具体实施方式

在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本申请实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本申请中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本申请公开的内容。

除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本申请中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。

本文所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于±5％，如小于或等于±2％，如小于或等于±1％，如小于或等于±0.5％，如小于或等于±0.2％，如小于或等于±0.1％，如小于或等于±0.05％。在本文中以范围格式表示或呈现的数值数据，仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。本文中述及的传感器，一般指能够采集声音信号的传感器，如超声波传感器等。

在本文中，包括权利要求书中，连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。连接词“由……构成”和“由……组成”是封闭连接词。

为了更好的说明本申请内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本申请的主旨。

在不冲突的前提下，本申请实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本申请实施例公开的内容。

在一些实施方式中，气体泄漏位置三维定位方法包括：建立基于基尔霍夫衍射远场声全息理论的声场模型，在测量平面获取泄漏源声场信息，处理获取的声场信息，得到泄漏源声场的声全息数据，利用声场模型和声全息数据，确定泄漏源的三维位置信息。建立基于基尔霍夫远场全息理论的声场模型与获得泄漏源声场信息为独立进行的两个阶段，一般地，三维定位方法中不限定其先后顺序。除非在具体实施过程中表明了实际进行的次序，或者根据上下文的记载，确定了严格的先后顺序。

作为可选实施例，在测量平面获取泄漏源声场信息具体包括：利用超声波传感器依照预设阵列规则在测量平面形成阵元间距相等的虚拟相控传感器阵列，超声波传感器包括至少一个参考传感器和至少一个扫描传感器；利用扫描传感器逐一获取虚拟相控传感器阵列每一个阵元位置的声场信息，同时利用参考传感器同步获取其所在位置的声场信息。

作为可选实施例，处理获取的声场信息包括：利用互功率谱算法处理扫描传感器和参考传感器获得的声场信息，消除不同扫描传感器的扫描时间间隔得到采集时间一致性，得到泄漏源测量平面的声全息数据。

作为可选实施例，声场模型表达式为：

其中，U(∈,η)表示泄漏源平面的声压分布，被定义为空间波函数h(x,y)，M、N为虚拟相控传感器阵列(M*N)的行数和列数；h*(x,y)为全息函数，包含虚拟相控传感器阵列第m行、第n列位置的全息信息；r_mn是虚拟相控传感器阵列第m行、第n列位置到泄漏源之间的距离；ΔxΔy是虚拟相控传感器阵列第m行、第n列传感器的覆盖面积；C为全息常数；z₀是泄漏源到测量平面的垂直距离；为复变函数；k为波数；m≤M,n≤N。

声场模型的建立

在气体泄漏源的声全息分析中，目标源辐射的声场中存在两个重要的平行面：声源面和测量面，它们是平面声全息方法中重要的两个平行平面。利用建立的远场声全息模型，通过投影算子能够关联两个空间分离平面的声场，即通过了解一个平面中的场，可以用数值估计出与其平行的另一个平面中的场。所以，通过在测量面测得的测量场可以计算得到声源面的辐射场，从而从声源面的辐射场识别泄漏位置。

以下示例性说明利用压力场传播的线性模型在二维平面测量的函数中构建声场的全息表达。

声压波P在线性不可压缩流体中的传播可以用亥姆霍茨方程表达：

其中，U(P)是观测点P(x,y,z)的复振幅，k是波数，并由下式表示：

其中，ω是信号角频率，λ是泄漏信号的波长，c是声波的传播速度。可以看出亥姆霍兹方程与时间因素无关，它描述了不随时间变化的稳定声场。

经典的无穷基尔霍夫衍射公式如下式：

其中，U是空间中P(x,y)点的声场分布，可以被定义为空间波函数h(x,y)；n是测量平面的法向量；r是半径向量r的模，e^ikr表示复变函数；

当h(x,y)给定时，基尔霍夫衍射积公式可以计算出被动空间中波传播方向任意点P处的场。利用这个特性，可以从已知平面的波场分布推导出下一个平面上的波场分布。例如，可以通过以下实施例实现。

如图1所示，θ是半径向量r和测量平面法向量n之间的夹角，∑为空间中测量平面位置处的无限平面，H是该无限平面上的有限测量部分，即测量平面；R为声源点S(∈,η)所在的平面，可以称为声源平面，∈,η分别表示x和y轴上的坐标。

