CN102565193B

CN102565193B - 基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统

Info

Publication number: CN102565193B
Application number: CN201010610995.5A
Authority: CN
Inventors: 王维斌; 冯展军; 陈健峰; 艾慕阳; 佟文强; 刘广文; 赵丑民; 王禹钦; 刘哲; 蒋先尧
Original assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Current assignee: China Oil and Gas Pipeline Network Corp
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102565193A

Abstract

本发明是一种基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。涉及超声波的测量和管道系统技术领域。它是利用换能器将电能转化为声能发射超声信号，由电路实现调幅，并在算法中为换能器阵列加入时序，实现不同时间延迟。通过不同延时和幅值的换能器阵列激发的声信号相互作用组合，在特定传播方向和距离上得到最大特征反射信号，即聚焦；再通过算法和电路不断改变幅值和延时，从而改变聚焦位置，在不同位置进行多次聚焦，组合构建图像。本发明利用换能器激发超声信号，使激发能量更大，检测距离更长，精度和定位更准确。

Description

基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统

技术领域

本发明是一种基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。涉及超声波的测量和管道系统技术领域。

背景技术

成千上万的长管道遍布全世界各地，其中许多管道由于长时间的服务存在如腐蚀之类的问题，在役管道的材料异常可能会导致灾难的故障。因此，定期的对管道的完整性进行检测成了维护这些管道不可或缺的指导。

在过去的几十年，相控阵聚焦扫描在无损检测(NDT)已经受到了相当的重视，大多数的相控阵的设备使用的体波，通过改变体波成导波，因为导波的能量只限于边界，并能够沿边界传播很长的距离，有可能测试如钢板、钢管整个结构。

传统的超声波检测(NDT)中通常用的是体波，因为它们很容易实现。但是传统的相控阵超声波检测技术检测结构是逐点进行的，这使体波超声检测繁琐，费时，昂贵而且难以使用在有涂层和地下管线的结构上。

在有边界的结构中(如：平板和圆筒)，超声导波表现出了强大的结构跟随趋势而且可以传播很长距离，这种沿结构界面或靠近界面传播能量的波就是导波。由于其低衰减，导波适合远距离无损检测。导波通常比体波复杂得多，也正是这种复杂性给导波提供了更多的选择性，导波技术给我们的检测提供了更快更经济的方式。

导波技术的探索在一个世纪前已经开始了，并在20世纪得到了发展(兰姆波，1917；勒夫波，1944；瑞利波，1945)。但是直到20世纪后期，导波技术才被应用到了无损检测和设备状态监测上。出版大量的导波检测管道和油管的文献(Alleyne Cawley，1997；Guo Kundu，2000；Mohr Holler，1976；Na Kundu2002；Roseetal.，1994；Thompson et al.，1972).1959年Gazis首次获得了空心圆柱体的完全自由振动模态。在前人的基础上，2002年Li和Roes发展了创新的管道导波技术，这种技术加强了传播的能量并在管道检测中提供了周向的分辨率。

远程管道成像概念是非常新的，Hayashi和Murase在2005进行了导波管道成像的第一次尝试，他们把异常的信号分解到管道的正常模式上，信息处理以后构建了异常的图像。但是他们所采用的激发电压低，所以检测距离非常短。CN1521503A公开了一种全数字相控阵超声波无损检测系统及方法，它对检测区域进行生束聚焦扫描检测，数字化精确确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源的位置，但不能多次聚焦，检测距离短，精确度和定位还是不够准确。

发明内容

本发明的目的是发明一种激发能量更大、检测距离更长、精度和定位更准确的基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。

本发明的方法是利用换能器激发超声信号并且调整振幅因素与时间延时，使超声波聚焦在管道中任何预定位置，并采用多通道相控阵阵列在每个检测距离进行多次聚焦，改变聚焦点在管道中的距离，将每个聚焦区的最大振幅记录并构建图像，就可以得到整个管道的聚焦扫描。

