本發(fā)明涉及太赫茲時域光譜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于太赫茲時域光譜的管道混油定量檢測方法。

背景技術(shù)：

石油無疑是重要的國民經(jīng)濟支柱能源，也是主要的國家戰(zhàn)略儲備物資。隨著我國國際經(jīng)濟地位的穩(wěn)步提升，我國近年來石油消費量穩(wěn)定增長。2010年我國消費石油4.55億噸，2012年我國已成為全球最大的石油凈進口國，2015年消費石油5.43億噸，預(yù)計2030年石油需求達到6.7億噸。因此盡可能減少石油運輸和儲存過程中的損耗和事故，具有重大的經(jīng)濟和戰(zhàn)略意義。油品長距離、大批量運輸?shù)闹饕绞绞枪艿理樞蜉斔?，即為提高管道利用效率和?yīng)對多種輸送需求，將多種油品按計劃成批次連續(xù)順序輸送。不同油品在同一條管道中交替順序輸送，導(dǎo)致前行油品和后行油品交接處產(chǎn)生不可忽略的混油段。單次順序輸送，即可產(chǎn)生長達數(shù)公里長的混油段。管道中持續(xù)流動的大量混油段必須得到準(zhǔn)確的檢測。一方面，混油段錯誤的檢測結(jié)果會導(dǎo)致混油段的不恰當(dāng)處理，造成油品的浪費；另一方面，錯誤的檢測結(jié)果更可能導(dǎo)致管道中油品的錯誤切割，造成管道和儲油罐中不同油品摻雜和污染，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟損失和安全事故。因此，管道混油的準(zhǔn)確檢測具有重大的實際意義。

目前國內(nèi)外常見的管道混油檢測的方法包括：密度測定法、光學(xué)測定法、超聲波測定法、示蹤原子測定法、電容檢測法、光譜色譜檢測法、以及太赫茲波檢測法等。

1、密度測定法對管道中油品進行跟蹤檢測，是實際生產(chǎn)中實施的主要方法，然而難以區(qū)分密度相近的油品，檢測分辨率低。

2、光學(xué)測定法利用紅外等常用光學(xué)波段測定油品的透明度和折射率，靈敏度高，但容易受到油品雜質(zhì)影響，非常不適于國內(nèi)油品品質(zhì)較低的實際情況，在國內(nèi)實際使用中問題較多，穩(wěn)定性差，維護難度高。

3、超聲波測定法檢測油品中超聲波的傳播速度，極易受到超聲雜音的影響，檢測精度不高。

4、示蹤原子測定法通過在油品中摻入放射性同位素的方法進行油品檢測，技術(shù)門檻高，安全要求高，并會造成油品污染。

5、電容檢測法測量油品介電常數(shù)，測量精度低，在油品管道中安裝帶電器件，安全性差。

6、光譜色譜檢測法測量油品吸收光譜和色譜指紋圖，精度高，但預(yù)處理復(fù)雜、測量時間長，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。

7、太赫茲波檢測法具有光學(xué)穿透性強，光子能量低，檢測分辨率高等特點，能夠克服光學(xué)測定法易受油品雜質(zhì)影響、探頭易受污染的問題，檢測安全度高，檢測精確度潛力大。然而目前太赫茲管道混油檢測主要依賴太赫茲領(lǐng)域傳統(tǒng)的折射率、吸收系數(shù)等定量分析方法，計算復(fù)雜，汽柴油定量分析準(zhǔn)確度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于太赫茲時域光譜的管道混油定量檢測方法，本發(fā)明簡化了分析過程，降低了檢測難度，提高了太赫茲時域波形分析利用效果，豐富了油品時域波形參數(shù)，提高了檢測精度，詳見下文描述：

一種基于太赫茲時域光譜的管道混油定量檢測方法，所述混油定量檢測方法包括以下步驟：

通過線性擬合得到混油體積分數(shù)與十組參數(shù)的線性擬合模型表達式，即十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型；

利用向量夾角余弦的最優(yōu)化的方法，求解出十組參數(shù)的權(quán)值；

利用太赫茲時域光譜儀測量未知體積分數(shù)混油樣品的時域脈沖波形，并提取時域脈沖波形的十種參數(shù)值；

根據(jù)十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型，以及十組參數(shù)的權(quán)值，代入未知體積分數(shù)混油樣品的十種參數(shù)值，得到混油成分濃度。

