ПАССИВНО-АКТИВНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ УТЕЧЕК ГАЗА В ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СРЕДЕ
PASSIVE-ACTIVE ACOUSTIC METHOD OF DETECTION AND LOCALISATION OF GAS LEAKS IN GAS-LIQUID MEDIUM

Изобретение относится к акустике газожидкостных сред, конкретно к способам, позволяющим обнаруживать, идентифицировать и определять положение резонансных источников эмиссионного излучения звука в жидкости и может быть использовано в нефтегазовой промышленности для контроля герметичности и обнаружения утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов под водой, в химической промышленности - применительно к газожидкостным потокам, в теплоэнергетике - для диагностики процессов, происходящих в режимах пузырькового кипения, в медицине - в системах визуализации пузырьков в организме и физиотерапевтических методиках лечения, в экологии и мониторинге окружающей среды - для локализации и мониторинга природных источников газов (сипов) на дне.
Одним из основных объектов эмиссионного излучения в жидкой среде являются пузырьки газов. Определение наличия пузырьков и их количества в придонной области и толще океана необходимо для оценки запасов газа в качестве топлива и прогноза потока метана с морского дна в атмосферу [Judd A.G. The global importance and context of methane escape from the seabed // Geo-Mar. Lett. 23, 2003, р. 147-154]. Предложенная ООН программа сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу дает импульс к разработке методов длительного мониторинга потоков газа со дна океанов.
Важность оперативного обнаружения и ликвидации утечек газа из подводных хранилищ и газопроводов состоит в том, что, оставаясь незамеченными, такие утечки могут приводить к огромным финансовым потерям и экологическим катастрофам. Это является актуальным в связи с тем, что инфраструктура добычи и транспортировки газа быстро стареет в морских условиях. Утечки газа в областях шельфа и даже в открытом океане угрожают морским экосистемам и приводят к нарушениям циклов углеродного и метанового газообмена в океане [Leigthon T.G. and White P.R. Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions // Proc. R. Soc. London, Ser. A 468, 2012, p. 485-510].
Источники акустической эмиссии присутствуют в различных химических технологических процессах, например, газожидкостное смешивание, химические реакции с выделением газа и т.п. Акустические эмиссионные методы измерений используются для контроля параметров среды, в том числе агрессивной, и позволяют бесконтактно выполнять мониторинг физико-химических процессов в режиме реального времени. [Boyd J.W.R., Varley J. The uses of passive measurement of acoustic emissions from chemical engineering processes // Chemical Engineering Science, 56, 2001, p. 1749-1767].
Акустические методы для обнаружения, идентификации и определения положения источников эмиссионного излучения звука в жидкой среде могут быть пассивными, активными и комбинированными (активно-пассивными).
В активных методах выполняется излучение акустических сигналов в исследуемую жидкую среду, происходит распространение сигналов в среде с процессами отражения и преломления, затем осуществляется прием и регистрация отраженных и (или) преломленных в среде акустических сигналов. Формулируется модель распространения акустических сигналов в среде и в рамках сформулированной модели зарегистрированные акустические сигналы анализируются и обрабатываются. По результатам обработки сигналов идентифицируются источники эмиссии и рассчитываются их координаты в пространстве.
Пассивные акустические методы включают в себя регистрацию эмиссионного излучения пузырьков, идущего из мест их образования при нарушении герметичности или разрушения технических систем или из мест выходов природных сипов на дне моря. В рамках существующих моделей акустической эмиссии, упомянутых выше процессов производится анализ и обработка зарегистрированных акустических сигналов, а по результатам обработки выполняется идентификация объектов эмиссии, локализация мест выхода пузырьков и определяются требуемые параметры газовых потоков.
