CN101782555A - 基于时间延迟的导波信号分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于时间延迟的导波信号分析方法，基于对超声导波检测的多组原始信号进行时间延迟和线性叠加，将多组原始信号，分离方向并且合成最终两条检测结果曲线；包括：安装N个传感器：每个传感器组对应一个通道；传感器分为A环和B环；并分别设为奇数号和偶数号；两个环间距为激励信号中心频率对应波长的1/4；选用M个不同中心频率和一定周期数的加窗调制正弦波为激励信号，这M轮激励信号在频域中有各自的中心频率和带宽，各自覆盖一定的频率范围，通过数次激励和改变中心频率，获得M×N×N组数据；通过计算得到最终的管道检测曲线图，实现了检测方向的分离以及对称与非对称信号的分离，便于寻找管道上的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及基于时间延迟的导波信号分析方法，属于无损检测信号分析领域。
背景技术
超声导波检测管道的缺陷和损伤是近年来兴起的一项新的管道检测技术。和常规的漏磁、涡流、射线法相比具有检测效率高、传播距离远、检测范围大、不需要剥离外包层、对埋地管道不需要全部开挖、可以进行在线检测等优点，除了适用于一般的管道检测，对高架管道、有包覆层的管道、埋地管道、管道在公路路基穿越段和穿墙段、在水中的运行的管道等情况。与传统的超声波检测相比，超声导波技术有检测距离长(最长达200米)、可对管道进行100％检测、不需要耦合及和检测方便快速的优点。
但是由于超声导波检测设备采集的数据比较复杂，从信号中，很难直接分辨出管道上的特征。需要对多组原始数据进行处理，以便将多组原始数据组合形成两个方向的分析数据，便于分析。
目前，对于超声导波检测管道的信号处理主要集中在信号的去噪和增强的方面。多通道信号的合成，以及利用多通道信号分离沿管道的不同检测方向的方法。目前，已经发表或者公开的研究成果中有关管道特征识别的成果还是十分少见的。
发明内容
本发明的目的是为了解决超声导波设备收集到的多通道信号无法合成单一分析信号，利用原始信号无法分辨方向的现状。提出了一种将多通道原始信号合成沿管道两个方向检测信号的方法。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种基于时间延迟的导波信号分析方法，基于对超声导波检测的多组原始信号进行时间延迟和线性叠加，将多组原始信号，分离方向并且合成最终两条检测结果曲线；主要包括以下步骤：
1.1.安装传感器：
根据标准钢制运输管道的管径安装N个传感器组，每个传感器组对应一个通道；所述的传感器组采用相同数量的传感器分为A环和B环；这些传感器组分为两个环A、B；A、B环包含的传感器组数量相等并且位置对应；两个环间距为激励信号中心频率对应波长的1/4；将A环上的传感器编号为奇数号，B环上的传感器编号为偶数号；则A环对应通道编号1、3、5、7……，B环对应通道编号2、4、6、8……；
A环和B环等距离平行排列；
传感器组沿管道A环和B环周向平均分布；
正方向为沿管长从B环指向A环的方向；
1.2.选用M个不同中心频率和一定周期数的加窗调制正弦波为激励信号，这M轮激励信号在频域中有各自的中心频率和带宽，各自覆盖一定的频率范围，为了获得比较大的带宽，则需要调节这M轮激励信号的中心频率和周期数，使这M组激励信号的频率覆盖范围相互有一部分重叠，从而达到增大整体频率范围；
1.3.当以某一中心频率激励时，首先由通道1激励，通道1至N接收信号，接收N组数据，再由通道2激励，通道1至N接收信号，接收N组数据；再由通道3、4、5……N激励，每次激励，都接收N组数据，一共接收N×N组一通道发射，多通道接收数据；
1.4.改变中心频率，重复步骤1.3，获得N×N组数据，在M个不同中心频率的激励信号下，获得M×N×N组数据；
1.5.针对某一中心频率激励信号激励时所接收到的N×N组数据，按照发射接收通道的区别，都在其他M-1个激励信号激励时所接受到的数据中有与之相对应的数据，将这M轮不同频率的信号中，相对应的M组数据线性叠加，得到一轮N×N组数据组成的宽频信号；
