本發(fā)明涉及一種管道漏水監(jiān)測系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種懸浮于供水管路中的光纖測漏系統(tǒng)及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、城市地下供水管道漏水發(fā)生時地表未必有跡象，即使水從地表滲出，滲出點(diǎn)也未必就是漏點(diǎn)；特別是地面有水泥路面、柏油路面覆蓋層時，更是難以發(fā)覺。供水管路漏水，不僅白白浪費(fèi)水資源，有時甚至由小漏慢慢發(fā)展到爆管，形成路面嚴(yán)重積水，嚴(yán)重影響道路交通，造成路邊商鋪、居民屋進(jìn)水。因此及時查找到供水管路中存在的泄漏點(diǎn)，精準(zhǔn)定位，及時修補(bǔ)，是當(dāng)前節(jié)約水資源最有效的方法之一。

2、當(dāng)前的供水管道漏水點(diǎn)檢測有六種常用方法：區(qū)域裝表法、聽音法(聲振法)、紅外法、探地雷達(dá)法、相關(guān)檢漏法、das(distr?ibuted?acoustic?sensing)光纖傳感法。

3、1、區(qū)域裝表法：漏水引起計(jì)量差。指在供水管網(wǎng)的某一區(qū)域，將進(jìn)入此區(qū)域的流量表與流出這一區(qū)域的流量表統(tǒng)計(jì)對照，其差額必是此區(qū)間的無計(jì)量損失，若無其它無計(jì)量消耗，則可知此區(qū)間的漏水損耗，這對管理者會“心中有數(shù)”。裝表分割區(qū)域愈密，分段愈清楚，則對各段漏水的情況了解也愈清楚。但由于受制于流量表的電源、通信、安裝位置等條件，裝表不可能過于密集，而且這種方法不能確定漏水點(diǎn)準(zhǔn)確位置，故不能作為具體修復(fù)、破開路面的依據(jù)。

4、2、聽音法(聲振法)：漏水引發(fā)振動和發(fā)聲效應(yīng)。聽音法指用某種傳聲工具傾聽漏水的聲音，根據(jù)漏水聲的大小與音質(zhì)特點(diǎn)來判斷漏水位置，從簡單的機(jī)械式聽漏棒到各類聽音測漏儀，這一方法從本質(zhì)上說應(yīng)叫做“聲振法”。缺點(diǎn)：必須持工具到測點(diǎn)上方，非常耗時耗力，完全憑個人經(jīng)驗(yàn)。

5、3、紅外法：漏水引發(fā)紅外輻射局部變化(溫度效應(yīng))。紅外熱成像檢測運(yùn)用光電技術(shù)檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，將該信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形，在管網(wǎng)區(qū)域作紅外掃描測量，地下發(fā)生漏水時，局部地域與周圍產(chǎn)生溫度差，紅外輻射情況將不同，紅外圖像將反映這一區(qū)別，利用這一區(qū)別可以發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。通過無人機(jī)或衛(wèi)星遙感技術(shù)，高空拍攝熱成像圖，對應(yīng)供水管路分布圖，進(jìn)行圖像分析來查找漏水點(diǎn)。首先需要漏水量很大，造成局部地面降溫，但由于地下排水不暢，低洼積水等非漏水因素，經(jīng)常會造成誤報(bào)，還有水泥路面、柏油路面、高架道路、路面車輛等造成其探測不到而漏報(bào)，所以這種方法的應(yīng)用也受到限制。缺點(diǎn)是定位精度差、漏水量大才能判斷、誤報(bào)率不低、漏報(bào)率極高；優(yōu)點(diǎn)是只需從高空拍一張熱成像圖。

6、4、探地雷達(dá)法：利用電磁波掃描地下狀態(tài)，從反射信號觀察地下物體狀態(tài)分布，如能做到一目了然，當(dāng)然既清楚又準(zhǔn)確。但是，由于地下介質(zhì)與空氣不同，分層雜亂性大，對電磁波穿透程度有限，特別是在水管周圍已有積水，噴口朝下，更不易看清，加之目前這類儀器價格昂貴，尚未達(dá)到實(shí)戰(zhàn)水平。

7、5、相關(guān)檢漏法：從原理上來說屬于聲振法的移植技術(shù)，屬于聲振法。漏水點(diǎn)引起的振動沿管道向兩側(cè)傳播，放在兩側(cè)不同距離的傳感器收到某時刻漏水點(diǎn)發(fā)出的聲波將有一個時間差，這個時間差是由管道聲速和漏點(diǎn)位置決定的。它的突出優(yōu)點(diǎn)在于利用管道傳聲好，直接在管道上測量并由儀器計(jì)算定點(diǎn)，排除人的經(jīng)驗(yàn)因素，也可避免測試者必須持工具到測點(diǎn)上方的問題，它的實(shí)際困難在于條件制約，必須有兩個放置傳感器的直接接觸管道點(diǎn)，也要對管道狀態(tài)十分清楚：包括走線、彎曲、管道口徑、聲音在不同管道中的傳播速度且傳聲條件要好。另一因素是價格昂貴，并對操作人員有一定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)要求。缺點(diǎn)：實(shí)際制約條件多，價格昂貴。