所述十組參數(shù)具體為：

樣品的太赫茲時域光譜中脈沖的首波谷、首波峰和次波谷的時間延遲和幅值大小，共六組參數(shù)值；

將樣品太赫茲脈沖的四段波動：下降段a、上升段b、下降段c和上升段d各自進行線性擬合，并提取各自的斜率，共四組參數(shù)。

所述十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型具體為：

其中，t1，a1分別表示時域波形首波谷對應(yīng)的時間延遲，幅值大??；t2，a2分別表示時域波形首波峰對應(yīng)的時間延遲，幅值大小；t3，a3分別表示時域波形次波谷對應(yīng)的時間延遲，幅值大小；以k1，k2，k3，k4分別表示時域波形脈沖下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的線性擬合斜率；v為體積分數(shù)，m1......m10為混油成分體積分數(shù)定量分析模型的常數(shù)項；n1......n10為混油成分體積分數(shù)定量分析模型中體積分數(shù)的系數(shù)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、相對于其他太赫茲混油定量分析檢測方法，該方法不依賴比爾蘭伯特定律，不計算復(fù)雜的油品太赫茲頻段折射率和吸收系數(shù)，而是充分利用太赫茲時域脈沖波形，提取時域波形所有波峰波谷(如首波谷、首波峰和次波谷)的時間延遲和幅值作為定量分析參數(shù)；

2、提取所有波動段的線性擬合斜率作為定量分析參數(shù)；根據(jù)向量夾角余弦值最大的條件，利用最優(yōu)化求解確定十種參數(shù)模型的各自權(quán)值；

3、提高了太赫茲波形對油品濃度的敏感程度，改善了混油的分析結(jié)果，降低檢測分析的誤差。

附圖說明

圖1為一種基于太赫茲時域光譜的管道混油定量檢測方法的流程圖；

圖2為一組已知濃度混油樣品的太赫茲時域光譜；

其中，該已知濃度可以按照一定梯度比例，例如梯度比例為0％、10％、20％……90％、100％，也可以是0％、5％、10％、15％……90％、95％、100％，也可以不按照梯度比例設(shè)計，為其他數(shù)值，本發(fā)明實施例對此不做限制。

圖3為油品太赫茲時域波形脈沖的首波谷a、首波峰b和次波谷c以及下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種基于太赫茲時域光譜的管道混油定量檢測方法，參見圖1，該混油定量檢測方法包括以下步驟：

101：通過線性擬合得到混油體積分數(shù)與十組參數(shù)的線性擬合模型表達式，即十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型；

102：利用向量夾角余弦的最優(yōu)化的方法，求解出十組參數(shù)的權(quán)值；

103：利用太赫茲時域光譜儀測量未知體積分數(shù)混油樣品的時域脈沖波形，并提取時域脈沖波形的十種參數(shù)值；

104：根據(jù)十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型，以及十組參數(shù)的權(quán)值，代入未知體積分數(shù)混油樣品的十種參數(shù)值，得到混油成分濃度。

其中，步驟101中的十組參數(shù)具體為：

樣品的太赫茲時域光譜中脈沖的首波谷、首波峰和次波谷的時間延遲和幅值大小，共六組參數(shù)值；

將樣品太赫茲脈沖的四段波動：下降段a、上升段b、下降段c和上升段d各自進行線性擬合，并提取各自的斜率，共四組參數(shù)。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟101-步驟104提高了太赫茲時域波形分析利用效果，豐富了油品時域波形參數(shù)，提高了檢測精度。

實施例2

下面結(jié)合圖2、圖3以及具體的計算公式，實例對實施例1中的方案進行進一步地介紹，描述中以97#汽油和90#汽油的混油為例，詳見下文描述：

201：利用太赫茲時域光譜儀得到不同比例油品的時域脈沖波形，作為建立和訓(xùn)練模型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)；

