ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ УТЕЧЕК ГАЗА Российский патент 2016 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к акустическим устройствам для обнаружения утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, для локализации и исследований природных источников газов под водой, а также для количественной оценки объемов выходящих в области дна газов. Гидроакустическая станция, в специализированных вариантах, также может применяться в машиностроении - в системах управления и контроля газожидкостных двигателей, в газо-жидкостных системах кондиционирования, в химической промышленности и технологиях - для контроля герметичности трубопроводов с опасными газожидкостными потоками, в теплоэнергетике - для диагностики процессов, происходящих в режимах пузырькового кипения, в медицине - в системах визуализации пузырьков в организме и физиотерапевтических методиках лечения и других сферах.

В промышленных секторах добычи и транспортировки газа и газожидкостных сред активно ведется разработка устройств и систем, способных обнаруживать утечки газа на всех стадиях, от добычи до использования газа конечными потребителями. К таким системам относятся, например, пассивные акустические системы обнаружения утечек газа из технических систем в водных акваториях и устройства для исследований придонных выходов природных газов, которые выполняют измерения эмиссионного акустического шума утечек газа на фоне окружающего шума и основаны на регистрации эмиссионного излучения пузырьков, выходящих из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов на дне моря (п. США №5557969, G01N 29/20, в.з. WO 02/025239 A1, G01M 3/24, п. РФ №2480789; G01S 15/00). Преимуществом таких устройств для мониторинга технических систем является обнаружение мест утечек без нарушений целостности трубопроводов. Кроме того, они легко модифицируются для труб различных размеров. Однако необходимо большое количество акустических преобразователей для контроля большого количества трубопроводов.

В технических системах, использующих активные методы локализации и определения характеристик утечек и выходов газа, выполняется излучение акустических сигналов в исследуемую водную среду, сигналы распространяются в водной среде с процессами отражения и преломления, затем осуществляется прием и регистрация отраженных и (или) преломленных в водной среде акустических сигналов и на основе сформулированной модели распространения акустических сигналов в среде зарегистрированные акустические сигналы анализируются и обрабатываются. По результатам обработки принятых сигналов определяются координаты источника пузырьков и рассчитываются параметры газожидкостных потоков.

В активных системах обнаружения утечек газа используют стандартные судовые акустические излучающие системы - параметрический гидролокатор Parasound system (Atlas Hydrographic), многолучевой донный гидролокатор ЕМ 710 (Kongsberg) или гидролокатор бокового обзора DT MS 1000, установленный на подводном аппарате [Nikolovska A., Sahling Н and Bohrmann G. Hydroacoustic methodology for detection, localization, and quantification of gas bubbles rising from the seafloor at gas seeps from the eastern Black Sea // Geochemistry Geophysics Geosystems (G3), An Electronic Journal Of The Earth Sciences, Volume 9, Number 10, 16 October 2008, Q10010]. Недостатком таких систем являются низкая чувствительность измерений параметров потоков газа для источников с небольшими объемами выхода газа и ограниченная дальность локализации источников с низкой объемной плотностью и для случаев нерезонансных пузырьков с небольшим сечением рассеяния, а также технические трудности мониторинга с целью определения объема выходящего газа на длительных периодах времени.

Для автоматического обнаружения газовых сипов в области дна предложено использование интерферометрического локатора бокового обзора, установленного на автономном подводном аппарате. Схема измерений реализуется с помощью одного излучателя и двух приемников акустических сигналов. Интерферометр позволяет проводить с высокой точностью и чувствительностью локализацию и идентификацию выходов газа на дне в момент конкретных измерений. [Blomberg А.Е.A., Nilsen C.-I.С., Saebø Т.О., Hansen R.Е., Austeng A. "Detecting and localizing gas seeps at the seafloor using an interferometric sidescan sonar" // Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), р. 597-604]. Данное техническое решение не может использоваться для оперативного обнаружения и длительного мониторинга во времени утечек газа в добывающих и газотранспортных системах и для локализации «спящих» сипов.

