CN102721748A - 基于虚拟相控的管道导波聚焦检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于虚拟相控的导波信号分析方法，属于无损检测信号分析领域。为了解决目前超声导波检测过程中，对于微小缺陷检测回波幅度低，分辨能力低的现状。通过结合相控聚焦思想与虚拟合成方法，在提高缺陷回波幅值，提高检测能力的同时，不过多的提高方法对仪器设备的要求。以最低的成本实现高分辨率高效的检测。本发明主要利用虚拟合成方法，在信号后处理过程中，对多通道信号分别引入适当的时间延迟，补偿各个通道信号到达聚焦点时间，从而实现虚拟的相控聚焦。本发明仅需要1轮激励-接收，便可以对整个检测区域的任意一点进行聚焦检测，检测效率高；对仪器设备要求低；能够对整个检测区域实现成像，检测结果直观。

Description

基于虚拟相控的管道导波聚焦检测方法

技术领域

本发明涉及基于虚拟相控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。

目前，针对超声导波管道检测的研究主要集中在缺陷定位方面。聚焦检测方法，由于其能够大幅度的提高缺陷回波强度，从而提高超声导波对小缺陷的检测能力，在近年来逐渐成为研究热点。基于虚拟相控聚焦技术的超声导波检测方法是一种新型的聚焦检测方法，具有对仪器设备要求低，检测速度快，等优点。目前在已经公开或者公开发表的研究成果中，还没有关于虚拟相控聚焦超声导波检测方法的研究成果。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前超声导波检测过程中，对于微小缺陷检测回波幅度低，分辨能力低的现状。通过结合相控聚焦思想与虚拟合成方法，在提高缺陷回波幅值，提高检测能力的同时，不过多的提高方法对仪器设备的要求。以最低的成本实现高分辨率高效的检测。

本发明主要利用虚拟合成方法，在信号后处理过程中，对多通道信号分别引入适当的时间延迟，补偿各个通道信号到达聚焦点时间，从而实现虚拟的相控聚焦。主要包括以下步骤：

1)利用时间反转式超声导波管道检测仪，对带有缺陷的管道进行常规超声导波检测，获得聚焦前检测曲线，与N×N个原始数据，N为通道数。

2)设定管道上某个缺陷所在位置为聚焦点，利用各通道传感器位置与聚焦点位置，计算出各个传感器与聚焦点之间的距离D_N。

3)利用管道中导波传播波速c与步骤2)中各个传感器与聚焦点之间的距离D_N，计算出导波从各个传感器传播到聚焦点所需的时间

i=1.2…N。

4)选取任意通道a的传播时间T_a为参照，将步骤3）中计算出的所有的传播时间都减去T_a，可以得到各个通道的时间延迟ΔT_i=T_i-T_a，i＝1,2…N，其中ΔT_a=0。

5)将步骤1)所得的N×N个原始数据，按照激励通道不同，分为N组并叠加，得到N个叠加后信号S_N。

6)将步骤5)得到的叠加后信号S_N分别做快速傅立叶变换得到N个叠加后信号S_N对应的频谱F_N。

7)利用步骤4)得到的各个通道的时间延迟ΔT_N与步骤6)得到的频谱F_N计算虚拟延迟后的N个叠加信号的频谱

其中j代表虚数单位，ω代表角频率。

8)将步骤7)得到的延迟后的N个叠加信号的频谱F′_N做傅立叶反变换得到延迟后的N个叠加信号S′_N。

9)将步骤8)得到的延迟后的N个叠加信号S′_N叠加，得到最终的虚拟相控聚焦检测信号。

本发明是利用虚拟合成方法结合相控聚焦思想，实现超声导波管道检测信号在管道缺陷处的虚拟聚焦，其原理如下：

1)相控聚焦思想是利用聚焦点位置与各个传感器位置计算出激励信号从传感器传播到聚焦点所在位置的时间，并由此计算出各个通道的激励时间延迟。精确控制各个通道的激励时间延迟并同步激励，使得由传感器激励的信号同时到达聚焦点处，从而实现相控聚焦。

2)虚拟合成方法是一种利用单通道系统替代多通道同步系统的信号后处理方法。其原理是利用一个单通道激励-接收系统，在N个传感器组成的传感器阵列上，分别对每个传感器激励，每个传感器接收，经过多次激励-接收过程。当激励，接收通道都分别跑遍了1到N通道时，可以采集到N×N个信号组。将这N×N个信号组按照激励通道不同分为N组，叠加，并分别引入延迟，将这N组延迟后的叠加信号再叠加，可以等效为N个传感器分别延迟并同步激励时，传感器阵列所接收的信号。

3)将相控聚焦思想中，需要多通道同步系统精确控制的时间延迟，利用虚拟合成方法，通过信号后处理的方式分别引入对应的信号中。使得各组信号中从聚焦点反射回传感器的反射回波经过时间延迟补偿，能够在信号时间轴上处于同一个时间点。由此，延迟后信号经过叠加，可以将聚焦点处的反射回波幅值大幅提高。