Пассивный акустический метод для обнаружения утечек газожидкостных потоков из подводных трубопроводов включает прием акустического сигнала из области, окружающей подводный трубопровод, передачу упомянутого сигнала на устройство регистрации и последующую обработку полученного сигнала (з. WO 02/025239 А1, МПК G01M 3/24). Прием сигнала осуществляют гидрофоном с диаграммой направленности, определяемой внутренним давлением в трубопроводе. Полученный сигнал поступает в блок приема и передачи сигналов, из которого по кабелю передается в систему обработки сигнала, установленную на судне. В случае осмотров трубопроводов с использованием буксируемого подводного аппарата кабель не используется, и сигналы передаются на поверхность с помощью штатного кабеля аппарата. На стадии обработки выполняется фильтрация зарегистрированного сигнала в полосе частот 30 кГц - 70 кГц. Определяются квадратурные составляющие сигналов, имеющие рабочие частоты в диапазоне звуковых (0-20 кГц) частот. Производится аналого-цифровое преобразование сигнала и выполняется аудиоконтроль процесса оператором. В пределах звуковой полосы частот каждую секунду выполняется вычисление и графическое отображение спектрограммы и амплитуды сигнала на мониторе. Одновременно на монитор выводится рассчитанный график мощности сигнала как функции частоты и времени. Используя сигналы со звукового устройства и графики на мониторе, оператор производит обнаружение сигналов утечек.
Недостатками данного метода являются:
- низкая точность локализации источника акустической эмиссии из-за движения приемника и необходимости позиционирования в пространстве подводного измерительного блока;
- низкая чувствительность метода, зависящая от уровня окружающих шумов, обусловленных как движением самого приемника акустических сигналов, так и работой механизмов судна сопровождения;
- низкая эффективность и принципиальные трудности локализации пульсирующих и «спящих» источников эмиссионных сигналов из-за неопределенности длительности, мест и моментов начала выходов газа на дне.
Кроме того, следует отметить, что известный метод не позволяет осуществлять мониторинг во времени и определять количество выходящего из источника газожидкостного потока.
Комбинированные активно-пассивные акустические методы используют совмещенные или разные датчики приема и излучения акустических сигналов, которые могут объединяться в антенны (линейные плоские или объемные).
Предложен совмещенный активно-пассивный акустический метод на основе данных измерений обратного рассеяния импульсных сигналов и регистрации акустической эмиссии с помощью 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 диаграмму направленности 1280 по горизонтали и 280 по вертикали с разрешением 0,5°. Метод и аппаратура позволили в активном режиме на частоте 400 кГц на расстояниях до 200 метров проводить визуализацию небольших утечек газа. В смешанном активно-пассивном акустическом режиме была выполнена идентификация, локализация и определение мест выхода газа в контролируемых условиях на дистанциях до 70 метров.
Недостатком предложенного метода является сложность технической реализации и работа только в стандартном линейном режиме, с использованием одной (высокой) частоты при излучении и приеме акустических сигналов, что ограничивает дальность обнаружения утечек газа за счет отражения, рассеяния и высокого затухания звука в неоднородных средах.
Известен способ акустических исследований в среде с целью обнаружения объектов, акустический импеданс которых отличается от импеданса окружающей среды, основанный на концепции обращения времени [Fink М. Method and apparatus for acoustic examination using time reversal // US Patent 5428999, July 4, 1995]. Способ включает излучение расходящегося звукового пучка в среду с помощью по крайней мере одного обратимого приемопередатчика. Эхо-сигнал, отраженный в среде, принимается антенной из нескольких обратимых преобразователей. С помощью заданного временного окна выделяются сигналы эха, поступающие от конкретных областей среды. Принимаемые эхо-сигналы сохраняются, инвертируются 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 2m+1 (где m является положительным ненулевым целым числом), определяется характер волнового фронта за все время исследований в виде распределения времени максимумов сигналов на всех приемопередатчиках. Указанную зависимость можно аппроксимировать с помощью полиномиального закона.
Основным недостатком применения указанного способа с целью обнаружения, идентификации и локализации резонансных источников эмиссионного излучения в виде резонансных пузырьков является сложность определения частоты заполнения и моментов времени излучения для импульсов подсветки на первом пассивном этапе реализации метода. Указанный недостаток обусловлен тем, что процессы образования газовых пузырьков имеют случайный во времени характер, то есть априори невозможно задать время начала подсветки. Также заранее невозможно задать частоту заполнения импульсов подсветки, которая должна соответствовать резонансной частоте собственных колебаний пузырька. Это обусловлено тем, что рассеянный пузырьком сигнал будет иметь амплитуду выше уровня окружающих шумов только на частоте собственного резонанса пузырька, определяемого его радиусом. Излучение импульсов подсветки с высокой частотой заполнения и высокой периодичностью во времени не решает проблему из-за очень малой амплитуды нерезонансного рассеяния высокочастотных импульсных сигналов на пузырьках.