8、6、das光纖傳感法：通過光纖來感知漏水引發(fā)振動和發(fā)聲效應(yīng)。das是一種分布式光纖聲音傳感技術(shù)，基于聲波信號的位置檢測算法，供水管道外壁緊緊纏繞光纖或者光纖緊緊貼附在供水管道外壁，光纖的靈敏度是極其高的，任何微小的震動，如聲波、地震波都能感知到，通過分析光纖感知到的音頻信號的頻率來判斷是否是漏水的聲音特征、接收到的音頻信號的強(qiáng)度判斷漏水量、通過回波的時延來確定漏點(diǎn)的位置。缺點(diǎn)：新管路，20年內(nèi)的漏水率極低，無剛需；存量市場，光纖敷設(shè)需全面開挖路面，受成本和施工條件制約。

9、如何解決供水管路中漏水點(diǎn)的檢測和定位的難題？通過對以上常用的六種測漏技術(shù)和方法的分析和總結(jié)，得出：分布式光纖傳感技術(shù)，最適合長距離管道線路的信號檢測，原因如下所述，但需要解決施工難的問題。

10、分布式光纖傳感技術(shù)，光纖即是傳感器，也是通信通道，無需供電電源，適合長距離管道線路的信號檢測，可以連續(xù)感應(yīng)到幾十公里長的整條光纜上的任何一個位置的信號變化，外界環(huán)境輕微的變化，諸如溫度、應(yīng)變、震動、聲音等，都會影響光纖內(nèi)傳輸?shù)墓鈱W(xué)信號。各種干擾信號都有不同的信號特征，通過模式識別把各種信號檢測分辨出來，給出事件發(fā)生的類別、準(zhǔn)確位置，實(shí)現(xiàn)各類事件的長距離實(shí)時監(jiān)控。隨著ai技術(shù)不斷突破，可以從每1米的光纖中，通過時分復(fù)用的激光掃描技術(shù)，利用拉曼、布里淵、瑞利等不同的光學(xué)散射，采用不同的解調(diào)方法和ai算法，激勵出20個溫度傳感器+20個應(yīng)變傳感器+20個振動傳感器+20個聲波傳感器+......等。相當(dāng)于在每米的光纜上，集成了幾類最常用的傳感器，每類傳感器至少20個。并且，光纖傳感器具有超強(qiáng)的現(xiàn)場融入能力，無需額外的工作電源，無需額外的通信通道；本征穩(wěn)定，抗電磁干擾、抗雷擊；能感知微小因子變化，靈敏度極高。

11、如果光纖能夠在管道內(nèi)部署，通過水母形簡易機(jī)器人，順著水流的力量拖曳光纖，施工難的問題將迎刃而解，但需解決二個技術(shù)難點(diǎn)：

12、1、光纖需要能夠漂浮在水管中，在漂浮狀態(tài)感知到管內(nèi)發(fā)出的所有的聲音特征信號，能無損的傳回來；

13、2、通過頻譜分析和模式識別，能夠正確區(qū)分出泄漏水聲、背景噪聲、系統(tǒng)噪聲，準(zhǔn)確識別出泄漏信號的特征頻率。

14、聲音在管道內(nèi)的傳播方式非常復(fù)雜，會受到管道材料、管徑、管道內(nèi)流體性質(zhì)及流速等多種因素的影響，通過仿真與實(shí)驗(yàn)獲得：

15、1、聲音傳播環(huán)境與傳輸載體都會影響聲音特征的變化；

16、2、管道結(jié)構(gòu)對聲音傳播影響因素有軸向傳播、反射與散射。

17、(1)軸向傳播模式：聲音在管道介質(zhì)內(nèi)沿著管道的軸向傳播，這種傳播方式主要受管道內(nèi)流體性質(zhì)的影響，包括流體的密度、粘度和流速等。當(dāng)管道內(nèi)發(fā)生泄漏時，泄漏點(diǎn)會產(chǎn)生高頻聲音信號，這些信號沿管道軸向傳播，如圖1所示。

18、(2)反射與散射：聲音在管道內(nèi)介質(zhì)傳播過程中，遇到管道內(nèi)壁、管道彎曲、接頭、三通、四通或其他結(jié)構(gòu)變化，會發(fā)生反射與散射。這些反射和散射信號會影響聲音的傳播路徑，減弱信號強(qiáng)度，增加了信號分析的復(fù)雜性，所以需要使用相應(yīng)的信號強(qiáng)度保持不變的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種懸浮于供水管路中的光纖測漏系統(tǒng)及監(jiān)測方法，不受強(qiáng)度振幅波動影響，能夠大幅度提升系統(tǒng)的泄漏檢測準(zhǔn)確率與泄漏定位精度。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種懸浮于供水管路中的光纖測漏系統(tǒng)，包括傳感光纖：懸浮于供水管道中，抗水解、食品級光纖；掃頻激光主機(jī)：發(fā)射激光和接收散射光，通過光開關(guān)連接傳感光纖，實(shí)時檢測供水管道內(nèi)軸向傳播的聲音信號；算法服務(wù)器：通過分析供水管道內(nèi)傳感光纖所采集到的各類聲音信號的特征，實(shí)現(xiàn)管道泄漏的檢測與定位；展示用pc：采用bs架構(gòu)連接算法服務(wù)器，操作和顯示檢測與定位結(jié)果。