1.6.将N×N组数据中，每一个通道激励分别由N个通道接收的N组信号线性叠加，形成一组信号，等效为某一通道激励，所有通道接收的信号。得到N组单通道激励，所有通道接收的信号；
1.7.将N组信号按照发射通道分类，A类中包括1、3、5、7……通道发射全部通道接收的信号，对应传感器A环；B类中包括6、8、2、4……通道发射全部通道接收信号，对应传感器B环；
1.8.将A、B两类中的信号，分别线性叠加，得到两组对称信号分别编号为AD和BD；
1.9.将A类信号中，空间分布以A环中心对称的通道接收到的信号相减，然后再线性叠加，得到A环对应非对称信号编号AF；同理得到B环对应非对称信号编号为BF；
1.10.根据A、B两个传感器环之间的间距D，和管道中所使用模态超声波波速V，可以计算出声波从A环到B环或者从B环到A环的传播时间T＝D/V，根据采样频率fs，计算出传播时间在数据上对应的点数Ns＝T*fs；
1.11.分别将A、B两类信号延迟步骤1.10中计算得到的传播时间对应的点数Ns；前面用0来补充延迟造成的空位，得到延迟后的A类对称信号，编号YAD；延迟后的A类非对称信号，编号YAF；延迟后的B类对称信号，编号YBD；延迟后的B类非对称信号，编号YBF；
1.12.利用步骤1.11、步骤1.8和步骤1.9中得到的信号，将YBD与AD信号线性叠加，得到正向对称信号，编号ZxD；将YAD与BD信号线性叠加，得到负向对称信号，编号FxD；将YBF与AF信号线性叠加，得到一组正向非对称信号，编号ZxF；将YAF与BF信号线性叠加，得到一组负向非对称信号，编号FxF；
1.13.将步骤1.12得到的所有数据，都使用一个中心频率和带宽可调的数字滤波器，得到对应滤波后的数据，分别编号为：LZxD、LFxD、LZxF、LFxF；
1.14.将步骤1.13得到的所有数据，利用希尔伯特-黄变换，求取包络线，并将所有数据最前面接收到的激励直达信号，按照
衰减。去除激励干扰；
1.15.将所有信号的横坐标时间数据t，利用公式计算，得到横坐标距离数据l；
1.16.将步骤1.14中得到的所有负向数据反转，将ZxD与FxD的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的对称信号，编号DC；将ZxF和FxF的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的非对称信号FDC；
1.17.将步骤1.16中得到的对称信号DC和非对称信号FDC，在同一个图上显示，并用不同的颜色标出，得到最终的管道检测曲线图，图中的极大值表示管道上的特征。
前述的传感器组为八个，其中A环与B环各四个。
前述的步骤1.2.的中心频率分别为14kHZ、18kHz、24kHz、30kHz、37kHz，最大峰-峰值为300V的八周期汉宁窗调制正弦信号为激励信号；每一轮发射时，由1到8八个通道依次发射，两次发射之间间隔500mS；每个通道发射的时，所有通道全部接收，接收采样频率为200kHz，每次接收8组信号，每一轮发射可以得到64组数据，当一轮8个通道都发射完毕，改变激励的中心频率，开始下一轮的激励，再接收64组信号，这样5轮信号得到320组数据。
前述的步骤1.3中，每一轮发射收集的64组信号，与另外一轮发射收集的64组信号，按照发射接收通道的排列，一一对应；将5轮不同中心频率的信号中对应的信号叠加，得到64组的宽频信号。
前述的的64组信号中每一个通道发射，全部八个通道接收的8组信号叠加，等效为一个通道发射，全通道接收的信号，得到8组单通道发射，全通道接收的信号。
前述的的A环和B环等距离平行排列；A、B两个传感器环之间的间距D＝35mm，和管道中T模态超声波波速V＝3250m/s，计算出声波从A环到B环或者从B环到A环的传播时间T＝D/V＝1.077×10-5s，根据采样频率fs＝200kHz，计算出传播时间在数据上对应的点数N＝T*fs＝2.15点，进位为N＝2点。