对空间波函数h(x,y)进行共轭处理后可以得到h*(x,y)，从而可以得到包含测量信号共轭波信息的全息函数H(x,y)，共轭波继续传播，会聚在声源S(∈,η)的实像S₁上(S₁可以看作是虚拟声源)。共轭波的传播如图1(b)所示。

法向量n、半径向量r和z轴的方向向量z之间的关系由下式给出：

全息函数H(x,y)可以表达为：

H(x,y)＝U＝h*(x,y)e^jkz ……(6)

其中h*(x,y)是h(x,y)的共轭表示，k是波数，e^jkz表示复变函数。

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)，可得到声源平面内的声压分布：

积分全息平面xOy是无穷的，但在实际测量中，无法测量平面内连续的声压点，因此，声压分布方程应当离散化处理。例如，在测量平面内设置虚拟相控传感器阵列，该阵列中的阵列单元传感器代表离散的声音信息测量点，离散化后的声压分布公式为：

其中，U(∈,η)表示泄漏源平面的声压分布，被定义为空间波函数h(x,y)，M、N为虚拟相控传感器阵列(M*N)的行数和列数；h*(x,y)为全息函数，包含虚拟相控传感器阵列第m行、第n列位置的全息信息；r_mn是虚拟相控传感器阵列第m行、第n列位置到泄漏源之间的距离；ΔxΔy是虚拟相控传感器阵列第m行、第n列传感器的覆盖面积；C为全息常数；z₀是泄漏源到测量平面的垂直距离；为复变函数；k为波数；m≤M,n≤N。

对每个泄漏源点重复相同的过程，可以获得整个泄漏源平面的声压分布。

声场信息的采集与处理

构建虚拟相控阵列

如图2所示，在声场信息测量平面内设置虚拟相控阵列12，该相控阵列中包括M×N个阵元作为声场信息采集点，形成M*N阶虚拟相控阵列，其中所有阵元之间等间隔设置，M×N个采集点形成方形的虚拟相控阵列12；泄漏源100设置在三维直角坐标系空间中，在泄漏源100的右侧适当位置形成虚拟相控阵列12，在虚拟相控阵列12中设置一个位置固定的参考传感器1，同时设置一个位置可移动的扫描传感器2，参考传感器1和扫描传感器2与数据处理组件3连接；

利用扫描传感器2逐一地采集虚拟相控阵列12中各个采集点的声场信息，同时利用参考传感器1同步测量参考传感器设置位置的声场信息；其中，参考传感器1采集的信息表示为x_r(t)，扫描传感器2在第i个采集点采集的信息表示为x_i(t),分别表达为：

x_r(t)＝α₁s(t-τ_i-t_sr)+n_r(t)(i＝1,2,…n) ……(9)

x_i(t)＝α₂s(t-τ_i-t_si)+n_i(t)(i＝1,2,…n) ……(10)

其中，s(t)是采集到的声场信号，由泄漏源产生；α₁和α₂是衰减因子；n_r(t)和n_i(t)分别是参考传感器和扫描传感器的噪声；τ_i是扫描传感器在第i采集点与第i-1个采集点之间的扫描时间间隔。

可以得到扫描传感器2在第i个采集点采集信息的时间与参考传感器1采集信号的时间差Δt_i为：

Δt_i＝t_sr-t_si(i＝1,2,…,n) ……(11)

由上式可知，Δt_i的表达式中不包含扫描时间间隔τ_i，说明τ_i与扫描时间间隔无关。因此，采用互功率谱法可以消除虚拟相控阵列中扫描传感器逐一扫描的扫描时间间隔，得到与传统传感器阵列相同的型号模型。