Наиболее близким к заявляемому методу, является способ обнаружения и/или определения положения отражающего источника звука (патент США №6161434, G01N 29/14). Данный способ позволяет обнаруживать отражающие источники звука и определять положение источников звука, в том числе в море, путем приема и регистрации сигналов окружающего акустического шума в контролируемой области, обращения во времени сигналов шума, усиления и излучения обращенных сигналов, последующего приема, регистрации и анализа отраженных акустических сигналов с целью обнаружения возможного наличия отражающего источника шума.
Реализация метода для обнаружения утечек газа из газопроводов, проходящих по дну, осуществляется путем приема в диапазоне частот 3 Гц - 200 кГц сигнала окружающего акустического шума, в котором предполагают присутствие акустических сигналов, излучаемых облаком выходящих из трубопровода пузырьков. Соответствующие сигналам окружающего акустического шума электрические сигналы регистрируются, обращаются во времени и излучаются с помощью совмещенных приемопередатчиков. Распространяясь в среде, сигналы рассеиваются как облаком пузырьков, так и другими объектами среды, имеющими скачки импеданса на границе вода-объект, такими как, например, дно и объекты на дне, труба газопровода, биологические объекты и т.д. Отраженные сигналы принимаются, регистрируются и анализируются для обнаружения и выделения среди всех зарегистрированных сигналов, отраженных от границ со скачками импеданса, сигнала, отраженного именно облаком пузырьков. Последующий анализ и классификацию полученных отраженных сигналов выполняют, в частности, по присутствию в зарегистрированных сигналах отраженных импульсных сигналов. Если импульсные сигналы отсутствуют или не видны среди шума в принимаемых отраженных сигналах, используют расчет взаимно корреляционных функций между сигналами на разных приемниках. Дополнительно, если сигнал от источника эмиссии не выделяется на фоне шума в отраженном сигнале указанным методом и, следовательно, не обнаруживается, процесс инверсии принятого отраженного сигнала и его излучение повторяют, добавляя одну или более итераций процесса, повышая таким способом чувствительность метода.
Необходимым условием реализации метода для идентификации и локализации отражающего эмиссионного источника излучения, которым является утечка газа из газопровода, лежащего на дне, является то, чтобы отраженные звуковые сигналы, 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 известного метода в части обнаружения и определения положения эмиссионных пузырьков газа в жидкой среде являются:
- сложность идентификации события в результате низкого уровня сигналов суммарного эмиссионного излучения пузырьков и высокого уровня окружающих шумов в рабочем диапазоне частот (соотношение сигнал/шум около 1), что затрудняет обнаружение сигнала в начальной пассивной стадии,
- в силу затухания при распространении происходит потеря части энергии прямого эмиссионного сигнала и отраженных от границ составляющих сигнала. В этом случае процесс обращение времени из-за низкого качества обращаемого во времени сигнала становиться неэффективным (небольшая длительность полезного сигнала с амплитудой выше уровня шумов, т.е. происходит фокусировка небольшой части излученной пузырьком энергии сигнала), что приводит к
- уменьшению амплитуды и длительности отраженного пузырьком сигнала и за счет этого к снижению вероятности обнаружения и точности локализации эмиссионных пузырьков;
- большая вероятность ошибок идентификации эмиссионного объекта как на пассивной, так и на активной стадиях обнаружения из-за небольшого количества признаков для принятия решения;
- сложность 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 из-за случайного характера образования пузырьков;
- низкая эффективность и принципиальные трудности локализации пульсирующих и «спящих» источников эмиссионных сигналов из-за неопределенности длительности, мест и моментов начала выходов газа;
- следует отметить также, что известный метод не позволяет осуществлять длительный мониторинг во времени и определять количество выходящего из источника газожидкостного потока.
Данный метод, как и перечисленные выше способы, не учитывают в процессах идентификации и локализации источников эмиссионного излучения в виде газовых пузырьков резонансного характера излучения и рассеяния звука пузырьками, выходящими при технических утечках и в натурных условиях.
Задача заявляемого изобретения - разработка эффективного дистанционного метода пассивно-активного обнаружения, идентификации и локализации случайных во времени природных выходов газа или аварийных утечек газа из технических систем добычи в водную среду, а также для мониторинга природных выходов газов под водой.