Известно устройство для диагностики магистральных трубопроводов путем обнаружения утечек из трубопроводов, установки мест утечек и отслеживания перемещения облака выходящего газа в зонах морских нефтегазовых терминалов и в зонах интенсивного судоходства (п.РФ №2445594; G01M 3/24). Устройство представляет собой локатор для обзора трубопровода, датчики измерения деформаций и механических перемещений, установленные на поверхности трубопровода и соединенные с пультом управления, при этом локатор выполнен в виде гидроакустической системы, включающей эхолот, гидролокатор бокового обзора, высокочастотный и низкочастотный профилограф, спутниковую навигационную систему и кроме этого содержит датчик определения концентрации метана, причем гидроакустическая система и датчик метана соединены посредством кабеля-троса с приемной станцией, размещенной на поверхности воды и сочлененной со стабилизирующим устройством, выполненным в виде подводного паруса, и снабженной спутниковым каналом связи и движителем; датчик метана и приемоизлучающие устройства гидроакустической системы (антенны эхолота, гидролокатора бокового обзора, накачки параметрических профилографов) размещены в забортной части приемной станции, которая выполнена в виде подводного зонда.

К недостаткам данного технического решения можно отнести ограниченность числа объектов утечек - подводных магистральных трубопроводов, открыто лежащих на дне в географических районах, где отсутствуют иные, чем магистральный трубопровод, источники газа, невозможность оперативного обнаружения момента начала утечки и точной локализации мест технических утечек или природных выходов газа, поскольку объектом обнаружения и мониторинга являются «облака газа» под водой, а наличие «пузырьковых облаков» метана от природных выходов газа (сипов) в районах добычи и транспортировки газа будет приводить к появлению ошибок идентификации источников газа и ложным тревогам.

Известны устройства и системы, применяющие активно-пассивные акустические методы, которые используют совмещенные или разные датчики приема и излучения акустических сигналов, которые могут объединяться в антенны (линейные плоские или объемные).

Предложена активно-пассивная акустическая система на базе обратимого многолучевого сонара с высоким пространственным разрешением SEABAT 7128 [Wendelboe G., Barchard S.M., Maillard Е., Bjørnø L. High-resolution multibeam sonar for subsea leakage detection // Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), р. 894-901]. Компактная антенна сонара состоит из 256 гидрофонов и имеет матрицу диаграммы направленности 1280 по горизонтали и 280 по вертикали с разрешением 0,5°. Результаты измерений обратного рассеяния импульсных сигналов и регистрации акустической эмиссии с помощью антенны и аппаратуры обработки сигналов позволили в активном режиме на частоте 400 кГц на расстояниях до 200 метров проводить визуализацию небольших утечек газа. В смешанном активно-пассивном акустическом режиме системой была выполнена идентификация, локализация и определение мест выхода газа в контролируемых условиях на дистанциях до 70 метров.

Недостатком данной комбинированной акустической системы является работа только в линейном режиме с использованием одной (высокой) частоты при излучении и приеме акустических сигналов, что не позволяет обнаруживать эмиссионные сигналы утечек, имеющих диапазон спектра шума выше или ниже рабочей частоты (400 кГц). Также имеется ограничение дальности обнаружения утечек газа ввиду уменьшения амплитуды отраженных сигналов за счет затухания при распространении и в результате нерезонансного отражения акустических сигналов пузырьками.

Известна гидроакустическая стационарная система (ГАСС) контроля технического состояния глубоководного трубопровода (п. РФ №2193724; G01M 3/24). Сущность изобретения заключается в том, что параллельно контролируемому участку трубопровода устанавливают гидроакустическую антенну, а на ней дополнительно ряд акустических приемоизлучателей с заданным шагом. На трубопроводе устанавливают с тем же шагом последовательность акустических приемоответчиков с датчиками глубины. Гидроакустическая антенна, формирующая веер диаграмм направленности, позволяет определить координаты возможного места утечки продукта из трубопровода. Система приемоизлучателей - приемоответчиков позволяет определять горизонтальные координаты, а датчики глубины - вертикальные координаты. В случае появления в трубопроводе течи на вход гидрофонов одной из гидроакустических антенн поступает высокочастотный шум утечек. Причем после формирования веера характеристик направленности максимальные уровни высокочастотного шума будут приниматься характеристикой направленности, ориентированной на участок трубопровода с местом утечки. В заданные моменты времени приемоизлучатели излучают акустические сигналы на приемоответчики. В эти же моменты времени по сигналу таймера блок управления переводит приемоответчики в режим приема сигналов и после приема сигнала и его обнаружения в блоке управления последний посылает команду приемоизлучателю и тот излучает ответный сигнал. При этом в излученном сигнале амплитуда несет информацию о координатах и глубине данного участка трубопровода (координата Z), поскольку выходной сигнал датчика глубины предварительно модулирует излученный сигнал соответствующего приемоответчика. Принятые приемоизлучателями сигналы по подводному кабелю направляются для анализа и определения места утечки на береговую аппаратуру. ГАСС позволяет проводить мониторинг утечек в трубопроводе непрерывно или периодически с заданной цикличностью.

