CC BY
119
Бушмелева К.И., Плюснин И.И. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В УСТРОЙСТВЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
Рассмотрены основные компоненты системы автоматической обработки и регистрации сигналов в устройстве дистанционного зондирования, программно-аппаратный диагностический комплекс «ЛУГ», магистральных газопроводов с борта летательного аппарата в режиме реального времени.
Обнаружение и оценка объемов утечек газа (метана) из магистральных газопроводов (МГ) газотранспортной системы предприятия ОАО «Газпром» является на сегодняшний день одной из важнейших задач. С целью своевременного обнаружения утечек газа, для безопасной и надежной эксплуатации газотранспортных систем, необходим регулярный мониторинг газопроводов, при этом наиболее эффективным является метод дистанционного зондирования МГ устройством, базирующимся на борту летательного аппарата.
Устройство дистанционного зондирования, разработанное в центре лазерных технологий Сургутскго государственного университета на базе лазерного локатора утечек газа (ЛУГ), является одним из основных элементов программно-аппаратного диагностического комплекса (ПАДК «ЛУГ»), предназначенного для оперативного дистанционного обнаружения утечек метана из МГ с борта летательного аппарата. Данное устройство позволяет: измерять концентрацию стравливаемого из МГ газа в реальном масштабе времени; осуществлять непрерывную съемку исследуемого объекта; визуализировать и документировать полученные изображения; определять координаты места утечки газа и оценивать состояния трассы МГ с помощью ГИС-технологий [1]. В состав ПАДК «ЛУГ» так же входит специализированное программное обеспечение в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) «Оператор ЛУГ».
В устройстве дистанционного зондирования используется известный принцип действия, основанный на поглощении лазерного излучения газами. Лазерное излучение, исходящее от источника проходит через слой атмосферы, где поглощается и рассеивается атмосферными газами и метаном, после чего отражается от подстилающей поверхности, еще раз возвращаясь, проходит слой атмосферы и регистрируется оптическим приемным устройством системы.
Передающая оптическая система (ПОС) локатора, состоит из двух ^-^ переключаемых лазерных излучателей с частотой 7кГц, генерирующих излучение на длинах волн А2=3,3922мкм и А2=3,3912мкм [2], т.е. с сильным и слабым поглощением в метане соответственно. Непрерывное излучение лазеров пропускается поочередно по адаптивному алгоритму магнитооптическими модуляторами (МОМ 1 и 2), установленными на выходах лазеров, которые в свою очередь управляются из электронно-вычислительной машины (ЭВМ) и с помощью системы зеркал ПОС смешиваясь в виде одного луча, направляются в область предполагаемой утечки метана.
Приемная система (ПС) излучения устройства состоит из телескопа, в котором смонтировано главное параболическое зеркало, защитное кварцевым стеклом, размещенным в фокусе телескопа. На стекле закреплен охлаждаемый фотодетектор (ФД) с предварительным усилителем и системой отвода тепла.
Смешанные поочередно лучи лазеров, отраженные от подстилающей поверхности вблизи МГ, попадают на ФД телескопа и преобразуются в электрический сигнал. После усиления электрические сигналы поступают в устройство управления (УУ).
Блоки ПОС, ПС и УУ составляют, замкнутую систему автоматического управления по отклонению, где объектом управления является совокупность лазеров, МОМ и система зеркал, формирующие регулируемый по величине совмещенный лазерный луч.
При пересечении смешанным лазерным лучом облака метана, на выходе ФД формируется сигнал рассогласования, пропорциональный разности поглощения излучений лазеров 1 и 2 в газе. Сигнал рассогласования детектируется и поступает для измерения и обработки в ЭВМ.
При отсутствии утечки метана из МГ условия распространения лазерных лучей и уровень принятых ФД сигналов одинаков. При регистрации утечки метана возникает модуляция принятого сигнала с частотой переключения лазерных лучей 7кГц.
Регистрируемые локационной системой устройства дистанционного зондирования сигналы с выхода ФД после предварительного усиления и фильтрации поступают на интегрированную плату, выполняющую функции аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также сбора и временного хранения данных. Сохраняемые файлы временных реализаций принятого сигнала соответствуют частоте дискретизации 200кГц и характеризуются типом регистрируемых данных ASQ-II. Данная информация собирается в системе обработки и регистрации данных (СОРД), которая предназначена для обработки электрических сигналов, поступающих на АЦП, по определенной программе, последующего отображения ее на экране и записи в память ЭВМ.