常规相控聚焦方法需要通过一套高精度多通道同步激励-接收设备精确控制各个通道的同步激励时间延迟，使得各个通道的激励信号能够同时到达所设定聚焦点。因此，常规相控聚焦方法不仅对仪器设备要求极高，而且在对每一点进行聚焦时都需要进行一轮激励-接收过程。对检测区域成像时，聚焦点要扫描整个检测区域，这就需要重复进行无数次激励-接收，检测效率低。

与常规相控聚焦方法相比本发明具有以下优点：1)仅需要1轮激励-接收，便可以对整个检测区域的任意一点进行聚焦检测，检测效率高；2)利用单通道系统替代多通道同步系统，对仪器设备要求低；3)利用一轮激励-接收采集到足够的数据就能够对整个检测区域能够实现成像，检测结果直观。

附图说明

图1常规检测曲线

图2原始数据

图3叠加后信号S_N

图4叠加后信号S_N对应的频谱F_N

图5延迟后的8个叠加信号的频谱F′_N

图6延迟后的8个叠加信号S′_N

图7虚拟相控聚焦检测信号

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：

(1)利用时间反转式超声导波管道检测仪(见专利ZL200610144294)与由8个传感器组成的传感器阵列，对一根长2米外径144毫米壁厚5毫米带有缺陷的钢制无缝钢管进行检测，获得如图1所示的常规检测曲线，以及如图2所示的8×8的原始数据。

(2)设定管道上某个缺陷所在位置为聚焦点，利用各通道传感器位置与聚焦点位置，计算出各个传感器与聚焦点之间的距离D_N分别为D₁=1.4003m，D₂=1.4024m，D₃=1.4067m，D₄=1.4032m，D₅=1.4032m，D₆=1.4067m，D₇=1.4024m，D₈=1.4003m。

(3)利用管道中导波传播波速c＝4.4783×10³m/s与各个传感器与聚焦点之间的距离D_N，计算出导波从各个传感器传播到聚焦点所需的时间T_N分别为，T₁=2.9490×10^-4s，T₂=2.9535×10^-4s，T₃=2.9626×10^-4s，T₄=2.9761×10^-4s，T₅=2.9761×10^-4s，T₆=2.9626×10^-4s，T₇=2.9535×10^-4s，T₈=2.9490×10^-4s。

(4)选取1通道的传播时间T₁为参照，将所有的传播时间都减去T₁，可以得到各个通道的时间延迟ΔT_N，分别为：ΔT₁＝0s，ΔT₂＝4.5425×10^-7s，ΔT₃=1.3607×10^-6s，ΔT₄=2.7151×10^-6s，ΔT₅=2.7151×10^-6s，T₆=2.9626×10^-4s，T₇=2.9535×10^-4s，ΔT₈=0s。

(5)将步骤(1)所得的8×8个原始数据，按照激励通道不同，分为8组并叠加，得到如图3所示的8个叠加后信号S_N。

(6)将步骤(5)得到的叠加后信号S_N分别做快速傅立叶变换得到8个叠加后信号S_N对应的频谱F_N，如图4所示。

(7)利用步骤(4)得到的各个通道的时间延迟ΔT_N与步骤(6)得到的频谱F_N计算虚拟延迟后的8个叠加信号的频谱

如图5所示。

(8)将得到的延迟后的8个叠加信号的频谱F′_N做傅立叶反变换得到延迟后的8个叠加信号S′_N，如图6所示。

(9)将得到的延迟后的8个叠加信号S′_N叠加，得到最终的虚拟相控聚焦检测信号，如图7所示。可以明显看出缺陷回波幅度有大幅提高。

Claims (1)

1.基于虚拟相控的导波信号分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用时间反转式超声导波管道检测仪，对带有缺陷的管道进行常规超声导波检测，获得聚焦前检测曲线，与N×N个原始数据，N为通道数；

2)设定管道上某个缺陷所在位置为聚焦点，利用各通道传感器位置与聚焦点位置，计算出各个传感器与聚焦点之间的距离D_N；

3)利用管道中导波传播波速c与步骤2)中各个传感器与聚焦点之间的距离D_N，计算出导波从各个传感器传播到聚焦点所需的时间

i=1.2…N；

4)选取任意通道a的传播时间T_a为参照，将步骤3）中计算出的所有的传播时间都减去T_a，可以得到各个通道的时间延迟ΔT_i=T_i-T_a，i＝1,2…N，其中ΔT_a=0；

5)将步骤1)所得的N×N个原始数据，按照激励通道不同，分为N组并叠加，得到N个叠加后信号S_N；

6)将步骤5)得到的叠加后信号S_N分别做快速傅立叶变换得到N个叠加后信号S_N对应的频谱F_N：

7)利用步骤4)得到的各个通道的时间延迟ΔT_N与步骤6)得到的频谱F_N计算虚拟延迟后的N个叠加信号的频谱

其中j代表虚数单位，ω代表角频率；

8)将步骤7)得到的延迟后的N个叠加信号的频谱F′_N做傅立叶反变换得到延迟后的N个叠加信号S′_N；

9)将步骤8)得到的延迟后的N个叠加信号S′_N叠加，得到最终的虚拟相控聚焦检测信号。

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