本发明与现有的直接观察方法相比，具有以下明显的优势和有益效果：
1、利用软件对分时多通道激励信号的处理实现方向控制，并降低了对检测设备的要求。
2、实现了对称与非对称信号的分离，便于寻找管道上的缺陷。
3、利用多通道分时激励信号叠加的方法等效的提高了检测设备的功率。
4、利用多频率叠加的方法，展宽了检测频带，并且通过滤波器实现了频率的连续变化。
附图说明
图1为传感器安装示意图；
图2为传感器环通道展开图。
具体实施方式
结合本发明方法的内容提供以下试验实施例：
请参阅图1、图2所示，其中10为管道，11为B环，12为A环，13为沿管轴向从B环指向A环的方向；1-8为通道1至通道8的标识。
步骤1、将两个传感器环A环与B环，间隔35mm，沿圆周方向安装在钢制运输管道上。将2个传感器环按照位置各划分为4个象限，每个象限中的传感器为一个传感器组，占用一个信号通道。管道直径越大，每个象限中的传感器数量越多，每个通道的传感器也就越多。
步骤2、将8个通道按照图2中的顺序编为1-8号。然后开始发射信号。发射总共分为5轮，采用中心频率分别为14kHZ、18kHz、24kHz、30kHz、37kHz，最大峰-峰值为300V的8周期汉宁窗调制正弦信号为激励信号。每一轮发射时，由1到8八个通道依次发射，两次发射之间间隔500mS，以保证全部有用信号都被接收。每个通道发射的时，1-8通道全部接收，接收采样频率为200kHz，每次接收8组信号。每一轮发射可以得到64组数据。当一轮8个通道都发射完毕，改变激励的中心频率，开始下一轮的激励，再接收64组信号。这样5轮信号总共可以得到320组数据。
步骤3、每一轮发射收集的64组信号，与另外一轮发射收集的64组信号，按照发射接收通道的排列，有一一对应关系，比如第一轮发射收集的信号中通道1发射通道2接收的信号，就与第二轮发射收集信号中的通道1发射通道2接收信号对应，同样也对应第三轮、第四轮以及第五轮发射所收集的信号中通道1发射通道2接收信号。因此，将5轮不同中心频率的信号中对应的信号叠加，就可以得到64组的宽频信号。
步骤4、将步骤3中64组信号中每一个通道发射，全部8个通道接收的8组信号叠加，等效为一个通道发射，全通道接收的信号。得到8组单通道发射，全通道接收的信号。
步骤5、将步骤4中得到的A、B两类各4组信号分别叠加，得到两组信号，分别等效为A环发射AB环接收对称信号(命名为AD)和B环发射AB环接收对称信号(命名为BD)。
步骤6、将步骤5中得到的A类信号中通道1信号减去通道5信号，得到一组非对称信号，命名AH；将A类信号中通道3信号减去通道7信号，得到另一组非对称信号，命名AV；同理，将B类信号中通道6信号减去通道2信号也可以得到一组非对称信号，命名BH；将B类信号中通道8信号减去通道4信号可以得到另一组非对称信号，命名BV。A、B两类各有2组非对称信号。
步骤7、根据A、B两个传感器环之间的间距D＝35mm，和管道中T(0，1)模态超声波波速V＝3250m/s，计算出声波从A环到B环或者从B环到A环的传播时间T＝D/V＝1.077×10-5s。根据采样频率fs＝200kHz，计算出传播时间在数据上对应的点数N＝T*fs＝2.15点，进位为N＝2点。
步骤8、分别将A、B两类信号延迟步骤7中计算得到的传播时间对应的点数N＝2。前面用0来补充延迟造成的空位。得到延迟后的A类对称信号，编号YAD；延迟后的A类非对称信号两组，编号YAH和YAV；延迟后的B类对称信号，编号YBD；延迟后的B类非对称信号两组，编号YBH和YBV。
步骤9、利用步骤5、步骤6和步骤8中得到的信号。将YBD与AD信号线性叠加，得到正向对称信号，编号ZxD；将YAD与BD信号线性叠加，得到负向对称信号，编号FxD；将YBH与AH信号线性叠加，得到一组正向非对称信号，编号ZxFH；将YBV与AV信号线性叠加，得到另一组正向非对称信号，编号ZxFV；将YAH与BH信号线性叠加，得到一组负向非对称信号，编号FxFH；将YAV与BV信号线性叠加，得到另一组负向非对称信号，编号FxFV。