利用换能器将电能转化为声能发射超声信号，电路设计实现调幅，并在算法中为换能器阵列加入时序，实现不同时间延迟(以下简称时延)，通过不同延时和幅值的换能器阵列激发的声信号相互作用组合，实现可在特定传播方向和距离上得到最大特征反射信号，即聚焦。再通过算法和电路不断改变幅值和延时，从而改变聚焦位置，在不同位置进行多次聚焦，组合构建图像。

整个检测过程由两个主要阶段构成：时延测定阶段；聚焦测试阶段。其中时延测定阶段为准备阶段，其过程为所有通道进行无任何时延的导波检测，形成多通道导波初始检测曲线，其中含有缺陷对象的特征：p，以及共有n通道的检测装置中的第i通道换能器到达该特征的时间：T_p即通道导波曲线时间零位到p特征峰值对应时间点的一半(传至并传回两段)；

t_{p}^{i} = \frac{T_{p}^{i}}{2} - - - (1.1)

基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法如图1所示，有管道包覆层4的两端裸露为管端I 1和管端II 2，在其中的一管端I 1或管端II 2安装超声导波换能器3。

本发明的成像流程(见图3)，依次如下：

发送无时延超声导波激励信号；

信号调幅放大；

接收无时延超声导波激励信号；

信号处理；

形成无时延超声导波曲线；

计算对象特征到各个通道的超声导波传播时间；

计算各通道时延；

根据时延信息发送带有时延的超声导波激励信号；

信号调幅放大；

接收有时延超声导波激励信号；

信号处理；

形成有时延超声导波曲线；

所得即为导波聚焦扫描结果；

重复以上过程直至推出。

所述信号处理是信号的放大、滤波；

其中时间延迟的计算方法为：

t_{d}^{i} = {Max}_{i = 1}^{n} (t_{p}^{i}) - t_{p}^{i} - - - (1.2)

所得的即为各个通道进行导播聚焦所需的时延值。本发明中的远程管道成像采用相控阵把导波能量聚集到特定的圆周角度(周向角度)，并在管道轴向的不同位置进行聚焦。这样得到了管道的全部聚焦扫描，在得到的管道成像中，扫描区域最大的幅值标记出来与扫描区域对应，最重要的是，可以看出这种成像技术在测试中可以成像约24m的距离，而且这种技术有能力在一个管道里面检测出多个异常。

基于导波聚焦扫描的远距离管道成像原理如图2所示。

根据导波的对称性，导波在管道中传播可以划分为两类：轴对称模态和弯曲模态。轴对称模态导波在整个管道的圆周内有规则的位移和应力。它们可以分为纵向模式(与之对应的是平板中的对称模式)与扭转模式(这与平板中的水平剪切模式类似)。轴对称导波可以在轴对称源产生。与轴对称模态导波不同，扭曲模态导波在圆周内有正弦曲线的位移和应力的分布，扭曲模态将在管道的部分激发。

轴对称导波管道检测通常用于那些快速长距离的检测。轴对称导波管道检测技术检测出与传感器轴向平行的异常。近年来，导波聚焦技术被发展起来用于长距离的管道检测(Li和Rose，2002)。这项技术关注于控制利用扭曲模态。它采用相控阵组成多通道，(通常是4到8个)，通过发送超声信号并且调整振幅因素与时间延时，超声波可以聚焦在管道中任何一个事先确定好的位置。相比与轴对称导波管道检测，这种聚焦技术能提供大约两倍的穿透能量，因此距离也将是两倍，另外，由于波都聚焦在轴向和圆周，相干噪声也被减低了，从而周向的分辨率就加强了。

振幅因素和时间延时与管道尺寸、材料、频率、传感器和焦距都是相关的。因此，在应用时这些参数都应该首先加入到聚焦算法里(Li和Rose，2002)。该通过具体案例，算法计算时间延时和振幅因素。然后把聚焦参数输入到商业相控阵系统安装在管道周边发送信号并聚焦到指定地点。

