动声呐检测时
技术实现思路
1、针对当前水下结构气体泄漏监测技术存在的问题，本专利技术设计了一种轻便型主被动联合声呐水下结构气体泄漏监测装置，并提出一种生产噪声干扰下的微弱气体泄漏被动声检测和抗强反射体干扰的水下气体回波增强检测方法，降低布放回收难度、检测虚警概率和漏报概率。本专利技术的水下结构气体泄漏监测装置及方法，采用360°布置的接收基阵和发射基阵可实现360°范围内的监测，且采用先被动预估，再主动确认的监测方式，可有效降低检测虚警概率和漏报概率。
2、根据第一方面，本专利技术提供了一种水下结构气体泄漏监测装置，包括：接收基阵、发射基阵和电子舱，接收基阵和发射基阵均与所述电子舱连接，所述接收基阵包括若干接收水听器阵元，所述发射基阵包括若干发射换能器；接收基阵、发射基阵和电子舱均安装在监测本体上，所述监测本体呈圆柱状，所述接收水听器和发射换能器均匀地分布在监测本体圆周上；
3、所述接收基阵实时采集水下噪声信号，当采集到疑似水下结构气体泄漏噪声特征信号并估计出疑似气体泄漏噪声的方位后，可覆盖该方位的发射换能器发射高频双极性声脉冲，该方位附近的接收水听器阵元检测微弱气泡群反射回波。
4、进一步地，所述发射换能器设有八个，每个发射换能器水平开角45°，八个发射换能器覆盖周向360°。发射换能器采用mems工艺制作，发射频率为80khz～100khz，声源级200db，发射信号脉宽1ms。
5、进一步地，所述接收基阵为圆环形，接收频率覆盖100hz～100khz，其由200个接收水听器阵元组成，阵元间距为0.75cm。
6、根据第二方面，本专利技术还提供了一种水下结构气体泄漏监测方法，包括：
7、步骤s1：接收基阵实时采集水下噪声信号，并判断是否检测到生产噪声或气体泄漏噪声，若接收基阵检测到生产噪声或气体泄漏噪声，则统计分析生产噪声或气体泄漏噪声的频域能量分布，分析其差异；
8、步骤s2：根据生产噪声和水下结构气体泄漏噪声频域能量分布差异特性，设计分频带空间导向矢量a(f,θ)；
9、步骤s3：基于累积的水下生产噪声和环境噪声，采用分频带空间导向矢量a(f，θ)设定检测门限，将后续采集的阵元域数据经频带累积相干空域处理后，与检测门限比较，大于检测门限则判定为检测到气体泄漏噪声，并估计出疑似气体泄漏噪声方位θd；
10、步骤s4：检测到气体泄漏噪声并估计出疑似气体泄漏噪声的方位后，可覆盖该方位的发射换能器发射高频双极性声脉冲；
11、步骤s5：疑似气体泄漏噪声方位附近的接收水听器阵元接收回波，采用线性强反射抑制方法检测微弱气泡群反射回波，进行平滑滤波；
12、步骤s6：取平滑滤波信号输出最大值，同预设门限比较，并采用连续性判断准则，连续多个回波的平滑滤波信号输出最大值均大于门限，则判定为此处为气体泄漏，并采用相关和波束形成方法定位气体泄漏位置。
13、进一步地，所述步骤s1中，判断是否检测到生产噪声或气体泄漏噪声的步骤包括：
14、步骤s11：将接收基阵接收到的阵元域数据x采用常规波束形成，得到波束功率输出p(θ)；
15、p(θ)＝wrwh＝wxxhwh
16、其中，w为导向矢量，xh表示对x进行共轭转置，wh表示对w进行共轭转置；
17、步骤s12：计算波束功率输出最大值max[p(θ)]，并与预设门限threshold比较，若波束功率输出最大值max[p(θ)]大于预设门限threshold，则判定为检测到生产噪声或气体泄漏噪声；其检验形式为：
18、
19、进一步地，步骤s1中，采用皮尔逊相关系数分析生产噪声和气体泄漏噪声的频域能量分布差异；皮尔逊相关系数r表示为：
20、
21、y生产＝fft[y生产]
22、y泄漏＝fft[y泄漏]
23、y生产为θd方向的波束域生产数据；y泄漏为θd方向的波束域泄漏数据；θd为估计方位。
24、进一步地，所述步骤s2中，分频带空间导向矢量a(f，θ)满足：
25、
26、subject to φsa(f，θ)≤ε
27、
28、其中，||·||表示向量的12范数；w(θ)表示导向矢量，r泄漏表示泄漏噪声的协方差矩阵，r生产表示生产噪声的协方差矩阵，φs表示12范数运算，ε表示固定预设参数，表示目标方位集。