В состав устройства дистанционного зондирования входит быстродействующий АЦП, который имеет два идентичных двенадцатиразрядных канала, что позволяет при необходимости расширить функциональные возможности устройства. Преобразованные в АЦП сигналы по кабелю USB поступают в ЭВМ.
Результаты обработки выдаются на экран дисплея в виде непрерывной осциллограммы, с точной временной привязкой и позволяют оператору, работающему с устройством, судить о результатах обследования.
Таким образом, СОРД обеспечивает привязку сигналов локатора к конкретным координатам на земной поверхности, регистрирует поступающую информацию и осуществляет ее предварительную обработку.
Анализ работы СОРД устройства дистанционного зондирования свидетельствует о наличии регулярных амплитудно-фазовых соотношений сигналов, своим происхождением обусловленных присутствием метана в зоне действия лазерного локатора. В этих условиях, когда сигнал представлен на ограниченном интервале времени в присутствии помех, типовой обработкой является цифровой спектральный анализ. Для построения амплитудно-фазового портрета регистрируемого сигнала производится посегментная обработка данных, включающая в себя разбиение исходной временной реализации на сегменты, нахождение коэффициентов Фурье на частоте 7кГц для измерительного и опорного сигналов и вычитание абсолютных фаз выделенных гармоник для каждого из сегментов [3].
На рис. 1 представлен пример фазового портрета сигнала с длительностью посегментной обработки 7,5мс (сглаживание быстрых флуктуаций фазы принимаемого сигнала было выполнено с использованием периодограммных методов) и сигнала с усреднением по соседним отсчетам фазы по методу Даньелла.
а°
О 0 02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
t С
Рис. 1. Фазовые портреты сигнала: а) с длительностью посегментной обработки 7,5мс; б) с усреднением по методу Даньелла
Анализ рисунка свидетельствует о сложной фазовой структуре полезного сигнала, однако с помощью подбора длительности сегмента и использования метода усреднения быстрых флуктуаций фазы, сигнал в большинстве случаев может быть выделен из помех.
Алгоритм обнаружения утечек метана системой СОРД ПАДК «ЛУГ» при малом соотношении сигнал-шум учитывает амплитудно-фазовые свойства сигналов и помех. В качестве обнаружителя сигнала с использованием амплитудных свойств используется известная процедура сравнения с порогом результата нахождения корреляционного интеграла вида:
У
P(т) = J r(t)v(t-r)dt ,
0
где r (t) - огибающая обработанного сигнала с посегментным усреднением, v(t-т) - форма огибаю-
щего сигнала,- интервал наблюдения.
Обнаружение сигналов с учётом их фазовых свойств выполняется через фазовый портрет сигнала, при этом значения разностей фаз, попадающие в интервал 120^160 °, в большинстве случаев свидетельствуют о наличии утечки метана из газопровода.
Представленный пример успешного выделения сигнала, обусловленного утечками метана из МГ, свидетельствует об эффективности методов цифрового спектрального анализа (ЦСА). В настоящее время более точная обработка данных, полученных в результате оперативного съема информации в процессе движения летательного средства над газопроводом, с использованием ЦСА, осуществляется по завершению облёта трассы. В перспективе программная реализация обработки сигналов, полученных ПАДК при облёте трассы, будет вестись в реальном масштабе времени в процессе обследования.
В ПАДК «ЛУГ» также входит спутниковая навигационная система в виде приемника GPS, подключенного к ЭВМ, которая обеспечивает высокие характеристики определения координат местности в ходе проведения работ и отображает в виде трека заданный маршрут обследования МГ. Работая совместно с локатором, СНС фиксирует точки, отмечая их специальными значками на GPS-треке. Точки трека содержат информацию о текущих координатах и времени, служат для идентификации расположения различного рода объектов, где проводились обследования, а также мест, в которых регистрировались утечки метана.
Треки являются непрерывной последовательностью точек, полностью отражающих пройденный путь проводимого летного обследования, которые в свою очередь отображаются на электронной карте местности выводимой на экран ЭВМ (рис. 2).
Рис. 2. GPS-трек места проведения обследований
Таким образом, GPS приемник (типа BU-303) в ходе вертолетного обследования участков МГ постоянно записывает маршрут движения в память ЭВМ, где в конечном итоге вся полученная информация сохраняется в виде электронных файлов. Данные GPS являются массивом данных собранных с GPS приемника , позволяют отслеживать местоположение устройства в 3-х мерном пространстве с привязкой по времени и содержащих: время (в миллисекундах), координаты (широта - долгота, в градусах, минутах, секундах или долях градусов), высота (в метрах), скорость полета (в метрах в секунду) и направление движения летательного аппарата.