該步驟的詳細操作為：使用太赫茲時域光譜儀對一定梯度比例的已知濃度混油進行樣品的太赫茲頻段時域光譜測量，獲得每個樣品完整的太赫茲時域光譜，如圖2所示。

其中，本發(fā)明實施例對太赫茲時域光譜儀、被測油品的型號不做限制，對測量方式也不做限制，只要能完成上述功能的設(shè)備和常見油品均可，透射、反射等太赫茲時域光譜測量方式均可。

202：將樣品的太赫茲時域光譜中脈沖的首波谷a、首波峰b和次波谷c的時間延遲和幅值大小共六組參數(shù)值提取出來；

該步驟的詳細操作為：如圖3，一個典型的太赫茲時域波形脈沖包含三個明顯波形結(jié)構(gòu)，首波谷a、首波峰b和次波谷c(即，包含第一個波谷(首波谷a)、第一個波峰(首波峰b)和第二個波谷(次波谷c))。油品樣品性質(zhì)不同，太赫茲時域波形脈沖的時間延遲(在x軸上的位置)不同，波峰波谷的高度不同。將每個樣品太赫茲時域波形的首波谷a、首波峰b和次波谷c的時間延遲和幅值大小提取出來，作為六組參數(shù)。

203：將樣品太赫茲脈沖的四段波動：下降段a、上升段b、下降段c和上升段d各自進行線性擬合，并提取各自的斜率，共四組參數(shù)；

該步驟的詳細操作為：一個典型的太赫茲時域波形脈沖在首波谷a、首波峰b和次波谷c的形成過程中，包含四段典型波動下降段a、上升段b、下降段c和上升段d。即，下降段a、以及上升段b形成首波谷a；上升段b、以及下降段c形成首波峰b；下降段c、以及上升段d形成次波谷c。

油品樣品性質(zhì)不同，樣品太赫茲時域波形脈沖的每段波動的斜率不同。將每個樣品太赫茲時域波形的下降段a、上升段b、下降段c和上升段d等四段波動進行線性擬合，獲取各自波動段擬合直線的斜率，作為四組參數(shù)。

其中，線性擬合的步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述。

204：根據(jù)混油的實際體積分數(shù)與首波谷a、首波峰b和次波谷c的時間延遲和幅值大小共六組參數(shù)值的關(guān)系，混油的實際體積分數(shù)與下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的線性擬合斜率共四組參數(shù)值的關(guān)系，通過線性擬合得到混油體積分數(shù)與該十組參數(shù)的線性擬合模型表達式，即十種混油成分體積分數(shù)定量分析模型；

該步驟的詳細操作為：根據(jù)得到的首波谷a、首波峰b和次波谷c的時間延遲和幅值大小共六組參數(shù)、下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的線性擬合斜率共四組參數(shù)、以及混油成分體積分數(shù)，可以通過最小二乘擬合得到十個參數(shù)、與混油成分體積分數(shù)的擬合曲線。

在擬合曲線上可以找到某一實際比例對應(yīng)的擬合值，這樣的擬合值將有十組，將得到的擬合值按照一定的權(quán)重組合起來，將得到最終的定量結(jié)果。這種定量方法的關(guān)鍵就是如何評價十組擬合值的優(yōu)劣程度，并給出反映它們優(yōu)劣程度的權(quán)值。

以t1，a1分別表示時域波形首波谷a對應(yīng)的時間延遲，幅值大小，t2，a2分別表示時域波形首波峰b對應(yīng)的時間延遲，幅值大小，t3，a3分別表示時域波形次波谷c對應(yīng)的時間延遲，幅值大小，以k1，k2，k3，k4分別表示時域波形脈沖下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的線性擬合斜率。

將97#汽油的實際體積分數(shù)作為橫坐標(biāo)，將十種參數(shù)值作為縱坐標(biāo)，可以得到時間延遲和幅值大小的分布圖。通過曲線線性擬合，得到的十條線性擬合曲線表達式分別為：

其中，v為97#汽油的體積分數(shù)，m1......m10為混油成分體積分數(shù)定量分析模型的常數(shù)項；n1......n10為混油成分體積分數(shù)定量分析模型中體積分數(shù)的系數(shù)。這十個表達式代表了以時域波形的十種參數(shù)作為考察對象的體積分數(shù)模型。