29、进一步地，所述步骤s3中，将后续采集的阵元域数据经频带累积相干空域处理后，与检测门限比较的检验形式为：
30、
31、r表示阵元接收噪声数据的协方差矩阵；当后续采集的阵元域数据经频带累积相干空域处理后大于检测门限threshold′时，初步判定为泄漏，此时r为r泄漏；当小于检测门限threshold′时，初步判定为生产噪声，此时r为r生产。
32、估计出的疑似气体泄漏噪声方位θd为：
33、
34、进一步地，步骤s4中，高频双极性脉冲信号表达式为：
35、s(t)＝γ1(t)+γ2(t)＝γ(t)-γ1(t-τ)
36、式中：γ1(t)和γ2(t)表示2个极性相反、有时延间隔的包络调制脉冲，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种水下结构气体泄漏监测装置，包括：接收基阵、发射基阵和电子舱，接收基阵和发射基阵均与所述电子舱连接，所述接收基阵包括若干接收水听器阵元，所述发射基阵包括若干发射换能器；其特征在于，
2.如权利要求1所述的水下结构气体泄漏监测装置，其特征在于，所述发射换能器设有八个，每个发射换能器水平开角45°，八个发射换能器覆盖周向360°。
3.如权利要求1或2所述的水下结构气体泄漏监测装置，其特征在于，所述接收基阵为圆环形，接收频率覆盖100Hz～100kHz，其由200个接收水听器阵元等间距分布组成。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的一种水下结构气体泄漏监测装置的监测方法，其特征在于，包括：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，判断是否检测到生产噪声或气体泄漏噪声的步骤包括：
6.如权利要求5所述的方法，步骤S1中，采用皮尔逊相关系数分析生产噪声和气体泄漏噪声的频域能量分布差异；皮尔逊相关系数r表示为：
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，分频带空间导向矢量A(f,θ
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，将后续采集的阵元域数据经频带累积相干空域处理后，与检测门限比较的检验形式为：
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S4中，高频双极性脉冲信号表达式为：
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，采用线性强反射抑制方法检测微弱气泡群反射回波的步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种水下结构气体泄漏监测装置，包括：接收基阵、发射基阵和电子舱，接收基阵和发射基阵均与所述电子舱连接，所述接收基阵包括若干接收水听器阵元，所述发射基阵包括若干发射换能器；其特征在于，
2.如权利要求1所述的水下结构气体泄漏监测装置，其特征在于，所述发射换能器设有八个，每个发射换能器水平开角45°，八个发射换能器覆盖周向360°。
3.如权利要求1或2所述的水下结构气体泄漏监测装置，其特征在于，所述接收基阵为圆环形，接收频率覆盖100hz～100khz，其由200个接收水听器阵元等间距分布组成。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的一种水下结构气体泄漏监测装置的监测方法，其特征在于，包括：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：岳雷，杨冲，丁明惠，罗松，张国光，焦瑜呈，
申请(专利权)人：昆明船舶设备研究试验中心中国船舶集团有限公司七五〇试验场，
类型：发明
国别省市：
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