В ПАДК «ЛУГ» предусмотрена также возможность обрабатывать фотоинформацию, получаемую посредством цифрового фотоаппарата (типа Nikon O200) места зондирования. Привязка событий локатора к конкретным координатам на земной поверхности, с фиксированием цифровым фотоаппаратом, имеющим свое GPS устройство, изображения мест утечки газа также обеспечиваются СОРД устройства.
Ввод данных по обследованию участков МГ может производиться в двух режимах: непрерывная съемка с заданным интервалом времени и съемка при наступлении события, т.е. фиксация места утечки газа. Фото данные - массив цифровых фотографий (рис. 3) мест облётов участков МГ созданных цифровым фотоаппаратом, подключенным к локатору и ЭВМ через специальный интерфейсный разъем и полученных в ходе проведения зондирования трассы МГ. При этом обеспечивается точность по времени не более 1мс, размер изображения не менее 40х60м, разрешение 8-10Мпикс.
Фотоинформация места дистанционного зондирования данным устройством служит бортовым протоколом проводимого обследования, кроме того, она позволяет повышать вероятность обнаружения утечки метана из газопровода или исключить ложное срабатывание. Особенно это эффективно на заводненных территориях, где, как правило, все известные устройства дистанционного зондирования либо не работают (тепловизионные), либо формируют ложный сигнал.
Рис. 3. Фотография участка МГ с фиксацией выхода трубы на поверхность
Помимо выше перечисленных технических средств в состав ПАДК «ЛУГ» входит набор специализированных программных продуктов служащий для решения задач, связанных с функционированием устройства, вводом и преобразованием данных с АЦП и GPS-приемников, обработкой картографической информации и изображений с цифрового фотоаппарата, подготовкой автоматических отчетов.
Анализ собранных данных об обстановке на объектах МГ производится персоналом посредством обработки оперативной информации в АРМе «Оператор ЛУГ», построенном на базе ГИС-технологий [4], который призван объединить всю полученную информацию для удобного хранения в базе данных и последующего её использования как с целью анализа, так и при прогнозировании событий.
Результаты, полученные в ходе летных обследований на участках МГ с использованием ПАДК и обработанные в АРМ, представляются в электронном виде отчетами (рис. 4), сохраняемыми в БД и имеют следующий вид: электронная карта местности проводимого облета с нанесенным участком МГ, выполненная с использованием ГИС-технологии; GPS-трек полета летательного средства относительно трассы газопровода, позволяющий контролировать и анализировать траекторию полета, с целью выявления, во время и после полета, необследованных участков на трассе МГ; координаты выявленных утечек метана «привязанные» к местности и к МГ; высотный график полета летательного аппарата; фотоинформация, синхронизированная с обнаруженной утечкой метана и отображаемая в реальном масштабе времени на экране ЭВМ; цифровая осциллограмма, которая характеризует наличие и относительную мощность концентрации метана в зафиксированных местах утечки газа из МГ.
Рис. 4. Результаты обследований трассы МГ
По результатам анализа формируется предложение о проведении дополнительных работ по локальному диагностированию зарегистрированных утечек метана или ложных сигналов из МГ для повышения достоверности полученной информации и вероятности обнаружения утечки.
Необходимо отметить, что данное устройство дистанционного зондирования объектов МГ позволяет определять утечки даже сверхнизкой концентрации газа, образовавшиеся в местах микротрещин, которые в свою очередь, могут привести к катастрофическим последствиям в виде пожаров и взрывов. Поэтому после обнаружения даже малой утечки газа в ее район направляется бригада ремонтников с техническими средствами неразрушающего контроля газопроводов, которые быстро находят указанные места, проводят диагностирование и в случае подтверждения утечки газа устраняют аварию.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушмелева К.И., Плюснин И.И. Авиационный программно-аппаратный диагностический комплекс мониторинга магистральных газопроводов //Измерительная техника. - 200 9, № 2. - С. 41 - 44.
2. Попов А.Н., Садчихин А.В. Поглощение излучений Л1=3,3922 и Л2=3,912 мкм в предельных углеводородах //Журнал прикладной спектроскопии. - 1991. - Т.55, № 3. - С. 58 - 62.
3. Белов М.Л., Городничев В.А. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа атмосферы //Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001, № 4. С. 51 - 57.
4. Плюснин И.И., Бушмелева К.И. Автоматизированная геоинформационная система мониторинга технического состояния магистральных газопроводов //Информационные технологии. - 2009, № 5. - С. 68
- 72.