對于任意未知成分比例和體積分數(shù)的97#和90#汽油混油樣品的太赫茲時域光譜波形，只要帶入其時域波形的十種參數(shù)，即可求解得到每種參數(shù)的v，即每種參數(shù)模型下的成分體積分數(shù)。

205：利用向量夾角余弦的最優(yōu)化的方法，求解出十種參數(shù)的權(quán)值；

該步驟的原理為：十種擬合方法的優(yōu)劣程度需要確定的權(quán)值來表征。而向量夾角余弦的方法可以評價一種方法對實際值的預(yù)測效果。這種方法的基本思想是，求出采用不同種類預(yù)測方法得到的預(yù)測值向量與實際值向量之間的夾角余弦值，這個值是每種不同方法權(quán)值的函數(shù)。當(dāng)兩個向量之間夾角越小，其余弦值就越接近于1，也就說明預(yù)測值向量與實際值向量越接近，預(yù)測效果就越好。

該步驟的詳細操作為：假設(shè)在97#汽油和90#汽油組成的混油中，97#汽油的實際體積分數(shù)值為xt，t＝1,2,…,n(t為樣本數(shù)，這里t＝1,2,…,9)。假設(shè)有m種方法來對混油做定量分析(這里有10種方法，所以m＝10)。

第i種方法的第t個樣本的擬合值為xit，i＝1,2,…,m；t＝1,2,…,n(在本例中，有10種方法，9種樣本)。xt是xt的組合定量估計值。根據(jù)加權(quán)平均值的定義，有(t＝1,2,…,n)。其中l(wèi)1,l2,…,lm是組合定量分析中m種定量方法的權(quán)值。它們滿足下式，li≥0，i＝1,2,...,m。

假設(shè)x＝[x1,x2,...,xn]^t，xi＝[xi1,xi2,...,xin]^t，i＝1,2,...,m，x＝[x1,x2,...,xn]^t。那么x代表混油的體積分數(shù)實際值向量，xi代表第i種擬合方法得到的體積分數(shù)估計值向量，x代表組合定量分析值向量。那么x和x之間夾角的余弦值可以表示為：

將帶入上式，化簡，可得：

其中，l代表權(quán)值向量，l＝(l1,l2,...,lm)^t，f代表一個m×m的方陣，被稱作信息矩陣，且有f＝(fij)m×m，i,j＝1,2,...,m。很明顯η是l1,l2,…,lm的函數(shù)，記做η(l1,l2,...,lm)。為了使組合定量值與實際體積分數(shù)值最為接近，也就是希望x和x之間夾角越小越好，也就意味著x和x之間夾角的余弦值越大越好。因此，當(dāng)η(l1,l2,...,lm)達到最大值時，組合定量值是最好的。所以，基于向量夾角余弦的組合定量模型就可以歸結(jié)為以下最優(yōu)化問題：

求解該約束最優(yōu)化問題，即可得到l＝(l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10)，即以上十種定量方法的權(quán)值向量。

206：利用太赫茲時域光譜儀測量未知體積分數(shù)混油樣品的時域脈沖波形，并提取時域脈沖波形的十種參數(shù)值；

該步驟的詳細操作為：使用太赫茲時域光譜儀對未知濃度97#和90#汽油混油樣品進行太赫茲頻段時域光譜測量，獲得樣品完整的太赫茲時域光譜，并提取時域波形脈沖的首波谷a、首波峰b和次波谷c的時間延遲和幅值大小，下降段a、上升段b、下降段c和上升段d的線性擬合斜率等十種參數(shù)的值。

207：利用十種參數(shù)的體積分數(shù)擬合模型，以及十種參數(shù)的權(quán)值，代入未知體積分數(shù)混油樣品的十種參數(shù)值，得到混油成分濃度。

該步驟的詳細操作為：將未知體積分數(shù)混油樣品的十種參數(shù)的值代入

即可獲得十種定量模型下成分比例結(jié)果：

利用97#汽油和90#汽油的十種時域波形參數(shù)模型的權(quán)重向量

l＝(l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10)

即可得到基于十種時域波形參數(shù)的混油成分定量分析結(jié)果

另一種成分的定量分析結(jié)果即為1-vfinal。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟201-步驟207提高了太赫茲時域波形分析利用效果，豐富了油品時域波形參數(shù)，提高了檢測精度。

本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。