Технический результат - оперативность, повышение вероятности и надежности идентификации объекта эмиссии и снижение числа ложных тревог при нарушении герметичности или разрушении в области контроля, 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.
R
R
R
R
Поставленная задача решается предлагаемым пассивно-активным акустическим методом обнаружения и локализации утечек газа в газожидкостной среде путем выполняемых в режиме реального времени приема и регистрации в контролируемой области сигнала окружающего акустического шума в диапазоне частот от 0,1 кГц до 5 МГц, соответствующем частотам собственных пульсаций пузырьков в жидкости, разделения диапазона частот, как минимум, на два частотных поддиапазона и проведение полосовой фильтрации сигнала в выбранных частотных поддиапазонах, расчета спектров для сигналов, полученных в каждом частотном поддиапазоне и построения соответствующих им спектрограмм, выделения в спектрограммах спектральных составляющих, имеющих экспоненциально затухающую во времени амплитуду и длительность от 5 до 30 периодов, определения частоты f для выделенной спектральной составляющей, соответствующей резонансной частоте пульсаций пузырька, и получения рабочего сигнала путем полосовой фильтрации сигнала окружающего акустического шума с центральной частотой f фильтра, обращения во времени полученного рабочего сигнала, его усиления и излучения соответствующего акустического сигнала, повторный прием и полосовую фильтрацию сигнала окружающего акустического шума с центральной частотой фильтра f и выделения в нем рассеянных пузырьком импульсных сигналов путем расчета спектра сигнала шума и построения спектрограмм, выделения в полученных спектрограммах спектральных составляющих импульсных сигналов, имеющих симметричную экспоненциально нарастающую и затухающую во времени амплитуду длительностью периодов звукового поля, в два раза превышающей длительность эмиссионного импульса, и частотой заполнения f и последующее идентифицирование утечки газа по первому появлению данного сигнала в спектрограммах, а локализацию места выхода газа выполняют триангуляционным методом путем расчета дистанций от пузырька до приемных датчиков по измеренным временам распространения импульсов в излученном и рассеянном сигналах и известной скорости звука в жидкости.
При необходимости осуществляют определение параметров выходящего потока газа путем расчета количества выходящих пузырьков во времени и суммирования их объемов.
В основу заявляемого метода положен резонансный характер акустического излучения пузырька при его рождении, что позволяет начало выхода газа определить по первому пузырьку, который отделяется от твердой поверхности и излучает эмиссионный сигнал, свойства которого известны. Обнаружение этого сигнала, обращение во времени, переизлучение и прием резонансно рассеянного пузырьком сигнала позволяет идентифицировать сигнал эмиссии и обуславливает надежность отнесения полученного сигнала к вышедшему пузырьку газа, основанную на его уникальности 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, а также высокую точность локализации и мониторинг этих процессов во времени.
Известно, что резонансные свойства пузырька проявляются в виде пульсаций пузырька с частотой собственных резонансных колебаний 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].
R
R
Пульсирующий пузырек излучает акустический импульсный сигнал, амплитуда и частота заполнения которого соответствует виду пульсаций его поверхности. Эмиссионный импульсный сигнал распространяется в неоднородной среде, преломляясь и отражаясь на фазовых границах. Обнаружение эмиссионных импульсных сигналов и определение их параметров в принимаемых сигналах, в отличие от способа прототипа, в заявляемом методе выполняется на первой пассивной стадии метода. Для обнаружения импульсного эмиссионного сигнала, имеющего невысокий уровень относительно уровня акустических шумов, в заявляемом методе выполняют разбиение частотного диапазона измерений, как минимум, на два равных поддиапазона и осуществляют полосовую фильтрацию принимаемого сигнала для частот каждого поддиапазона. Данная операция выполняется в реальном времени и применяется ко всем принимаемым и регистрируемым сигналам. Параллельно рассчитываются спектры и спектрограммы для полученных путем фильтрации сигналов. При обнаружении на спектрограммах любым приемлемым методом, например, оператором или с помощью автоматической приборной дискриминации и численного анализа, импульсного сигнала с известными (экспоненциально затухающей во времени амплитудой и длительностью от 5 до 30 периодов) свойствами эмиссионного импульсного сигнала от газового пузырька в момент отрыва от поверхности, определяют время прихода импульса и его