在一个圆周扫描，多个聚焦位置的时间延时和振幅因素都可以计算出来。在不同的聚焦位置的扫描就可以得到管道全部的扫描。在接收的部分，时间设置为每个收到的波形，最大振幅记录了聚焦区域沿轴线的长度。在最终的管道扫描成像图可以把这些最大振幅值标记出来，与聚焦的区域对称。在聚焦的角度还可以标记出这些最大振幅值。圆周轮廓图呈现了聚焦区域的异常的圆周分布，当聚焦区域有异常时，这些重要映像都可以看到。对于有非轴对称特征的异常(如不连续)，它的周向轮廓图也是非轴对称的。如果异常是轴对称的(如焊缝)，它的周向轮廓图也是轴对称的，通知这种方式，不连续的异常可以很好的与焊缝区分开来。

本发明的系统组成如图4所示，它由超声导波传感器、激励(功率放大)模块、接收(前置放大)模块、主处理单元组成，主处理单元输出接激励模块的输入，激励模块输出接超声导波传感器，超声导波传感器输出接接收模块的输入，接收模块的输出接主处理单元的输入，主处理单元的输入有信息输入，主处理单元的输出有数据存储、波形显示、特征提取、缺陷识别。

有信息输入的主处理单元输出控制信号至激励(功率放大)模块，激励模块输出大激发能量的电信号，由超声导波传感器转化为声能发射超声信号作用于管道；由超声导波传感器接收的信号经接收(前置放大)模块将功率放大及滤波后送主处理单元进行处理，主处理单元将处理的结果输出，输出有数据存储、波形显示、特征提取、缺陷识别。

所述主处理单元为微处理器；

所述激励(功率放大)模块包括放大电路和激发电路，接主处理单元的数据输出端DataBus的放大电路输出接激发电路后，由激发电路输出接超声导波传感器端；

其中激发电路如图5所示，它由DAC8820 U7和运算放大器U8A、运算放大器U8B、运算放大器U9A、运算放大器U9B组成；U7的R1、Rofs端经电阻R9接+5V电源，R1、Rofs端经稳压二极管D7与电容C53并联接地；U7的Rcom端接运算放大器U8B的“-”输入端6，“+”输入端5接地，运算放大器U8B的输出端7接U7的REF端；U7的Rof端接运算放大器U8A的“-”输入端2，“+”输入端3接地，运算放大器U8A的输出端一路接U7的Iout并在U7的Iout与Rof端之间接电容C52，另一路经电阻R10、电阻R11与电容C56组成的“T”形电路接运算放大器U9A的“-”输入端2，“+”输入端3接地，运算放大器U9A的输出端1一路经并联的电阻R12与电容C59后接回“-”输入端2，另一路接运算放大器U9B的“-”输入端6，“+”输入端5接地，运算放大器U9B的输出端7接超声导波传感器的高电压输入端；运算放大器U9B和运算放大器U9A两个输出均并联至放大器的输出接起来是通用的滤波电路；

其中放大电路如图8所示，它由运算放大器U606A、运算放大器U606B和两只ADC604YRUZ的U607、U608组成，由滤波电路中的U605 D端经电容C620接运算放大器U606A的“+”输入端3，运算放大器U606A的“-”输入端2接U607的D端，U607的S1端接运算放大器U606A的输出端1，且运算放大器U606A的输出端1与“-”输入端2之间接有电容C624；运算放大器U606A的输出端1经电容C625接运算放大器U606B的“+”输入端5，运算放大器U606B的“-”输入端6接U608的D端，U608的S1端接运算放大器U606B的输出端7，且运算放大器U606B的输出端7与“-”输入端2之间接有电容C626；

