《Mechanical Systems and Signal Processing》：Natural gas pipeline safety monitoring technology: Golay code excitation improves anti-noise performance
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基于正交互补 Golay(A,B) 码信号与正弦载波的复合激励，提出一种适用于高噪声环境下的天然气管道水合物堵塞与泄漏协同检测方法。实验表明该方法显著提升匹配滤波信号信噪比，水合物堵塞定位误差0.11m（SNR 11.09dB），管道泄漏定位误差0.106m（SNR 14.83dB），并有效抑制色噪声和流动噪声干扰，空间分辨率通过旁瓣抑制得到优化。
王晓岑|徐中文|苏蝶|马学彦|江秀敏|安洋|曲志刚
天津科技大学电子信息与自动化学院，中国天津市经济技术开发区第十三街9号，300457
摘要
水合物堵塞和管道泄漏是两个亟待解决的问题，以确保天然气的安全可靠运输。本文采用了一种16位的正交互补Golay（A, B）码信号（具有正弦载波），旨在提高天然气管道中这两种异常事件的位置监测的信噪比（SNR）。理论上分析了正交互补Golay（A, B）码激励信号的测量原理和可行性，并通过仿真得到了验证。随后基于这些理论进行了相应的实验。实验结果表明，该激励信号对提高匹配滤波（MF）信号的SNR有显著效果。当高斯白噪声的标准差增加到1时，水合物堵塞的绝对定位误差（APE）为0.11米，SNR为11.09分贝；管道泄漏的APE为0.106米，SNR为14.83分贝。该方法还具有很强的抗色噪声和流动诱导噪声的能力。此外，旁瓣抑制提高了空间分辨率。因此，在高噪声环境下，所提出的方法在天然气管道安全监测中具有广泛的应用前景。
引言
由于天然气具有高能量含量和环保特性，已成为可持续发展的主要能源，导致全球需求激增[1]、[2]。管道是长距离运输天然气最经济、最广泛的方式，因为可以以最小的损失运输大量天然气。然而，在天然气管道运输过程中可能会出现一些安全问题，如管道堵塞和泄漏[3]、[4]。天然气管道堵塞的主要原因是高压低温条件下形成了天然气水合物[5]。水合物堵塞不仅影响正常的天然气运输，还会引发严重的安全事故。管道安全事故不仅限于水合物堵塞，还可能由腐蚀、焊接缺陷和第三方施工活动等原因导致管道泄漏[6]。每年都会发生天然气管道安全事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡。为了确保天然气的可靠和不间断流动，建立有效的检测和精确定位天然气管道缺陷的方法至关重要。
一般来说，管道泄漏检测的声学方法可以分为被动声发射和主动声发射，相关综述可参考文献[7]、[8]、[9]。已经开展了一系列关于水合物堵塞的研究，例如基于局部变形的应变方法[10]、快速作用电磁阀的压力波传播方法[11]，以及使用超声聚焦换能器的新型检测装置[12]。此外，刘泽源研究了在全可视化流动回路中通过减压观察和去除水合物堵塞的方法[13]。
然而，这些方法无法确定水合物堵塞的确切位置，甚至无法检测到管道泄漏，同时研究水合物堵塞和管道泄漏的情况也很少。重要的是要认识到，在实际的天然气管道中，水合物堵塞和管道泄漏可能同时发生。因此，检测和定位水合物堵塞和管道泄漏可以提高管道的安全稳定运输，减少事故的发生。在我们团队之前的研究中，我们采用了声脉冲压缩技术来识别和定位各种类型的天然气管道事件，如水合物堵塞、管道泄漏和弯头问题[11]。为了在保持空间分辨率的同时增加检测范围，使用了大时带宽信号（具体来说是线性频率调制（LFM）信号）作为激励信号，并通过脉冲压缩技术进行处理。这种方法可以实现多位置和多类型管道事件的同时检测和定位。尽管LFM信号可以实现良好的脉冲压缩效果，但信噪比（SNR）会受到匹配滤波（MF）信号旁瓣的影响。
一组两个等长序列被称为正交互补Golay（A, B）码序列，其特点是它们的相关函数在代数相加时可以消除旁瓣并使相关峰值翻倍[14]、[15]。Nowicki等人的多项研究为换能器选择和Golay码激励方案的优化提供了关键证据[16]、[17]、[18]。换能器带宽的减小会导致压缩回波幅度降低，同时扩大压缩回波宽度，从而降低轴向分辨率。因此，Golay码的位长需要适应换能器带宽，对于带宽有限的商用成像换能器来说，两周期的位长更为合适。他们的结果还表明，调整码长可以在使用带宽有限的成像换能器时提高SNR。此外，MF过程具有很强的鲁棒性和抗信号波形失真的能力，这一点在他们的研究中得到了验证。
因此，本文使用16位的正交互补Golay（A, B）码信号作为激励信号来检测水合物堵塞和管道泄漏，与之前的LFM脉冲压缩研究相比，可以消除旁瓣效应并进一步提高抗噪性能。文章首先介绍了基于脉冲压缩和正交互补Golay码激励的测量原理，然后描述了实验和结果讨论，最后总结了结论。
实验设置
实验使用的管道由一根20.08米长的碳钢管（ASTM A539-90a标准）组成，直径为100毫米。它由十个直段和九个90°弯头连接而成，通过法兰连接并用橡胶垫圈密封，如图3(a)所示。整个实验装置包括一台主机计算机、多功能数据采集卡（DAQ，NI USB-6366）、一个功率放大模块（SAST DT-8000）和一个锥形扬声器（Hi-ViRESEARCH M3N 30 W 8 Ω）。
结论
本文利用具有正弦载波的16位Golay（A, B）码激励信号来提高天然气管道事件定位监测的MF信号信噪比（SNR）。在整个实验中，分别发射Golay A码和Golay B码信号来检测管道，然后通过适当的方法处理获取的反射信号。经过匹配滤波（MF）、包络提取和减法处理后，可以检测到异常管道事件的反射信号。
作者贡献声明
王晓岑：撰写——原始稿件、可视化、软件开发、方法论设计、资金筹集。徐中文：验证、调查。苏蝶：方法论设计、形式分析。马学彦：监督、概念构思。江秀敏：数据管理。安洋：撰写——审稿与编辑、软件开发、资金筹集。曲志刚：撰写——审稿与编辑、资源协调、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：62173246、62373279）和天津市自然科学基金（资助编号：25JCQNJC00550）的支持。
