CN106370734A - 管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法，属于管道无损检测领域，其特征在于所述提取方法包括以下步骤：(1)根据被测管道的内外径尺寸和材料，计算管道导波频散曲线；(2)导波激励信号初始相位设为θ_in，导波检测设备选择合适的导波模态对管道进行检测，得到导波检测信号；(3)利用稀疏分解算法对所得检测信号进行匹配分解，得到匹配信号的相关参数；(4)根据管道端面处反射信号与入射信号的相位关系，对所得匹配信号进行相位提取，得到端面处反射信号的匹配信号。本提取方法具有重要的工程价值，尤其对带包覆层或埋地管道长度参数的确定和测量具有重要意义。

Description

管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法

技术领域

本发明涉及管道超声导波检测中导波信号的处理和特征提取，属于管道无损检测领域。

背景技术

管道作为一种重要的传输策略，已被广泛用于石油、化工、天然气、热力管道等工业生产和生活领域。端面位置作为表征管道几何长度的重要参数，在进行管道缺陷和长度测量时，端面位置的确定对于进一步判断缺陷信号的分布和相对位置具有重要的参考价值；同时能够准确、快速的得出端面位置，这对像埋地管道，以及带包覆层的管道，在不破坏管道覆盖状态下，无损检测出管道的长度、埋深等参数具有重要意义。

超声导波检测技术作为一种长距离、大范围、100％横截面检测的无损检测技术，非常适合各类管材、棒材的无损检测(NDT，Non-Destructive Testing)和结构健康监测(SHM，Structural Health Monitoring)。在对管道进行导波无损检测时发现，由于检测信号在不同声阻抗结构(如焊缝、缺陷、凹槽、端面等)间的多次来回反射、信号叠加、引入的噪声等因素，导致所得导波检测信号信噪比差，无法直接判断出端面反射信号，进而难以判断出所测对象的相关长度参数，以及检测信号的预处理(像截取检测信号，去掉多次来回反射部分等)，导致下一步进行数据分析时，信号冗余、处理时间长，这也给进一步分析检测信号中的缺陷、凹槽等结构时带来了困难。

目前对导波检测信号的处理分析，主要是针对检测信号中的缺陷、凹槽、焊缝等信号进行的分析，针对端面位置的分析方法还比较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、可靠的管道端面处反射信号的提取方法，为对管道导波检测信号做进一步处理和分析，提供重要参考。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案得以解决：

管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法，包括如下步骤：

(1)根据被测管道的内外径尺寸和材料，计算管道导波频散曲线；

(2)导波检测设备根据频散曲线选择合适的导波模态，对管道进行检测，所用导波激励信号初始相位为θ_in，得到的导波检测信号为y(t)；

(3)利用信号稀疏分解算法对所得导波检测信号y(t)进行匹配分解，经过N次分解得到N个匹配信号，其相位参数为

(4)根据管道端面处反射信号与入射信号的相位特点，在一定误差范围内，从所得的N个匹配信号中提取出满足相位关系的匹配信号，此信号即为表征端面处反射信号的匹配信号，从而完成端面处反射信号的提取。

进一步的，所述合适的导波模态，为从被测管道的频散曲线中选择的，在所采用的检测频段内具有良好频散特性的导波模态。

作为一种优选方案，步骤(2)所述导波采用T(0,1)模态。

作为一种优选方案，步骤(2)所述导波激励信号采用具有良好时频局部特性的调制高斯脉冲信号。

本发明由于采用了以上技术方案，具有如下的有益效果：

1、本发明通过相位关系进行管道导波检测信号中端面反射信号的提取，为低信噪比下，端面反射信号的判断提供了有效的方法。

2、本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法扩展了管道导波信号的处理方法，具有重要的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法检测流程图；

图2为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法管道频散曲线图；

图3为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法中心频率为128kHz，脉宽为6.67e-6的调制高斯脉冲激励信号示意图；

图4为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法所得导波仿真信号；

图5为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法的待分析信号；

图6为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法所得表征端面反射信号的匹配信号；

图7为本发明管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法重构的端面反射信号；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

如图2所示，本实施例以具体的管道为例，对其端面反射进行基于稀疏分解算法的提取，实施过程如下：

1)利用Disperse频散软件得到所测管道的频散曲线，如图2所示，从中选取不发生频散的T(0,1)模态导波作为检测模态；

2)激励T(0,1)模态导波进行检测。

用于导波检测的激励脉冲信号，我们选用具有良好时频聚焦性的调制高斯脉冲信号：

$g_{Gr}\left(t\right)={\exp }^{-{(t-\mathrm{\μ})}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}cos\left(2{\mathrm{\πf}}_c\right(t-\mathrm{\μ})+\mathrm{\θ})$

式中σ、μ、f_c和θ分别为脉冲宽度、时间中心、中心频率和相位。图3所示为中心频率128kHz，脉宽6.67e-6的调制高斯脉冲信号示意图。

3)利用三维仿真软件ABAQUS，按照表1参数建立得到管道的物理模型。

表1管道几何、物理参数

根据T(0,1)模态导波的波结构，该模态下质点振动只存在圆周方向(即柱坐标下的θ方向)的位移，因此对管道端面所有节点施加θ方向的位移载荷，激发出T(0,1)模态导波。激励信号参数取f_c＝64kHz和σ＝1.50×10^-5，在管道的同一端施加载荷并接收反射信号，得到的仿真波形如图4所示。

4)进行信号稀疏分解时，为了避免初始信号的影响，取出端面反射信号得到图5所示的待分析信号，通过MATLAB编程实现的匹配追踪算法，对其进行稀疏分解，经过一次迭代之后，得到的匹配原子和重构信号分别如图6和7所示。经过迭代，得到的最佳原子参数如表格2所示。

表2匹配追踪所得最佳原子参数

通过稀疏分解得到了端面反射的最佳匹配原子g₁，匹配原子的相位为在一定误差范围内，满足相位关系表明该匹配原子为端面处反射信号的匹配信号，从而根据相位特性实现端面反射信号的提取。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法，其特征包括如下步骤：

(1)根据被测管道的内外径尺寸和材料，计算管道导波频散曲线；

(2)导波检测设备根据频散曲线选择合适的导波模态，对管道进行检测，所用导波激励信号初始相位为θ_in，得到的导波检测信号为y(t)；

(3)利用信号稀疏分解算法对所得导波检测信号y(t)进行匹配分解，经过N次分解得到N个匹配信号，其相位参数为

(4)根据管道端面处反射信号与入射信号的相位特点，在一定误差范围内，从所得的N个匹配信号中提取出满足相位关系的匹配信号，此信号即为表征端面处反射信号的匹配信号，从而完成端面处反射信号的提取。

2.根据权利要求1所述的管道超声导波检测中端面反射信号的提取方法，其特征在于：所述合适的导波模态，为从被测管道的频散曲线中选择的，在所采用的检测频段内具有良好频散特性的导波模态。