所述接收(前置放大)模块包括接收电路、放大电路和滤波电路，接超声导波传感器输出的接收电路之输出依次串接放大电路和滤波电路，滤波电路输出接主处理单元；

其中接收电路如图6所示，输入JLANCE接KR9的4端，KR9的2端接+12V，3端一经二极管D101也接+12V，二经电阻R101接Q17的3端，Q17的2端接地，1端接273U3/Q1；另一JLANCE接KR1的4端，KR1的2端接+12V，3端一经二极管D102也接+12V，二经电阻R102接Q9的3端，且Q9的3端经电阻R103与发光二极管LED9至+12V，Q9的2端接地，1端接273U2/Q1；KR9的1端与KR1的1端连接后经电阻R104接U101的2端，而U101的2端还有第一路接二极管D103和D104正向串联及反向串联到地，还有第二路接正反向并联的二极管D105后一路接U101的3端，二再接并联的电阻R105与电容C102到地，第三路接并联的电阻R106与电容C103到U101的6端；U101的4端接-5V，7端接+5V，5端和14端输出；

其中放大电路如图8所示，与功率放大模块中所用放大电路相同；

其中滤波电路如图7所示，它由两只ADC608YRUZ的U502、U602、三只LTC1562的U503、U504、U604和两只ADC604YRUZ的U505、U605组成；2734U4/Q1、2734U4/Q2、2734U4/Q3分别接U502的A0、A1、A2端，U502的S1、S2端各接电容C506、电容507后共同接U503的1端，S3、S4端各接电容C508、电容C509后共同接U503的10端，S5、S6端各接电容C510、电容C511后共同接U504的20端，S7、S8端各接电容C512、电容C513后共同接U504的1端；U602的S1、S2端各接电容C606、电容C607后共同接U604的1端，S3、S4端各接电容C608、电容C609后共同接U604的10端，S5、S6端各接电容C610、电容C611后共同接U504的11端，S7、S8端各接电容C612、电容C613后共同接U504的10端；U503的19端、12端与U504的19端、2端分别接U505的S1、S2、S3、S4端；U604的19端、12端与U504的12端、9端分别接U605的S1、S2、S3、S4端；U505的A0、A1端输出2734U4/Q2、2734U4/Q3，U605的A0、A1端输出2734U4/Q2、2734U4/Q3。

本发明利用换能器激发超声信号，使激发能量更大，检测距离更长，精度和定位更准确。

附图说明

图1基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法图

图2基于导波聚焦扫描的远距离管道成像原理图

图3基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法流程图

图4基于导波聚焦扫描的远距离管道成像系统原理框图

图5功率放大模块电原理图

图6前置放大模块电原理图

图7滤波电路电原理图

图8放大电路电原理图

图9T(m，1)扭曲波聚焦在离管道端6.32m时的波形图

图103.35m距离的间隔的波形图

图11管道的圆周剖面图(异常位于508mm处270°)

图12有间隔的管道圆周剖面图(3.35m)

图13有焊缝的12.78m处的圆周剖面图

其中1-管端I 2-管端II

3-超声导波换能器 4-管道包覆层

具体实施方式

实施例.本例是一实验样机，系统组成如图4所示，它由超声导波传感器、激励(功率放大)模块、接收(前置放大)模块、主处理单元组成，主处理单元输出接激励模块的输入，激励模块输出接超声导波传感器，超声导波传感器输出接接收模块的输入，接收模块的输出接主处理单元的输入，主处理单元的输入有信息输入，主处理单元的输出有数据存储、波形显示、特征提取、缺陷识别。

所述主处理单元为微处理器，可选；DSP(Digital Signal processor，业界共知处理器类型)，如TMS320C55x低功耗系列DSP；或者ARM(业界共知微处理器架构类型)系列处理器如TI AM37x系列。

