贾宗贤 中原油田生产管理处

基于小波变换的天然气管道次声波信号分析

贾宗贤 中原油田生产管理处

在天然气管道发生泄漏时，由于管道内外压强相差较大，喷出的气流会产生较强的噪声，引发周围介质的能量波动。其中的一部分能量通过管道内的气体介质沿管道向两端传播，经长距离的衰减后，只剩下频率在次声范围内的成分尚保存较大的能量。次声传感器就是专门为获取管道内的这种低频能量波动而研制的。当管道发生泄漏时所产生的信号和管道正常工作时的本体信号在次声频段内存在明显的频带差异或能量差异（又称奇异性）时，就可以检测出管道发生泄漏所产生的次声波信号，利用小波变换理论进行定位报警。

天然气管道；泄漏；次声波信号；小波变换

1 天然气泄漏检测和定位原理

在天然气管道发生泄漏时，由于管道内外压强相差较大，喷出的气流会产生较强的噪声，引发周围介质的能量波动。其中的一部分能量通过管道内的气体介质沿管道向两端传播，经长距离的衰减后，只剩下频率在次声范围内的成分尚保存较大的能量。次声传感器就是专门为获取管道内的这种低频能量波动而研制的。当管道发生泄漏时所产生的信号和管道正常工作时的本体信号在次声频段内存在明显的频带差异或能量差异（又称奇异性）时，就可以检测出管道发生泄漏时产生的次声波信号，利用小波变换理论对其进行定位报警。

管道泄漏检测通常采用如下公式进行泄漏点的定位计算[1]

式中x为泄漏点到管道起始端传感器的距离；s为管道两端传感器之间的管道长度；v为次声在管道介质中传播的速度；ts为起始端传感器收到管道泄漏信号的绝对时间；te为终止端传感器收到管道泄漏信号的绝对时间；Δt为管道两端传感器收到管道泄漏信号的时间差。

2 小波变换理论

小波变换技术是上世纪八十年代发展起来的新理论，它的作用类似经典的傅立叶分析，利用小波基代替了经典的正弦波基。与传统的短时傅立叶变换相比，小波变换既保留了短时傅立叶变换的优点，又弥补了其不足，从具有正则性、局部性、振动性的子波函数出发，通过平移和伸缩为L2()R空间提供了一类新的正交基。这种具有局部特征与逼近性的小波基被广泛地应用于非平稳信号的分析[2-3]。

小波变换定义为

小波变换的基本思想是用一族函数去表示或逼近一信号，这一族函数称为小波系数，它是通过一小波母函数的伸缩和平移产生其“子波”来构成的，用其变换系数即可描述原来的信号。

由于信号在其变化点处通常是奇异的，因此，利用小波变换的时间-尺度特性，可以有效地检测信号的奇异性。此外，小波变换还可以抑制噪声，从而检测出强噪声背景下的信号奇异点，获取信号变化的极值和时间等信息。这些信息为天然气管道泄漏检测和定位提供了重要的依据。

3 天然气管道泄漏次声波信号分析

在天然气泄漏检测实验中，管道首末端检测点之间的距离为6.4 km，管道运行压强为1 MPa，两端压强差和温度差较小。实验目的是在一端模拟管道泄漏时，在另一端能够检测到泄漏产生的次声波信号。这样可以确保管道上任何一点发生泄漏时，管道两端的次声波传感器都能检测到泄漏信号，以便实现双边定位。

图1为泄漏点在管道首端检测点附近时，管道末端的次声传感器采集的次声波信号波形；图2为泄漏点在管道末端检测点附近时，管道首端次声传感器采集的次声波信号波形。由图1（a）和图2（a）可知，在小波变换前，由于管道内的背景干扰噪声较强，用肉眼极难从原始波形图中分辨出管道泄漏时产生的次声波信号。经过小波变换后，管道内的背景干扰噪声被大大降低，不仅可以分辨出管道泄漏时产生的次声波信号，而且，泄漏信号具有较高的信噪比，如图1（b）和图2（b）所示。

信号分析结果表明，经过小波变换处理，天然气管道在泄漏时所产生的次声波信号的信噪比大大提高，从而可以确保泄漏检测和定位的准确性。

图1 管道首端泄漏，管道末端的次声波信号波形

图2 管道末端泄漏，管道首端的次声波信号波形

4 结论

在天然气管道泄漏检测系统中，检测点常因维护等方面的原因被设置在背景噪声较强的管道环境中，而管道泄漏产生的次声波信号在经过长距离衰减后很可能淹没在背景噪声中。因此，小波变换的抑制噪声作用在整个检测过程中非常重要。对于信噪比明显的信号，可以很容易地获得其极值点和时间点等信息。通过神经网络等模式识别算法，可以判别出所检测的信号是否是管道泄漏所产生的次声波信号，从而进一步对泄漏点进行定位和报警。

[1]杨理践，景晓斐，宫照广．输气管道音波泄漏检测技术的研究[J].沈阳工业大学学报，2007，29（1）：70－73．

[2]胡广书．现代信号处理教程[M]．北京：清华大学出版社，2004．[3]杨福生．小波变换的工程分析与应用[M]．北京：科学出版社，1999．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.006

贾宗贤：高级工程师，1981年毕业于胜利石油学校油气储运专业，现任中原油田生产管理处处长。(0393)4831118、jzx1699@126.com

（栏目主持 杨 军）