步骤10、将步骤9得到的所有数据，都使用一个中心频率和带宽可调的数字滤波器，得到对应滤波后的数据，分别编号为：LZxD、LFxD、LZxFH、LZxFV、LFxFH、LFxFV。
步骤11、将步骤10得到的所有数据，利用希尔伯特-黄变换，求取包络线，并将所有数据的前300点，按照
衰减。去除激励干扰。
步骤12、将所有信号的横坐标时间数据t，利用公式计算，得到横坐标距离数据l。
步骤13、将步骤11中得到的所有负向数据反转。将ZxD与FxD的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的对称信号，编号DC；将ZxFH和FxFH的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的一组非对称信号FDCH；将ZxFV和FxFV的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的另一组非对称信号FDCV。
步骤14、将步骤13中得到的非对称信号FDCH和FDCV线性叠加，得到管道中的非对称信号FDC。
步骤15、将步骤13中得到的对称信号DC和步骤14中得到的非对称信号FDC，在同一个图上显示，并用不同的颜色标出，就得到最终的管道检测曲线图。图中的极大值都表示管道上的特征。调节步骤10中的滤波器带宽与中心频率，重复步骤10至步骤15，可以得到不同频率下的检测曲线图。
对比管道上实际结果，在有效信号距离内，焊缝、法兰信号判断完全准确，并且找到一处缺陷，满足检测需求。
Claims (6)
1.一种基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：基于对超声导波检测的多组原始信号进行时间延迟和线性叠加，将多组原始信号，分离方向并且合成最终两条检测结果曲线；主要包括以下步骤：
1.1.安装传感器：
根据标准钢制运输管道的管径安装N个传感器组，每个传感器组对应一个通道；所述的传感器组采用相同数量的传感器分为A环和B环；这些传感器组分为两个环A、B；A、B环包含的传感器组数量相等并且位置对应；两个环间距为激励信号中心频率对应波长的1/4；将A环上的传感器编号为奇数号，B环上的传感器编号为偶数号；则A环对应通道编号1、3、5、7……，B环对应通道编号2、4、6、8……；
所述的A环和B环等距离平行排列；
所述的传感器组沿管道A环和B环周向平均分布；
正方向为沿管长从B环指向A环的方向；
1.2.选用M个不同中心频率和一定周期数的加窗调制正弦波为激励信号，这M轮激励信号在频域中有各自的中心频率和带宽，各自覆盖一定的频率范围，为了获得比较大的带宽，则需要调节这M轮激励信号的中心频率和周期数，使这M组激励信号的频率覆盖范围相互有一部分重叠，从而达到增大整体频率范围；
1.3.当以某一中心频率激励时，首先由通道1激励，通道1至N接收信号，接收N组数据，再由通道2激励，通道1至N接收信号，接收N组数据；再由通道3、4、5……N激励，每次激励，都接收N组数据，一共接收N×N组一通道发射，多通道接收数据；
1.4.改变中心频率，重复步骤1.3，获得N×N组数据，在M个不同中心频率的激励信号下，获得M×N×N组数据；
1.5.针对某一中心频率激励信号激励时所接收到的N×N组数据，按照发射接收通道的区别，都在其他M-1个激励信号激励时所接受到的数据中有与之相对应的数据，将这M轮不同频率的信号中，相对应的M组数据线性叠加，得到一轮N×N组数据组成的宽频信号；
1.6.将N×N组数据中，每一个通道激励分别由N个通道接收的N组信号线性叠加，形成一组信号，等效为某一通道激励，所有通道接收的信号。得到N组单通道激励，所有通道接收的信号；
1.7.将N组信号按照发射通道分类，A类中包括1、3、5、7……通道发射全部通道接收的信号，对应传感器A环；B类中包括6、8、2、4……通道发射全部通道接收信号，对应传感器B环；
1.8.将A、B两类中的信号，分别线性叠加，得到两组对称信号分别编号为AD和BD；
1.9.将A类信号中，空间分布以A环中心对称的通道接收到的信号相减，然后再线性叠加，得到A环对应非对称信号编号AF；同理得到B环对应非对称信号编号为BF；