частоту заполнения f. Выбирают временное окно обработки для анализа эмиссионного сигнала, соответствующее времени распространения акустического сигнала по дистанции (L) до возможных мест возникновения утечек и известной среднестатистической скорости звука (с) в районе измерений. Сигнал в выбранном временном окне фильтруется с помощью полосового фильтра с центральной частотой, соответствующей частоте f заполнения обнаруженного импульсного сигнала, что позволяет снизить уровень шума, значительно уменьшить частотную полосу сигнала и увеличить соотношение «амплитуда эмиссионного сигнала»/«шум» на частоте заполнения импульса, что в свою очередь значительно повышает эффективность метода на активной стадии за счет использования практически тонального обращенного сигнала. Принятые в выбранном временном окне и отфильтрованные с помощью полосового фильтра электрические сигналы с каждого приемного датчика обращаются во времени, усиливаются и с помощью излучающих датчиков соответствующие акустические сигналы излучаются в среду. В силу 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 полосы излучаемого сигнала, эффекта фокусировки и усиления обращенного сигнала, амплитуда падающего акустического поля в области пузырька намного больше уровня окружающих шумов, а резонансно рассеянное пузырьком обратно в среду акустическое поле имеет амплитуду (и соотношение сигнал/шум) намного больше, чем для первичного эмиссионного излучения пузырька.
R
Рассеянные на пузырьке акустические сигналы принимаются, регистрируются и фильтруются с помощью полосового фильтра с центральной частотой, соответствующей частоте f излученного сигнала, определяются и отображаются спектры и спектрограммы для всех полученных путем фильтрации сигналов с приемных датчиков. Выполняется анализ спектров и спектрограмм с целью идентификация объекта эмиссии (оператором или с помощью автоматической приборной дискриминации или по алгоритмам численного анализа) путем сравнения с известными свойствами эмиссионного сигнала от газового пузырька, определяется время распространения для излученных и рассеянных импульсов и уточняется их частота заполнения. В завершении идентификации производится локализация места выхода газового пузырька, по измеренным временам распространения импульсных сигналов, с помощью угловых и дистанционных триангуляционных методик и, при необходимости, производится определение параметров выходящего потока газа путем расчета количества выходящих пузырьков во времени и суммирования их объемов.
Таким образом, на активной стадии реализации метода используется два физических эффекта - фокусировка сигналов при использовании обращения времени принимаемых сигналов и резонансное рассеяние акустических сигналов пузырьками газа.
В особо важных случаях идентификация и верификация объекта эмиссии может дополнительно проводиться методом исключения, а именно путем излучения обращенного во времени сигнала на частоте, отличающейся от частоты эмиссионного сигнала. Отсутствие рассеянного сигнала (эха) будет подтверждением наличия иного, чем выходящий пузырек газа, источника эмиссионного излучения, например, биологического, порождаемого обитателями моря (рыбами, раками, морскими млекопитающими и др.) [Фурдуев А.В. Шумы моря. В кн. под ред. Л.М. Бреховских. Акустика океана. - М: Наука, 1974].
Более высокая по сравнению с прототипом надежность идентификации и точность локализации места утечки в предлагаемом методе достигается, во-первых, за счет синхронности во времени событий начала утечки газа, характеризующаяся отрывом пузырьков от твердой границы и началом эмиссионного акустического излучения пузырьками, и, во-вторых, возможность точного определения параметров отраженного пузырьком сигнала, используемого для определения места выхода и объема выходящего газа, за счет фокусировки обращенной волны и эффективного рассеяния, в результате резонансного характера пульсаций пузырьков.
Обнаружение, локализация и непрерывный мониторинг во времени с целью идентификации утечек газа и выходов эмиссионных газовых пузырьков могут быть реализованы с использованием активно-пассивных стационарных гидроакустических станций типа «Днестр ЭМ» и «МГК-607ЭМ» [Энциклопедия «Оружие и технологии России. XXI век», т. 3, Вооружение военно-морского флота, 2001 г., 632 стр.]. Для обработки сигналов акустического шума и формирования сигналов излучения можно использовать, например, управляющие вычислительные машины реального времени типа NVIDIA TESLA AND QUADRO GPUS [accelerations.html] с возможностью реализации параллельных многопроцессорных вычислений на основе специализированных NVIDIA устройств (>3000 процессоров), при обработки сигнальной информации [time/supported/modular-real-time-target-machine.html].