К недостаткам системы следует отнести низкую чувствительность и помехоустойчивость обнаружения слабых утечек (по уровням эмиссионных сигналов), а также утечек на ранних стадиях потери герметичности элементами конструкций и в процессе развития деструктивных процессов (до физического разрушения конструкций). Критерий для идентификации утечки газа в трубопроводе реализуется только для мощных утечек газа при разрушениях, возникающих в процессе быстропротекающих динамических нагрузок (внешних ударах, перегибах и изломах) магистральных трубопроводов, лежащих открыто на дне, а также в конечной стадии разрушения стенок газопровода и образовании сквозных отверстий большой площади на завершающей стадии процессов коррозии стенок и разрушения сварных швов.

Известно устройство для акустических исследований в среде с целью обнаружения объектов, акустический импеданс которых отличается от импеданса окружающей среды, основанное на использовании физического принципа обращения времени акустических сигналов [п. США №5428999]. Устройство включает по крайней мере один обратимый приемопередатчик, осуществляющий излучение в среду расходящегося звукового пучка. Эхо-сигнал, отраженный в среде, принимается антенной из нескольких обратимых преобразователей. Сигналы эха, поступающие от конкретных областей среды, выделяются с помощью заданного временного окна. Принимаемые эхо-сигналы сохраняются, обращаются во времени и снова излучаются в среду. Вновь отраженные в среде сигналы снова сохраняются, а операция обращения времени и излучения новых сигналов повторяется. После заключительного сохранения и излучения обращенного во времени сигнала ранга 2n+1 (где N является положительным ненулевым целым числом) определяется характер волнового фронта за все время исследований в виде распределения времени максимумов сигналов на всех приемопередатчиках и производиться его аппроксимация с помощью полиномиального закона. Основным недостатком данного устройства для идентификации локализации выходящего газа является неопределенность выбора частоты заполнения и задание моментов времени излучения первого импульса подсветки.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для обнаружения и/или определения положения отражающего источника звука (патент США №6161434, G01N 29/14). Устройство включает антенный блок, состоящий из двух приемных и одной излучающей антенн, и аппаратурный блок, включающий блоки хранения электрических сигналов от преобразователей приемных антенн, блок обращения времени и формирования сигнала возбуждения, соединенный с датчиками излучающей антенны, и блок управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука. Датчики первой приемной антенны блока, принимающие сигналы окружающего акустического шума, соединены последовательно с первым блоком хранения электрических сигналов, который в свою очередь соединен с блоком обращения времени и формирования сигналов возбуждения, выход которого соединен с датчиками антенны блока, излучающими сигнал возбуждения. Акустические эхо-сигналы, полученные в ответ на сигнал возбуждения, принимаются преобразователями второй приемной антенны блока, последовательно соединенными со вторым блоком хранения и блоком управления и расчетов для обнаружения возможного присутствия отражающего источника звука в виде облака пузырьков в жидкости, импеданс которого отличается от импеданса чистой жидкости.