其中激发电路：

U7选DAC8820；

U8A、U8B、U9A、U9B选OP262；

R8、R11选10K；

R9选300K；

R10、R12、R13选20K；

C51、C52、C53、C54、C55、C57、C58选选104；

C56、C59、C60选103；

其中放大电路：

U605、U607、U608选ADG604YRUZ；

U606A、U606B选OP262GS；

R625、R630选10K；

R626、R631选22K；

R627、R632选6.8K；

R628、R633选2.7K；

R629、R634选330K；

其中接收电路：

U101选LT1792LS8；

D101、D102、D103、D104、D105、D106、D107选DAV99；

KR1选36K；

Q9、Q17选K72；

R101、R102选100K；

R103选33K；

R104选20K；

R105选10K；

R106选350K；

C101、C104、C128选104；

C102、C103选103；

其中滤波电路：

U503、U504、U604选LTC1562；

U502、U602选ADG608BRUZ；

R513选300K；

R514选4M；

R515选300K；

R516选4M；

R517选150K；

R518选1M；

R519选150K；

R520选1M；

R521选75K；

R522选250K；

R523选43K；

R524选82K；

R613选300K；

R614选4M；

R615选300K；

R616选4M；

R617选150K；

R618选1M；

R619选150K；

R620选1M；

R621选75K；

R622选250K；

R623选43K；

R624选82K；

C504、C505、C506、C507、C508、C509、C510、C511、C512、C513、C514、C515、C516、C517、C518、C519、C520、C521、C604、C605、C606、C607、C608、C609、C610、C611、C612、C613、C614、C615、C616、C617、C618、C619、C620、C621均为默认的103电容；其他未标注电阻(R)均为默认的100K。

导波聚焦扫描在508mm直径，24m长的40s钢管道上进行实验。在实验中，相控阵分为四个通道。理论上四通道可以覆盖90°的区域，四次测量足够覆盖整个圆周，但是为了确保有充分的能量覆盖整个圆周，在每一个聚焦距离用四通道阵列进行了8次聚焦扫描。把换能器阵列放置在离管端1#1.4m的地方，管道的两端传送纵向L(m，2)模态波和扭曲(m，1)模态波，按照如下流程进行了一些样本波形的测试：

发送无时延超声导波激励信号；

信号调幅放大；

接收无时延超声导波激励信号；

信号处理(放大滤波等)；

形成无时延超声导波曲线；

计算对象特征到各个通道的超声导波传播时间；

计算各通道时延；

根据时延信息发送带有时延的超声导波激励信号；

信号调幅放大；

接收有时延超声导波激励信号；

信号处理(放大滤波等)；

形成有时延超声导波曲线；

所得即为导波聚焦扫描结果；

重复以上过程直至推出；

并得到它们相应的环形回波剖面图，结论如下，图9显示的是相控阵得到的T(m，1)扭曲波聚焦在离管道端6.32m时的波形，每个波形图中两条垂直线之间的区域就是聚焦区，可以很清楚的看到在这些波形图里面聚焦区回波最大的是270°时的回波。通过最大回波的到达时间也可以准确地确定轴向位置。

在每个聚焦区的最大振幅记录下来并与聚焦的角度对应构建了圆周图。这个剖面图清楚的显示了异常位置在270°。也注意到了在315°也有小的回波，这可能是聚焦束的宽带正好是两倍于我们扫描的圆周。

为了说明不同的异常有不同的回波，图10提供了3.35m距离的间隔的波形图，这些波形同样也是扭转波聚焦实验采集的。不同于异常，间隔分散在管道的圆周上。因此，当聚焦束在圆周上移动是，在多个角度上都有明显的回波。图10中相应的在圆剖面图9中也显示出来了。图12中可以明显的观察到间隔(spacer s)的回波幅度比异常的回波幅度大，这可能有两种可能：一、多个间隔可能存在与一个聚焦扫描束的范围内；二、这些间隔的位置更接近换能器阵列。从而比起图11所示异常的回波来说，当聚焦到间隔时聚焦束的衰减较小。

另一种值得关注进行调查的异常是焊缝，一个好的焊缝在超声导波回波显示了非常好的轴对称特性，图13显示了有焊缝的12.78m处的圆周剖面图，这是L(m，2)纵向波在管端2聚焦扫描得到的图。可以看出这个圆周剖面图几乎是轴对称的。通过聚焦扫描的回波圆周图，可以很好的把焊缝与间隔分别出来。