На Фиг. схематически приведен вид сигналов и последовательность действий в процессе реализации изобретения, где (а) - импульс (эмиссионный сигнал) генерируемый газовым пузырьком при его рождении, (b) - обращенные во времени сигналы, излучаемые линейной приемно-передающей антенной, (с) - импульс генерируемый пузырьком под действием обращенной во времени волны, (d) - вертикальная приемно-передающая антенна, (е) - газовый пузырек, рождающийся в месте утечки, (f) - дно водоема, L - горизонтальное расстояние от источника до антенны, h/2 - расстояние между отдельными приемно-передающими элементами антенны.
На первой пассивной стадии реализации способа осуществляют непрерывный прием акустических сигналов в заданном рабочем диапазоне частот, из возможного диапазона 0,1 кГц до 5 МГц, с помощью приемно-излучающих датчиков (ресиверов), образующих антенну, стационарно размещенную в области измерений, например, в придонной области для мониторинга газовых сипов, или в районе размещения добывающих или газотранспортных систем. Известно, что вид эмиссионного сигнала (а, Фиг. ), излучаемого пузырьком при его рождении, описывается выражением (1)
0
*
R
tot
th
υ
r
0
n
ов
ов
0
ов
ов
ов
са
э
э
*
*
*
*
здесь R - радиус пузырька, Ω=2πf - круговая частота собственных колебаний пузырька, β=β+β+β - суммарный коэффициент затухания за счет тепловых и вязких потерь, а также радиационного излучения, с - скорость звука, p - амплитуда давления, (в лабораторных экспериментах это давление на расстоянии 10 см от источника составляет 20-40 Па) [Leighton Т.G. The Acoustic Bubble. Academic Press, London, 1994, 613 р]. Длительность импульса эмиссионного излучения при экспоненциальном затухании пульсаций пузырька, составляет . Излученный пузырьком эмиссионный сигнал распространяется в среде, испытывая отражения от межфазных границ и преломления на неоднородностях импеданса. Прошедший через среду сигнал принимается акустическими датчиками, а соответствующие аналоговые электрические сигналы s(t), (n=1,2…N - число датчиков в антенне) преобразуют в цифровую форму и выполняют регистрацию цифровых сигналов в запоминающем устройстве (ЗУ). Определяют рабочий частотный диапазон для анализа сигналов, соответствующий рабочему частотному диапазону приемопередатчиков. Производят разбиение указанного рабочего частотного диапазона как минимум на два поддиапазона. Количество поддиапазонов может быть больше двух и определяется видом спектра шума в точке приема. При высоком уровне шума увеличение числа поддиапазонов уменьшает частотную полосу анализа и снижает уровень шума для указанной полосы. Определяют временной интервал Т окна для анализа сигналов по формуле Т=2×L/с, где L - требуемая максимальная дальность обнаружения выхода газа, С - скорость звука в воде в районе измерений. С помощью устройства выборки (УВ) в момент времени t производят первую выборку цифровых сигналов из ЗУ для всех приемных датчиков на интервале анализа Т и осуществляют полосовую фильтрацию сигналов с каждого приемного датчика в каждом частотном поддиапазоне для временного интервала Т с помощью полосовых пропускающих фильтров (ПФ). Далее, с помощью вычислительного устройства (ВУ) выполняют спектральный анализ сигналов со всех приемных датчиков на временном интервале Т в рабочих частотных поддиапазонах. Временное окно Т спектрального анализа сигналов выбирают с учетом длительности t эмиссионного излучения пузырьков t=2QT, где Q - величина добротности собственных колебаний пузырька имеет значения в диапазоне от 5 до 30, Т - период собственных колебаний пузырька, связанный с собственной (резонансной) частотой пульсаций пузырька Ω=2π/T, которая определяется известным способом с помощью приведенных в работе [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, 2014, pp. 1065-1076] выражений (2)
*
0
b
0
w,
*
υ
r
где Ω и Ω собственные частоты пульсаций пузырьков на расстоянии h от твердой границы и свободных пузырьков, соответственно, γ - показатель политропы, Р - гидростатическое давление газа в пузырьке, ρ - плотность и Н - глубина водного слоя. При расчете резонансной частоты Ω в выражении (2) учтены эффекты взаимодействия пульсирующего пузырька с твердыми границами (стенки труб газопроводов, каналы выхода сипов в дне и т.п.) в области выхода газа. Расчет коэффициентов β и β выполняется по формулам:
v
th
υ
r
0
0
*
t0t
i
n
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><msub><mi>Ω</mi><mo>*</mo></msub></mrow></msub><mo>∗</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где v - коэффициент вязкости жидкости, длина вязкой волны, F(k) - фактор, определяющий влияние твердых границ на затухание, обусловленное вязкостью. Затуханием пульсаций газовых пузырьков в воде за счет теплопроводности β в обычных условиях можно пренебречь по сравнению с эффектами β и β. Рассчитанные спектры для всех сигналов сохраняют в ЗУ, а процедуру спектрального анализа повторяют для всех сигналов в моменты времени t+1, t+2 и т.д. и используют соответствующие спектры для построения спектрограмм сигналов со всех приемных датчиков и для всех частотных поддиапазонов. Обнаружение эмиссионного сигнала в пассивной стадии измерений проводят путем анализа спектров и спектрограмм со всех приемных датчиков. Критерием обнаружения эмиссионного сигнала пузырька и задание начала активной стадии идентификации и локализации возможного выхода газа будет появление и обнаружение оператором на спектрограмме (спектрограммах) импульсного узкополосного сигнала с экспоненциально затухающей амплитудой, причем время затухания амплитуды дискретной составляющей соответствует по времени 5-30 периодам пульсаций сигнала. В случае применения автоматической приборной дискриминации и численного анализа для обнаружения эмиссионного сигнала пузырька и задания начала активной стадии идентификации и локализации утечки или выхода газа выполняют процесс цифровой обработки сигналов (ЦОС). ЦОС включает в себя определение характеристик импульсного сигнала: частоты заполнения Ω, длительности импульса, β - суммарного коэффициента затухания и времени прихода τ импульсных сигналов вида (1), во всех сигналах s(t) путем определения частотных составляющих спектров  указанных сигналов, превышающих по амплитуде заданное пороговое значение A,  и амплитуда которых затухает во времени по экспоненциальному закону
. Прием акустических сигналов, регистрация электрических сигналов и их спектральная обработка путем ЦОС, проводятся в режиме реального времени.
n
ов
*
ц
*
bs
При обнаружении в принимаемом шумовом сигнале импульсов, соответствующих виду эмиссионного сигнала, излучаемого пузырьком (выражение (1), выполняют фильтрацию сигналов s(f) со всех приемных датчиков антенны во временном окне Т. Фильтрация сигнала выполняется с помощью полосового пропускающего фильтра - F(ω,Ω) с центральной частотой Ω=Ω. Полученные после фильтрации сигналы , представляют собой серию реплик исходного импульсного эмиссионного сигнала пузырька, так как прошедший через среду, зарегистрированный сигнал содержит отраженные от границ и преломленные в среде компоненты, которые могут накладываться друг на друга или быть разнесены во времени, . Амплитуды частотных составляющих окружающего шума вне границ пропускания фильтра будут значительно (>60 dB) подавлены. Сигналы со всех приемных датчиков антенны после фильтрации обращаются во времени и усиливаются с коэффициентом, равным (в зависимости от требуемой дальности обнаружения утечки), например, K=10-1000 и каждый сигнал в момент времени ,  излучается соответствующим датчиком, в среду. Излучаемые, инвертированные во времени сигналы имеют вид (b, Фиг.). Результирующее поле обращенных во времени сигналов, в соответствии с базовым принципом обращения времени, фокусируется назад в точку положения источника. Резонансный характер пульсаций пузырька, как резонансной колебательной системы, приводит к резонансному рассеянию падающей на него обращенной волны. Проведенные авторами расчеты рассеяния обращенных во времени акустических сигналов (b, Фиг.) на резонансном пузырьке показали, что выражение для формы сигнала обратного рассеяния p(t) пузырька может быть представлено в форме:
*
tot
t
здесь φ=arctg(-Ω/β), R~1 м - параметр, характеризующий излученный сигнал, a=(h/2)N - эффективная апертура антенны. Амплитуда рассеянного на пузырьке сигнала линейно (с коэффициентом К) зависит от амплитуды обращенного во времени и усиленного сигнала, а длительность отраженного импульса больше в два раза длительности эмиссионного импульса,  (вид рассеянного сигнала (с), Фиг.).