Для обнаружения утечек газа из проходящего по дну газопровода используют антенну из буксируемых обратимых приемопередатчиков, объединяющую функции всех трех антенн. Работу всего устройства контролирует блок управления и расчетов, в частности, путем синхронизации записи данных в память блоков хранения с приемных преобразователей антенного блока и выборки значений из памяти первого блока хранения, для формирования сигнала возбуждения и выборки данных из памяти второго блока хранения, для обработки сигналов и обнаружения отражающего источника звука. С помощью преобразователей первой приемной антенны устройство выполняет прием сигналов акустического шума в области исследований, электрические сигналы с каждого датчика, соответствующие сигналам окружающего акустического шума, регистрируют, обращают во времени, усиливают и с помощью датчиков излучающей антенны снова переизлучают в среду. Распространяясь в среде, сигналы рассеиваются как облаком пузырьков, так и другими объектами среды, имеющими скачки импеданса на границе вода-объект, например дно и объекты на дне, труба газопровода, биологические объекты и т.д. Отраженные сигналы принимаются преобразователями второй приемной антенны, регистрируются и анализируются для обнаружения и выделения среди всех зарегистрированных сигналов, отраженных от границ со скачками импеданса, сигнала, отраженного именно облаком пузырьков. Блок управления и расчетов выполняет анализ и классификацию полученных отраженных сигналов, в частности, по присутствию в зарегистрированных сигналах отраженных импульсных сигналов. Чувствительность системы повышают добавляя, при необходимости, одну или более итераций процесса обращения во времени и переизлучения принимаемых сигналов.

Необходимым условием идентификации и локализации отражающего эмиссионного источника излучения, которым является утечка газа из газопровода, лежащего на дне, является то, чтобы отраженные звуковые сигналы от области с пузырьками («пузырькового облака») находились в тех же условиях распространения, что и звуковые эмиссионные сигналы, полученные в ходе первоначальной пассивной стадии. Это справедливо в случае, если время каждого цикла измерения будет меньше, чем время, за которое происходят процессы дефокусировки инвертированного сигнала, что может не выполняться для случая всплывающих пузырьков в облаке или для технических систем, использующих движущиеся приемно-излучающие антенны.

Кроме того, недостатками известной системы в части обнаружения и определения положения облака эмиссионных пузырьков газа в жидкой среде являются:

- сложность обнаружения сигнала в начальной пассивной стадии из-за низкого интегрального уровня сигналов суммарного эмиссионного излучения пузырьков и высокого интегрального уровня окружающих шумов в рабочем диапазоне частот (соотношение сигнал/шум порядка 1), и

- в силу затухания при распространении эмиссионного сигнала происходит потеря части энергии прямого и отраженных от границ составляющих эмиссионного сигнала, в результате этого значительно снижается эффективность процесса обращения (обращаемый во времени сигнал содержит укороченный первичный эмиссионный сигнал из-за снижения эффективной длительности полезного сигнала, соответствующей длительности сигнала для амплитуды выше уровня шумов), таким образом переизлучается и фокусируется на каждом эмиссионном пузырьке небольшая часть (по длительности) от излученной пузырьком энергии сигнала, что в свою очередь приводит к

- уменьшению амплитуды и длительности отраженного пузырьками сигнала и за счет этого к снижению вероятности обнаружения и точности локализации эмиссионных пузырьков;

- увеличению вероятности ошибок идентификации эмиссионного объекта, как на пассивной, так и на активной стадиях обнаружения из-за ограниченного количества признаков для принятия решения о начале утечки;

- возрастанию сложности реализации измерений в непрерывном режиме реального времени ввиду большого объема и необходимой скорости вычислений для обнаружения эмиссионного сигнала для природных сипов или при техногенных утечках газа необходимости повторений итерационного процесса переизлучений сигналов и увеличением длительности принимаемых и переизлученных сигналов;

- снижению эффективности и техническим трудностям локализации пульсирующих и «спящих» источников эмиссионных сигналов из-за неопределенности мест и моментов начала выходов газа для варианта буксируемых приемопередатчиков;

- следует отметить также, что известное устройство не позволяет осуществлять длительный мониторинг во времени и определять количество выходящего из источника газожидкостного потока.

Задача заявляемого изобретения - создание гидроакустической станции пассивно-активного обнаружения, идентификации, локализации и мониторинга случайных во времени аварийных утечек газа из газотранспортных систем и природных выходов газа на дне, работающей в широком диапазоне параметров выходящего потока газа.

