Page 153 - 《应用声学》2020年第3期
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第 39 卷 第 3 期 王强等： 输气管道泄漏的波达时差交叉定位方法 473
间方位信息，对其进行交叉求取空间交点从而完成
0 引言
定位。
随着燃气需求量的逐年提高，由输气管道泄漏
1 管道泄漏定位原理
带来的潜在风险不可避免地随之增加。因此，对管
道泄漏的安全监测已经成为公共安全领域的重要 TDOA 法的基本原理是通过延时估计算法估
内容。目前常用的大范围监测方法 [1−4] 可实现管道 计声波信号到达不同传感器阵元的时差，再结合阵
泄漏位置的粗略定位，但还需要较大范围的搜索定 列与声源的几何关系联立方程解出声源坐标。由
位才能准确找到泄漏位置，整个过程工作量大、耗 泄漏源所产生的声波可分为近场球面波和远场平
时长、不利于快速排查修复漏点。泄漏发生后，管内 面波，理论上平面阵列可实现对近场声源的三维定
高压气体快速喷出并与泄漏孔摩擦振动产生泄漏 位和远场声源的空间方位定位 (相当于二维定位)。
声源，声源位置与泄漏位置高度重合，对该声源进行 图 1 为平面阵列与两种声源的位置关系，当传感器
定位即可实现对管道泄漏的精确溯源。实际工况下 阵列与声源足够近时，声波沿不同方向传播至 4 个
必须对泄漏位置进行三维定位即同时获取其方位 传感器，设声波到达传感器1 ∼ 3相对于参考传感器
和深度信息，才具有应用价值。 的延时分别为 τ 1 、τ 2 、τ 3 。结合延时 τ 1 、τ 2 、τ 3 以及传
基于传感器阵列的声源定位方法主要包括：(1) 感器与声源的位置关系，建立 3 个不相关的方程即
高分辨率谱估计法 [5−6] ，可实现对波达方向的超分 可解出近场声源坐标。
辨率估计，计算量较大；(2)波束形成法 [7−9] ，理论上
z ᤃڤܦູག
可对近场声源进行三维定位，但计算量大幅提高，丁 ᤊڤܦູவՔ
浩等 [10] 提出一种可实现近场声源三维定位的波束
形成方法，对 2 m 以内的 3000 Hz 以上中高频声源
定位误差低于 10%；(3) 波达时差 (Time difference
of arrival, TDOA) 法 [11−15] ，可实现对近场声源的
三维定位且计算量小，杨祥清等 [16] 提出一种基于 ԠᏦ͜
ਖ٨
球形差值的随机梯度下降算法，实现了对三维空间 ͜ਖ٨3 ͜ਖ٨2 y
点声源的精确定位。对管道泄漏声波信号特性的
͜ਖ٨1
研究表明泄漏声波的能量集中在低频波段 [17−18] ， x
低频声波较小的传播衰减以及较强的障碍穿透能 图 1 平面阵列与声源位置关系示意图
力有利于信号的检测与定位。根据近场声源判据 Fig. 1 Relation of position between plane array
r < 2d /λ(r 为声源与阵列距离，d为阵元间距，λ为 and acoustic sources
2
波长)，由于低频声波波长 λ 较长，且实际定位中阵 为提高定位范围，无法始终保持传感器阵列与
元间距 d 不能过大，因此较远距离的低频声源很难 泄漏位置足够近。一方面，由远场判据 r > 2d /λ
2
满足近场判据，其更趋近于远场声源。而平面阵列 可知，将泄漏声源视为远场声源更有利于缩小阵列
只能观测远场声源的空间方位信息，因此基于平面 孔径；另一方面，管道泄漏所产生低频声波的波长
阵列的定位方法无法实现对远场声源的三维定位。 更长，这进一步加剧了泄漏声源趋向远场声源的趋
综上所述，3 种方法中 TDOA 法虽然能以较低的计 势。因此在实际工况下，将泄漏源作为远场声源更
算量进行近场声源三维定位，但不适用于对较远距 具有可操作性。当泄漏源被视为远场声源时，决定
离低频泄漏声源的三维定位。 延时值的变量变为声源相对于阵列的空间方位而
在雷达定位中，常使用多站测向交叉 [19−20] 的 不再是三维坐标。设传感器 1 ∼ 3 与参考传感器的
方法，对不同位置基站所观测信源方向进行交叉以 距离分别为 r 1 、r 2 、r 3 ，两传感器连线与 x 轴夹角为
计算信源距离。为了将TDOA法应用到管道泄漏三 θ 1 、θ 2 、θ 3 。以传感器1为例，图2 为远场平面声波到
维定位中，本文提出一种基于 TDOA的交叉定位方 达传感器1和参考传感器的波程差示意图，θ 为声源
法，将阵列设置在泄漏区域不同位置并获取两组空 方位角，φ为仰角。