bs
n
cra
cra
са
*
tot
pri
р
ов
р
ов
Рассеянный пузырьком акустический сигнал p(t) распространяется в среде от пузырька к антенне, испытывая отражения от границ и преломляясь на неоднородностях импеданса в среде, и принимается датчиками антенны. Соответствующие электрические сигналы  с датчиков будут, аналогично зарегистрированному эмиссионному сигналу, содержать реплики, но уже импульсного сигнала обратного рассеяния (4),  Зарегистрированные электрические сигналы  обрабатываются по методике, сходной с той, что была описана выше для сигналов s(t). Обработка включает в себя выделение рассеянных на пузырьке импульсных сигналов вида (с, Фиг. ) во всех полученных с приемных датчиков антенны электрических сигналах  путем определения частотных составляющих спектров . Временной интервал (временное окно) T спектрального анализа принимаемых датчиками рассеянного сигнала вида (4) выбирается в соответствии с длительностью рассеянного пузырьком обращенного эмиссионного сигнала (с, Фиг. ), которая в два раза больше длительности эмиссионного импульса (а, Фиг. ) T=2×Т. Определение и уточнение характеристики отдельных реплик вида (4) (частота заполнения Ω, длительность импульсов, β - коэффициенты затухания и времена приходов - t) импульсных составляющих сигнала выполняются путем расчета и построения спектрограмм рассеянных сигналов для сигналов со всех приемных датчиков. Размер временного окна Т анализа принимаемого рассеянного сигнала теоретически должен соответствовать размеру Т - окну анализа эмиссионного сигнала, но на практике может быть больше, Т≥Т, за счет больших амплитуд рассеянных сигналов, лучшего соотношения сигнал/шум и большей «полезной» длительности каждого импульса, по сравнению с эмиссионными импульсами.
ij
i
j
pri
i
Локализация утечек газа выполняется по известным методикам позиционирования «шумящих» подводных объектов в пассивном режиме путем приема первичного эмиссионного сигнала пузырька, расчета задержек Δτ=τ-τ, с датчиков антенны и расчете углов прихода сигнала на каждый датчик. Уточняющая локализация выполняется на второй, активной стадии, по разнице времени между временем прихода первых импульсов рассеянного на пузырьке сигнала t и излученным инвертированным эмиссионным сигналом  на всех приемных датчиках антенны, путем расчета дистанций L от эмиссионного пузырька до каждого элемента антенны, , где С - скорость звука в среде распространения. Точность локализации в активном режиме выше, чем для пассивной локализации, за счет лучшего соотношения сигнал/шум и большей «полезной» длительности каждого импульса по сравнению с результатами пассивной локализации для эмиссионных сигналов.
н
к
*
Дополнительно, данный метод позволяет по полученным данным произвести расчет потока газа за счет выходящих газовых пузырьков на интервале времени t≡[t,t] по известной формуле , где р - это номера циклов измерений во времени, k - индекс суммирования по пузырькам разных радиусов в данный момент измерений. Радиусы пузырьков определяются по идентифицированным и измеренным резонансным частотам Ω с использованием выражений (2) и (3).
1
*
Таким образом, предлагаемый новый метод обнаружения и локализации источников эмиссионного излучения в газожидкостной среде обеспечивает повышение вероятности идентификации объекта эмиссии и снижение числа ложных тревог за счет принятия решения по наличию нескольких критериев. В пассивной стадии - это наличие импульсного, монохроматического, экспоненциально затухающего во времени сигнала акустической эмиссии вида, описываемого выражением (1), зависимость длительности сигнала от частоты в виде (2) и значений показателя экспоненты в законе затухания в виде (3). В активной стадии - это резонансный характер рассеяния излученного инвертированного сигнала, вид импульсов (4) и удвоенная длительность импульсов в принимаемом рассеянном сигнале. Резонансный характер рассеяния объекта идентификации позволяет реализовать третью стадию идентификации и верификации путем излучения инвертированного сигнала на частоте Ω, отличной от частоты резонанса Ω. Если эмиссионный объект не является резонансным пузырьком, отраженный сигнал будет иметь амплитуду на два порядка меньше, чем сигнал резонансного рассеяния.