3、進(jìn)一步地，所述傳感光纖的纖芯為抗水解食品級的纖芯，包含如下成分：二氧化硅、磷酸鹽、硼酸鹽和金屬氧化物，所述金屬氧化物為鈦氧化物或氧化鋅，其中二氧化硅占比98％以上。

4、進(jìn)一步地，所述傳感光纖的纖芯外包覆有抗水解食品級的外包層，所述外包層為氟化物包裹層。

5、進(jìn)一步地，所述掃頻激光主機(jī)包括激光光源，所述激光光源產(chǎn)生的出光經(jīng)過掃頻裝置調(diào)制后，使得激光信號的頻率在一個頻段內(nèi)連續(xù)變化，再經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)送至光信號放大器；所述光信號放大器通過摻入少量的鉺元素來增強(qiáng)光信號的強(qiáng)度后，激光再經(jīng)由隔離器送至循環(huán)器，至光開關(guān)發(fā)射出去，經(jīng)傳感光纖散射回來的激光信號再經(jīng)循環(huán)器送至光檢測器。

6、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供一種懸浮于供水管路中的光纖測漏監(jiān)測方法，采用上述的光纖測漏系統(tǒng)，所述監(jiān)測方法包括如下步驟：s1)泄漏聲音特征提?。豪脩腋∮诠┧艿乐械膫鞲泄饫w獲取聲音信號中能量集中的高頻成分，在時域特征上表現(xiàn)為短時的突發(fā)信號；s2)泄漏信號檢測：激光主機(jī)采用掃頻機(jī)制，在一個頻段內(nèi)產(chǎn)生頻率連續(xù)變化的激光信號，克服了單光源存在的光衍干擾，相當(dāng)于在同樣的發(fā)射功率下，增強(qiáng)了出光信號；激光主機(jī)內(nèi)置了激光校準(zhǔn)傳感器，實(shí)現(xiàn)光學(xué)標(biāo)定參數(shù)校準(zhǔn)，確保出光的一致性，減少了系統(tǒng)性誤差，采用偏振聲譜濾除算法濾除偏振噪聲以及dsp降噪技術(shù)，消減系統(tǒng)噪聲，并集成了npu神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代濾波器和循環(huán)濾波器濾除背景噪聲，進(jìn)行信號預(yù)處理；采用了基于相位敏感光學(xué)時域反射法和相位生成載波解調(diào)算法進(jìn)行信號傳輸，保持傳輸時信噪比不變；采用了時頻特征提取法提取信號的特征，將泄漏信號與背景噪聲區(qū)分開來；s3)泄漏定位：融合回波時差算法和傳感器陣列模式的協(xié)同算法，并在算法服務(wù)器的信號處理算法模塊中配置多元聲波檢測器，有效排除陣列信號中明顯的異常數(shù)據(jù)。

7、進(jìn)一步地，所述步驟s2在激光主機(jī)采用偏振聲譜濾除算法濾除偏振噪聲以及dsp降噪技術(shù)，消減系統(tǒng)噪聲，并集成了npu神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)迭代濾波器和循環(huán)濾波器濾除背景噪聲，進(jìn)行信號預(yù)處理。

8、進(jìn)一步地，所述步驟s2中的信號預(yù)處理包括對數(shù)據(jù)缺失部分與數(shù)據(jù)異常部分，通過前后數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性對異常部分進(jìn)行重構(gòu)與填充。

9、進(jìn)一步地，所述步驟s3中配置的多元聲波檢測器，對異常點(diǎn)及其相鄰點(diǎn)在不同時域、不同頻點(diǎn)傳回來的信號集，作為多個陣元數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而排除陣列信號中明顯的異常數(shù)據(jù)。

10、進(jìn)一步地，所述步驟s2選取漏點(diǎn)附近的多個聲波監(jiān)測點(diǎn)信號合成一個聲源，增強(qiáng)有效信號的強(qiáng)度，同時采用波束形成技術(shù)，通過延時補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行陣元輸出加權(quán)，當(dāng)聚焦方向與實(shí)際信源方向重合時可形成最大輸出；所述步驟s3通過搜索輸出峰值點(diǎn)并反推演波達(dá)方向完成泄漏定位。

11、進(jìn)一步地，所述步驟s3按如下公式計(jì)算得到漏水點(diǎn)的距離信息s，并通過供水管路分布圖和北斗定位，給出具體漏水點(diǎn)位置；

12、s＝△t*c，c為光速；

13、△t＝(t2-t1)/2，t1為激光波束的發(fā)射時間，t2為同一波束散射波接收時間。

14、本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果：本發(fā)明提供的懸浮于供水管路中的光纖測漏系統(tǒng)，不受強(qiáng)度振幅波動影響，能夠大幅度提升系統(tǒng)的泄漏檢測準(zhǔn)確率與泄漏定位精度。