Технический результат - оперативность обнаружения, снижение числа ложных тревог при нарушении герметичности или разрушении в области контроля, надежная идентификация объектов эмиссии, повышение точности определения мест выходов газожидкостных потоков, а также определение количественных параметров газовых потоков в широком диапазоне концентраций пузырьков с возможностью мониторинга исследуемых процессов во времени.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемой гидроакустической станции для обнаружения утечек газа, включающей антенный блок, состоящий из двух приемных и одной излучающей антенн, и аппаратурный блок, включающий блоки хранения электрических сигналов от преобразователей приемных антенн, блок обращения времени и формирования сигнала возбуждения, соединенный с датчиками излучающей антенны, и блок управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука, при этом аппаратурный блок дополнительно снабжен системой создания узкополосного рабочего сигнала для формирования сигнала возбуждения, частота которого соответствует частоте эмиссионного излучения образующегося пузырька, включающей блок расчета и анализа спектров принятых сигналов акустического шума, блок анализа полученных спектров, для выделения импульсного эмиссионного сигнала, излучаемого образующимся пузырьком, и блок полосовой фильтрации, снабженный коммутатором, при этом выход блока хранения электрических сигналов от преобразователей приемной антенны исходных сигналов соединен с блоком расчета спектров принятых сигналов, выход которого соединен с блоком анализа полученных спектров, один из выходов которого соединен с блоком хранения электрических сигналов от приемных преобразователей первой антенны, а другой - с блоком полосовой фильтрации, входы которого соединены с выходами блоков хранения электрических сигналов от преобразователей приемных антенн, а выходы - с блоком обращения времени и формирования сигнала возбуждения и блоком управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука.

Предлагаемая гидроакустическая станция (ГАС) включает систему создания узкополосного рабочего сигнала для формирования сигнала возбуждения, частота которого соответствует частоте эмиссионного излучения образующегося пузырька, блоки аппаратуры и алгоритм управления которой реализуют пассивное обнаружение эмиссионного резонансного излучения пузырьков в момент их отрыва от твердых поверхностей и, в активной стадии, выполняют фокусировку акустического поля на пузырьке путем обращения во времени и излучения принятых эмиссионных сигналов. Идентификация и определение положения образующихся пузырьков (локализация утечки или природного выхода газа) производится в блоке управления и расчетов путем анализа резонансно рассеянных на пузырьке акустических сигналов.

Обнаружение технических утечек и природных выходов газа с помощью заявляемой системы основано на регистрации выходящих пузырьков газа, которые излучают эмиссионные сигналы при отделении от твердой поверхности, свойства которых, а именно импульсные сигналы с монохроматическим заполнением, экспоненциально затухающей во времени амплитудой и длительность от 5 до 30 периодов поля, известны [Maksimov А.О., Burov В.A., Salomatin A.S., and Chernykh D. V. Sounds of marine seeps: A study of bubble activity near a rigid boundary // J. Acoust. Soc. Am. 136, p. 1065-1076, 2014]. Идентификация сигнала эмиссии и надежность отнесения полученного сигнала к вышедшему пузырьку газа основывается на уникальности каждого пузырька как резонансной системы с высокой добротностью и собственной резонансной частотой, определяемой радиусом пузырька и параметрами газа и окружающей жидкости. Оперативность обнаружения начала утечки или природного выхода газа достигается путем регистрации уже первых образовавшихся пузырьков, а высокую точность локализации обеспечивает процедура переизлучения обращенных во времени эмиссионных сигналов, пространственная и временная фокусировка на пузырьке акустического поля и последующие прием, регистрация и анализ параметров сигналов, резонансно рассеянных на выходящем пузырьке, а не на области среды, имеющей отличный от чистой жидкости импеданс [Maksimov А.О., Polovinka Yu. А. Time reversal technique for gas leakage detection // J. Acoust. Soc. Am. 137 (4), p. 2168-2179, 2015].

На Фиг. 1 представлена блок-схема станции, а на Фиг. 2 - функциональная схема работы станции, где R1 и R3 - блоки приемных антенн антенного блока 1, S2 - блок излучающей антенны, 2R1 и 2R3 - блоки хранения приемных антенн R1 и R3 соответственно, 3 - блок расчета и анализа спектров принятых сигналов акустического шума в районе контроля, 4 - блок анализа спектров для выделения импульсного эмиссионного сигнала, излучаемого образующимся пузырьком, 5 - блок полосовой фильтрации, 6 - блок обращения во времени и формирования сигналов возбуждения, 7 - блок управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука, 8 - линия связи с центром мониторинга (ЦМ) или оператором (BCU).