声场信息处理

作为可选实施例，利用互功率谱法处理获取的声场信息具体包括：

对参考传感器的信息x_r(t)和扫描传感器在第i个信息采集点的信息x_i(t)进行傅里叶变换，得到如下表达式：

其中，和分别表示x_r(t)和x_i(t)的傅里叶变换，e^-j2πft为复变函数；

进一步得到如下表达式：

x_i(t)和x_r(t)的互功率谱可以表达为：

其中，是x_r(t)的共轭谱，为复变函数；

扫描传感器在第i个信息采集点采集的信号与参考传感器同时采集的参考信号之间的相位差表达为：

其中，Im[R(f)]表示R(f)的虚部，Re[R(f)]表示R(f)的实部；

虚拟相控传感器阵列中扫描传感器在第一个信息采集点采集到的信号为X₁(t)，则，早第i个信息采集点采集到的信号X_i(t)表达为：

其中，是X₁(t)与同时接收的参考信号之间的相位差，是X_i(t)与同时接收的参考信号之间的相位差，是复变函数。

通过对每个阵元重复相同的过程，可以获得类似于传统传感器阵列的全息数据。利用全息数据，结合声全息方法，利用声场模型计算整个泄漏源平面的声压分布。

一些实施例公开的气体泄漏位置三维定位方法，确定泄漏源的三维位置信息包括：

利用声全息数据和声场模型进行泄漏源重建计算，将计算结果显示为泄漏源图像信息；

以设定重建距离间隔多次进行重建计算，显示多个泄漏源图像信息；通常以第一次重建计算的距离为基础，以等间隔的距离，距离增加和距离减小的两个方向进行泄漏源重建，显示不同重建距离处的多个泄漏源图像信息；

确定清晰度最高的泄漏源图像信息对应的泄漏源位置信息为泄漏源三维位置信息。通常图像的清晰度最高，意味着成像过程的聚焦效果最好。

作为可选实施例，泄漏源图像信息包括二维图像信息或三维图像信息。

作为可选实施例，预设阵列规则包括阵元间距、阵元数量、阵列形状。一般地可以根据泄漏源的具体情况，如测量距离、测量空间等合理设置阵元数量、阵元间距，设置合理的阵列形状，以满足泄漏源的测量精度和测量效率等需求。

一些实施例公开了气体泄漏位置三维定位系统，用于实现气体泄漏位置三维定位方法，该三维定位系统包括：

信息采集组件，包括至少一个扫描传感器和至少一个参考传感器，设置用于获取泄漏源在测量平面的声场信息；一般地，设置一个参考传感器和一个扫描传感器即可实现虚拟相控阵列的设置和声场信息采集；也可以设置多个扫描传感器和参考传感器实现相控阵列的设置和声场信息采集，一般地，传感器的数量要远小于虚拟相控阵列的阵元数量，可以有效地发挥虚拟相控阵列的优势；

线性移动平台，用于控制所述扫描传感器和所述参考传感器形成虚拟相控阵列；一般地线性移动平台可以精确控制扫描传感器和参考传感器的位置和移动，依照设定的规则控制传感器在虚拟相控阵列中移动，采集每一个相控阵元位置的声场信息；

数据处理组件，设置用于传输并处理所述声场信息，获取声全息数据，建立声场模型，利用建立的声场模型和处理得到的声全息数据，计算确定泄漏源的三维位置信息。一般地，数据处理组件中嵌入或植入有已经建立的声场模型，例如声场模型可以植入上位机中；通常，数据处理组件包括数据采集部件，包括多通道数据采集卡，采集程序面板等，可以将传感器采集的信息传输至上位机；上位机用于操控传感器和线性移动平台形成虚拟相控阵列并进行声场信息采集，同时控制数据采集部件；进一步，上位机还根据建立的远场声全息模型处理数据，显示三维定位结果。

气体泄漏三维定位系统构建

如图3所示，设置一参考传感器1和一扫描传感器2，利用线性移动平台4控制扫描传感器2和参考传感器1，将参考传感器1和扫描传感器2设置在三维直角坐标系XYZ空间中，在监测平面XOY内设置虚拟相控阵列12，该虚拟相控阵列12包括多个等间隔设置的虚拟阵元101，虚拟阵元101横向间隔为x₁，纵向间隔为y₁；设置数据处理组件3，将其与扫描传感器2和参考传感器1连接，并与线性移动平台4连接；数据处理组件3通常包括模拟量输入通道、ADC芯片、PFGA芯片、PCI控制器、存储器等，还可以包括精密基准源、校准电路等；

线性移动平台4控制扫描传感器2在监测平面内移动，能够逐一在每个虚拟阵元101位置采集声场信息；参考传感器1设置在坐标系原点O位置，与扫描传感器2同步采集该位置的声场信息；

气体泄漏三维定位系统采集数据过程中，利用参考传感器1采集坐标系原点O位置的声场信息，扫描传感器2依次逐个采集虚拟阵元101位置的声场信息，扫描传感器2采集每一个虚拟阵元101位置的声场信息时，参考传感器1同步采集坐标系原点位置的声场信息；参考传感器1和扫描传感器2采集的声场信息输入到数据处理组件3，通过模拟量输入通道一和模拟量输入通道二，传输到数据处理组件3的信息存储部件存储并经由信息处理部件进行互功率谱计算，消除扫描时间间隔，获取全息数据；根据建立的声全息模型和获得的声全息数据，计算出泄漏源100声场的声压分布，获取泄漏源深度信息，实现三维定位。

