基于空间采样优化和空间-波数滤波器的机场油料管道泄漏监测技术研究

Pipeline leak monitoring technology is the key and important guarantee for the safe operation of pipeline transportation. Piezoelectric (PZT) sensors array and spatial-wavenumber filter based structural health monitoring (SHM) method suppress the superposition of Lamb wave, which has become a new direction in the research of structural health monitoring and management technology. Aiming at the problem of the smaller sampling rate and the shorter length space sampling of PZT sensors array, compressive sensing (CS) and time domain sampling cascade based spatial sampling optimization method is studied, that extends the application of spatial-wavenumber filter SHM method. Propagation velocity independent pipeline leakage localization method is studied to solve the problem of low pipeline leakage monitoring accuracy introduced by background noise and pipeline leakage acoustic emission signal superposition, that extends spatial-wavenumber filter SHM method to the airport oil pipeline leakage monitoring. This research is of great significance to promote the practical application of structural health monitoring and management technology on real engineering structure, improving the reliability of airport oil pipeline and avoiding catastrophic accidents.

管道泄漏监测技术是管道输送安全运行的关键和重要保障，基于压电传感器阵列和空间-波数滤波器的结构健康监测方法可以有效抑制Lamb波信号混叠，已成为结构健康监测与管理技术研究的一个新方向。本项目针对压电传感器阵列空间采样率较小、空间采样长度较短的问题，研究基于压缩感知、时域采样串接的压电传感器阵列空间采样优化方法，扩展了空间-波数滤波器结构健康监测方法的应用范围。并将空间-波数滤波器方法推广到机场油料管道泄漏监测中，研究管道泄漏的无波速定位方法，解决了机场油料管道背景噪声大、泄漏声发射信号混叠造成的泄漏定位误差大的问题。本项目的研究对于将结构健康监测技术进一步应用于实际工程结构，提高机场油料管道可靠性，避免灾难性事故具有重要的意义。

结构健康监测技术被视为保障新材料大量应用、提高结构安全性、降低结构维护费用的关键技术，受到了广泛研究。其中，空间-波数滤波器方法可以有效提取特定模式的Lamb波，所以，基于压电传感器阵列和Lamb波的空间-波数滤波器损伤定位方法受到了国内外学者的关注。但是，该方法在研究过程中遇到了压电传感器阵列空间采样波数和采样长度增加困难，以及依赖于Lamb波波速先验知识的问题。为此，本项目研究了空间-波数滤波器的理论模型，为后续空间-波数滤波器优化方法的研究提供理论指导。针对压电传感器阵列的空间采样波数受限于传感器尺寸，造成空间-波数滤波范围有限的问题，分别提出了基于频率混叠原理的空间-波数滤波器优化方法和基于时域补偿的Lamb波波数搜索方法，从而扩展了空间-波数滤波范围。针对压电传感器阵列的空间采样波数和长度增加难度较大的问题，提出了基于Morlet小波的空间采样波数和采样长度优化方法，拓展了空间-波数滤波器的应用范围。针对空间-波数滤波器损伤定位过程中依赖于Lamb波波速先验知识的问题，提出了基于空间-波数滤波器的损伤无波速定位方法，抑制了结构材料参数各向异性、信号背景噪声等对损伤定位的影响。本项目的研究支撑了中央军委专项实验室的申报建设，对于空军航油管道泄漏监测具有重要理论指导意义和实际应用价值。