Фиг. 3. Эмиссионный сигнал вблизи пузырька.

Фиг. 4. Вид эмиссионного сигнала в месте приема.

Фиг. 5. Вид суммарного сигнала шума и эмиссионного излучения S_em(t) принимаемого датчиками антенны R1.

Фиг. 6. Результаты спектральной обработки и идентификация эмиссионного сигнала в блоке 3: (а) - спектр сигнала, (б) - временная спектрограмма сигнала.

Фиг. 7. Вид принятого суммарного сигнала шума и эмиссионного излучения после полосовой фильтрации в устройстве 5.

Фиг. 8. Вид обращенного во времени сигнала Smv(t) на выходе устройства 6.

Фиг. 9. Вид рассеянного пузырьком акустического сигнала S_r(t): (а) - вблизи пузырька, (б) - вблизи приемной антенны R3; (с) - сумма рассеянного сигнала и сигнала окружающего шума вблизи приемной антенны R3.

Фиг. 10. Вид сигнала на выходе блока 5 антенны R3 после полосовой фильтрации на частоте f_R.

Все блоки станции могут находиться в общем водонепроницаемом корпусе, а блок приемно-излучающей антенны (1) может быть как выносным, так и встроенным в общий аппаратурный корпус.

Базовый вариант ГАС может быть как элементом глобальной системы, так и функционировать автономно, под управлением программы, передавая сигналы тревоги о возникновении утечек или текущую информацию о наличии выходов газа и их параметрах по линии связи (8) в центры мониторинга (НМ), или работать под управлением команд оператора (BCU). При этом линия связи может быть с оптическими или электрическими информационными жилами и должна содержать токопроводящие жилы, по которым производится электропитание станции. В автономном режиме питание станции может обеспечивать аккумуляторный блок.

Блок антенны и блоки, помещенные в аппаратурный корпус, размещают стационарно в области исследований.

Известно, что резонансные свойства пузырька проявляются в виде пульсаций поверхности газового пузырька в жидкости с частотой собственных резонансных колебаний f_R в диапазоне частот от 0,1 кГц до 5 МГц с экспоненциально затухающей во времени амплитудой и длительностью от 5 до 30 периодов [Leighton, Т.G. From seas to surgeries, from babbling brooks to baby scans: the acoustics of gas bubbles in liquids // Int. J. Mod. Phys. В, V. 18, p. 3267-3314, 2004]. Пульсирующий пузырек излучает акустический импульсный сигнал, амплитуда и частота заполнения которого соответствует виду пульсаций его поверхности, фиг. 3.

Распространяясь в неоднородной среде, эмиссионный импульсный сигнал преломляется и отражается на фазовых границах, имея в месте приема вид, приведенный на фиг. 4.

Сигналы окружающего акустического шума в районе наблюдений содержат прямой сигнал и реплики эмиссионного излучения, а также некоррелированный акустический шум (фиг. 5).

Порядок работы ГАС включает прием в диапазоне частот от 0,1 кГц до 5 МГц суммарного сигнала окружающего акустического сигнала шума и эмиссионного излучения вида, фиг. 5, всеми расположенными стационарно приемными датчиками R_i (1, 2, …, N) антенного блока R1. Приемные датчики (1, 2, …, N) Ri снабжены встроенными устройствами для усиления и преобразования соответствующих электрических сигналов в аналого-цифровой вид. Усиленные сигналы непрерывно в цифровом виде сохраняются в запоминающем блоке 2R1 с аппаратурным управлением хранением и чтением данных первой антенны. Далее данные считываются из блока 2R1 и также непрерывно поступают в блок 3 для расчета спектров принятых сигналов акустического шума и построения спектрограмм, при этом окном выборки спектрального анализа и временным сдвигом построения спектрограмм блока 3 управляет блок 4 анализа спектров. На фиг. 6 приведены в графической форме результаты цифровой обработки сигнала вида, фиг. 5, в блоке 3.