具体地，以空气压缩机作为目标气源，将目标气源从喷嘴中喷出形成泄漏源，设置在三维直角坐标系XYZ空间，设定横向间距x₁为3mm，纵向间距y₁为3mm，设置形成包含60×60虚拟阵元的虚拟相控阵列，设置相邻传感器之间的间距小于声波型号的半波长，确保满足空间采样定理限制，使用全数字双通道记录器以采样率为1MHz的频率记录泄漏声场信号，测量平面位于距声源z_h＝0.6m处，且测量平面为边长为18cm的正方形平面。测量平面完成泄漏声场数据测量后，通过后处理对泄漏源声场进行三维检测和成像。

利用距离泄漏源0.6m的测量平面处获得的声场信息和声场模型，构建多个距离处的声场，并进行三维成像，每次声场重建的距离间隔0.15m。结果如图4所示，图中，距离z表示与测量平面之间的距离，图中泄漏源图像的边界越清晰，说明泄露声场越强(实际操作中，泄漏源图像显示为红色，颜色越红表示泄漏声场越强)，据此可直观判断泄漏声场最强的的位置为泄漏源。

图4中每隔0.15m进行一次声场重建，可以看出，随着重建距离z的增加，重建图像逐渐收敛；当重建距离z超过实际距离0.6m，重建图像逐渐发散，分辨率逐渐降低，直至失去意义。可见，只有当重构距离z等于实际距离时，才能很好地重构泄漏源。相反，在其他距离上定位形成的图像显示出强烈的伪影，泄漏源未得到很好的重建。通过在不同的深度上反复进行泄漏声场重构，以此达到泄漏源深度信息的有效估计，从而实现对泄漏源的三维定位。可以确定，泄漏源的位置为z＝0.6m。

图5中，显示了泄漏源在0.3m，0.6m和1.2m距离处的定位结果，包括二维平面投影成像及对应的三维成像。

图6为气体泄漏三维定位检测效果图，直接展示了实际测试现场的定位效果。图6中，空气压缩机102设置与喷嘴103连接，形成气体泄漏源，测量平面完成泄漏声场数据测量后，对获得的数据进行处理，并进行三维检测和成像，在喷嘴气体泄漏源位置直接显示喷嘴声源全息图像104，喷嘴声源全息图像放大图105是将喷嘴声源全息图像104放大显示的效果。

定位系统可靠性试验

为了验证三维定位系统的稳定性和可靠性，对定位系统记性了多组重复实现，泄漏源位于0.6m处，并对测试结果进行了误差分析，结果如表1。

表1 三维定位系统结果及分析

在x和y方向定位的相对误差(％)定义为泄漏源估计位置与实际位置的差值与重建平面尺寸的比值。从表1中可看出该方法在x和y方向的定位误差约为5％。

为了分析该方法在z方向的定位精度，将测量平面前方声场定义为一个0.6m×0.6m×1.2m的长方体空间，并将其离散化为60×60×24网格(z方向上划分为24个网格)。从表1中可以看出z方向上定位误差大约2-3个网格。误差统计表明该定位系统的误差表现可以满足大多数实际工程需要，并且定位效果稳定、可靠。

一般地，随着气体泄漏源的距离增加，泄漏源最终成像的分辨率略有下降；通常这种情况的发生与检测距离增加造成的噪声、声反射等负面影响因素有关。

本申请实施例公开的气体泄漏位置三维定位方法，能够获得更准确的声场信息，进而能够引入深度信息实现泄漏源的三维检测效果展示；通过构建基于基尔霍夫衍射理论的声全息模型，能够实现较大距离泄漏源的声场定位；利用虚拟相控阵列技术，在气体泄漏检测与定位中降低了系统成本和复杂度，提高了泄漏源检测精度和定位精度，在气体泄漏位置的准确定位方面具有巨大实用价值和工业应用潜力。

本申请公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本申请的发明构思，并不构成对本申请技术方案的限定，凡是对本申请公开的技术细节所做的常规改变、替换或组合等，都与本申请具有相同的发明构思，都在本申请权利要求的保护范围之内。