1.10.根据A、B两个传感器环之间的间距D，和管道中所使用模态超声波波速V，可以计算出声波从A环到B环或者从B环到A环的传播时间T＝D/V，根据采样频率fs，计算出传播时间在数据上对应的点数Ns＝T*fs；
1.11.分别将A、B两类信号延迟步骤1.10中计算得到的传播时间对应的点数Ns；前面用0来补充延迟造成的空位，得到延迟后的A类对称信号，编号YAD；延迟后的A类非对称信号，编号YAF；延迟后的B类对称信号，编号YBD；延迟后的B类非对称信号，编号YBF；
1.12.利用步骤1.11、步骤1.8和步骤1.9中得到的信号，将YBD与AD信号线性叠加，得到正向对称信号，编号ZxD；将YAD与BD信号线性叠加，得到负向对称信号，编号FxD；将YBF与AF信号线性叠加，得到一组正向非对称信号，编号ZxF；将YAF与BF信号线性叠加，得到一组负向非对称信号，编号FxF；
1.13.将步骤1.12得到的所有数据，都使用一个中心频率和带宽可调的数字滤波器，得到对应滤波后的数据，分别编号为：LZxD、LFxD、LZxF、LFxF；
1.14.将步骤1.13得到的所有数据，利用希尔伯特-黄变换，求取包络线，并将所有数据最前面接收到的激励直达信号，按照
衰减。去除激励干扰；
1.15.将所有信号的横坐标时间数据t，利用公式
计算，得到横坐标距离数据l；
1.16.将步骤1.14中得到的所有负向数据反转，将ZxD与FxD的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的对称信号，编号DC；将ZxF和FxF的两个零点重合，得到从传感器向两个方向的非对称信号FDC；
1.17.将步骤1.16中得到的对称信号DC和非对称信号FDC，在同一个图上显示，并用不同的颜色标出，得到最终的管道检测曲线图，图中的极大值表示管道上的特征。
2.根据权利要求1所述的基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：所述的传感器组为八个，其中A环与B环各四个。
3.根据权利要求1所述的基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：所述的步骤1.2.的中心频率分别为14kHZ、18kHz、24kHz、30kHz、37kHz，最大峰-峰值为300V的八周期汉宁窗调制正弦信号为激励信号；每一轮发射时，由1到8八个通道依次发射，两次发射之间间隔500mS；每个通道发射的时，所有通道全部接收，接收采样频率为200kHz，每次接收8组信号，每一轮发射可以得到64组数据，当一轮8个通道都发射完毕，改变激励的中心频率，开始下一轮的激励，再接收64组信号，5轮信号得到320组数据。
4.根据权利要求1所述的基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：其中步骤1.3中，每一轮发射收集的64组信号，与另外一轮发射收集的64组信号，按照发射接收通道的排列，一一对应；将5轮不同中心频率的信号中对应的信号叠加，得到64组的宽频信号。
5.根据权利要求4所述的基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：将所述的64组信号中每一个通道发射，全部八个通道接收的8组信号叠加，等效为一个通道发射，全通道接收的信号，得到8组单通道发射，全通道接收的信号。
6.根据权利要求1所述的基于时间延迟的导波信号分析方法，其特征在于：所述的A环和B环等距离平行排列；A、B两个传感器环之间的间距D＝35mm，和管道中T模态超声波波速V＝3250m/s，计算出声波从A环到B环或者从B环到A环的传播时间T＝D/V＝1.077×10-5s，根据采样频率fs＝200kHz，计算出传播时间在数据上对应的点数N＝T*fs＝2.15点，进位为N＝2点。
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