Результаты спектральной обработки сигналов, фиг. 6, передаются из блока 3 в блок 4 анализа для автоматического определения в спектрах сигнала и спектрограммах максимальных значений спектральных составляющих, нахождения частоты f_R для выделенной спектральной составляющей и соответствующей резонансной частоте пульсаций пузырька, а также выделение импульсов, имеющих экспоненциально затухающую во времени амплитуду и длительность импульса от 5 до 30 периодов. Получаемые первичные данные и результаты обработки на этом этапе могут контролироваться (корректироваться) оператором с помощью вычислительного устройства (BCU) и/или передаваться по линии связи в центр мониторинга ЦМ. Обнаружив на текущем временном отрезке сигнала наличие импульсов вида, фиг. 3, блок 4 извлекает этот временной отрезок из блока 2R1 и направляет его в блок 5, где выполняется его фильтрация полосовым фильтром с центральной полосой f_R, ранее определенной в блоке 4 и соответствующей частоте эмиссионного излучения образующегося пузырька. Результат такой фильтрации для сигнала вида фиг. 5, приведен на фиг. 7. Далее полученный сигнал поступает в блок 6, где выполняется обращение сигнала во времени, цифроаналоговое преобразование, усиление и формирование сигнала возбуждения, S_inv(t). На фиг. 8 приведен вид сигнала S_inv(t) на выходе блока 6.

Из блока 6 сигнал поступает в блок датчиков излучающей антенны S2 и излучается акустическим датчиком S2_i. Процедура выполняется параллельно для сигналов со всех приемных датчиков антенны R1 и излучающих датчиков антенны S2.

В результате физического эффекта обращения времени излученные акустические сигналы распространяются по тем же траекториям, что и принятые эмиссионные импульсы, и фокусируются на эмиссионном пузырьке. За счет узкой частотной полосы излучаемых сигналов пространственная и временная фокусировка каждого обращенного во времени сигнала приводит к значительному увеличению амплитуды падающего акустического поля в области пузырька. При этом резонансно рассеянный пузырьком акустический сигнал S_r(t) имеет амплитуду (и соотношение сигнал/шум) намного больше, фиг. 9(в), и длительность - в два раза больше, фиг. 9(а), чем для первичного эмиссионного излучения пузырька, фиг. 3, 4, 5.

Рассеянный пузырьком сигнал S_r(t), фиг.9(a), распространяется в среде и принимается расположенными стационарно, приемными датчиками (1, 2, …, N) антенного блока R3, фиг. 9(с). Приемные датчики (1, 2, …, N) снабжены встроенными устройствами для усиления и преобразования соответствующих электрических сигналов в аналого-цифровой вид. Усиленные сигналы непрерывно в цифровом виде сохраняются в запоминающем устройстве с аппаратурным управлением записью и чтением данных в блоке 2R3. Далее данные считываются из блока 2R3 и непрерывно поступают в блок 5 полосовой фильтрации, задание полосы фильтрации и центральной частоты f_R осуществляет блок 4 в соответствии с параметрами излученного сигнала S_inv(t). Процедура выполняется параллельно для сигналов со всех приемных датчиков R_i антенны R3. Вид сигнала на выходе блока 5, снабженного коммутатором, приведен на фиг. 10.

Сигналы вида фиг. 10 с выхода блока 5 поступают в блок 7. Идентификация утечек выполняется в блоке 7 путем обнаружения в принятом сигнале вида фиг. 10, рассеянных на пузырьке импульсных сигналов вида фиг. 9(а), имеющих частоту заполнения f_R, экспоненциально затухающую во времени амплитуду и удвоенную (по сравнению с эмиссионным импульсом) длительность, соответствующую 10-60 периодам поля.

Локализация утечек выполняется известным триангуляционным методом путем определения времен распространения обнаруженных рассеянных на пузырьке импульсных сигналов и дистанций между датчиками антенн и выходящим пузырьком газа.

Результаты обработки рассеянных сигналов могут контролироваться (корректироваться) оператором (BCU) и/или передаваться в центр мониторинга (ЦМ) по линии связи (8).

Следует отметить, что рассеянный пузырьком сигнал, фиг. 10, имеет узкий частотный спектр, а по амплитуде многократно превышает амплитуду эмиссионных сигналов, фиг. 7, что позволяет надежно идентифицировать утечки и выполнять их локализацию с помощью предлагаемой ГАС.