结合不同扫描距离的圆周剖面图可以得到管道的图像，图9显示了一个没有包裹的管道的图像，图9的纵轴表示的是管道圆周的角度，从0°到360°。横轴表示聚焦的距离。回波的幅值以颜色的方式在图上显示，3D的表示出来。在圆周角度和轴线方向上进行插值平滑图像。因为实验是从两边进行的，图像综合了从管端1的扭转波和管端2的纵向波，因此图像比单一端的图像有更高的信噪比。此外，由于导波沿着管道传播衰减，放大了信号轴线方向的管道图像。衰减的为e2az，这里的a是衰减因素，z是聚焦距离，2表示导波在每次回波时传播了两个聚焦距离。衰减因素可以从实验中计算出来。在本文中，a是从经验估计出来，

如图9显示，管道的聚焦扫描图像是相当的清楚了。一些异常情况和管道特征都可在发现并在图上标记出来。表1中简要介绍了轴向和圆周位置的各种特征。异常1#到异常4#都可以清晰地在聚焦扫描图里面看到，注意到异常3#和人工缺陷都在同一个间断面，这说明当换能器接受到异常的回波之后，导波依旧在管道中传播，当遇到人工缺陷时回波依旧可以被换能器阵列所接收到。有时这个反射信号会很强，如本文中的例子。因此这可能有两个异常而不是一个，这个反射信号很难被完全确定下来。然而，通过从另一端放置阵列或改变阵列的位置，反射的回波会改变它的轴向位置，通过这种方式，异常的真正位置就可以确定了。根据之前的讨论，从它非常规则的圆周方向的分布可以判断出来焊缝1#。间隔1#也可以从它规则轴向位置和很不规则的圆周回波大小判断出来。

表1管道异常部位信息汇总

特征	离管端1的轴向距离	周向角度位置
			异常1#	4.01m	0°(360°)
异常2#	5.59m	0°(360°)
			异常3#	6.15	270°
人工缺陷	---	---
			异常4#	11.66m	90°
焊缝1#	12.78m	全部角度
			间隔1#	21.84m	多部位

本例很清晰的显示出测试管道中的不同特性，如异常，焊缝和间隔。这些特性都可以从波形中清晰的区别出来。通过这个导波聚焦扫描技术，特性的圆周和轴向位置都准确的知道，而且实验中成像的距离可以达到21.34m，远程管道成像结果显示了这个技术是很有效的。

Claims

1.一种基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法,其特征是利用换能器将电能转化为声能发射超声信号，由电路实现调幅，并在算法中为换能器阵列加入时序，实现不同时间延迟，所述时间延迟的计算方法为：

t_{d}^{i} = {Max}_{i = 1}^{n} (t_{p}^{i}) - t_{p}^{i}

整个检测过程由两个主要阶段构成：时延测定阶段；聚焦测试阶段；其中时延测定阶段为所有通道进行无任何时延的导波检测，形成多通道导波初始检测曲线，其中含有缺陷对象的特征：p，以及共有n通道的检测装置中的第i通道换能器到达该特征的时间：

为各个通道进行导播聚焦所需的时延值；

通过不同延时和幅值的换能器阵列激发的声信号相互作用组合，在特定传播方向和距离上得到最大特征反射信号，即聚焦;再通过算法和电路不断改变幅值和延时，从而改变聚焦位置，在不同位置进行多次聚焦，组合构建图像。

2.根据权利要求1所述的基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法,其特征是成像流程依次如下：

发送无时延超声导波激励信号;

信号调幅放大;

接收无时延超声导波激励信号;

信号处理;

形成无时延超声导波曲线;

计算对象特征到各个通道的超声导波传播时间;

计算各通道时延;

根据时延信息发送带有时延的超声导波激励信号;

信号调幅放大;

接收有时延超声导波激励信号;

信号处理;

形成有时延超声导波曲线;

所得即为导波聚焦扫描结果;

重复以上过程直至推出。