Техническая реализация предлагаемой ГАС может быть осуществлена на базе применяемых в настоящее время в подводной акустике устройств. Примеры таких датчиков, блоков и систем приведены в Таблице.

Таким образом, станция за счет включения в конструкцию станции системы создания узкополосного рабочего сигнала для формирования сигнала возбуждения, частота которого соответствует частоте эмиссионного излучения образующегося в процессе утечки пузырька, и которая в пассивной стадии реализует обнаружение эмиссионного резонансного излучения пузырьков в момент их отрыва от твердых поверхностей, а в активной стадии выполняет фокусировку акустического поля на пузырьке путем обращения во времени и излучения принятых эмиссионных сигналов, обеспечивает оперативность обнаружения, снижение числа ложных тревог при нарушении герметичности или разрушении в области контроля, надежную идентификацию объектов эмиссии, повышение точности определения мест выходов газожидкостных потоков, а также определение количественных параметров газовых потоков в широком диапазоне концентраций пузырьков с возможностью мониторинга исследуемых процессов во времени.

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к пассивно-активным акустическим устройствам для обнаружения утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, для локализации и исследований природных источников газов под водой, а также для количественной оценки объемов выходящих в области дна газов. Гидроакустическая станция (ГАС) включает систему создания узкополосного рабочего сигнала для формирования сигнала возбуждения, частота которого соответствует частоте эмиссионного излучения образующегося в процессе утечки пузырька, которая реализует пассивное обнаружение эмиссионного резонансного излучения пузырьков в момент их отрыва от твердых поверхностей и, в активной стадии, выполняет фокусировку акустического поля на пузырьке путем обращения во времени и излучения принятых эмиссионных сигналов. Идентификация и определение положения образующихся пузырьков (локализация утечки или природного выхода газа) производится в блоке управления и расчетов путем анализа резонансно рассеянных на пузырьке акустических сигналов. Обнаружение технических утечек и природных выходов газа основано на регистрации выходящих пузырьков газа, которые излучают эмиссионные сигналы при отделении от твердой поверхности и представляют собой импульсные сигналы с монохроматическим заполнением, экспоненциально затухающей во времени амплитудой и длительность от 5 до 30 периодов поля. Технический результат - оперативность обнаружения, снижение числа ложных тревог при нарушении герметичности или разрушении в области контроля, надежная идентификация объектов эмиссии, повышение точности определения мест выходов газожидкостных потоков, а также определение количественных параметров газовых потоков в широком диапазоне концентраций пузырьков с возможностью мониторинга исследуемых процессов во времени. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гидроакустическая станция для обнаружения и локализации утечек газа, содержащая антенный блок, состоящий из двух приемных и одной излучающей антенн, и аппаратурный блок, включающий блоки хранения электрических сигналов от преобразователей приемных антенн, блок обращения времени и формирования сигнала возбуждения, соединенный с датчиками излучающей антенны, и блок управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука, отличающаяся тем, что аппаратурный блок дополнительно снабжен системой создания узкополосного рабочего сигнала для формирования сигнала возбуждения, частота которого соответствует частоте эмиссионного излучения образующегося в процессе утечки пузырька, включающей блок расчета и анализа спектров принятых сигналов акустического шума, блок анализа полученных спектров, для выделения импульсного эмиссионного сигнала, излучаемого образующимся пузырьком, и блок полосовой фильтрации, снабженный коммутатором, при этом выход блока хранения электрических сигналов от преобразователей приемной антенны исходных сигналов соединен с блоком расчета и анализа спектров принятых сигналов, выход которого соединен с блоком анализа спектров для выделения импульсного эмиссионного сигнала, один из выходов которого соединен с блоком хранения электрических сигналов от приемных преобразователей первой приемной антенны, а другой - с блоком полосовой фильтрации, входы которого соединены с выходами блоков хранения электрических сигналов от преобразователей приемных антенн, а выходы - с блоком обращения времени и блоком управления и расчетов для обнаружения присутствия отражающего источника звука.

2. Гидроакустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что антенный и аппаратурный блоки установлены в едином водонепроницаемом корпусе.

3. Гидроакустическая система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена линией связи с центром мониторинга и/или оператором.