CN108593767A - 一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，包括以下步骤：基于掩埋管道的简化亮点模型、结合几何声线法，构造由亮点、换能器、亮点与换能器之间的声程确定的浅滩掩埋管道超声探测回波模型；根据主动激励信号、简化后的亮点模型的传递函数、镜像反射点产生的几何亮点回波、换能器的指向性函数、以及信号时延，仿真出几何亮点的回波信号，使用MATLAB设计仿真参数，得到仿真回波信号；搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号；基于百分比均方误差，将仿真回波信号与实验信号做对比，验证浅滩掩埋管道超声探测回波模型的可行性。本发明进一步提高了管道定位精确度，为优化检测方法提供理论支撑。

Description

一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法

技术领域

本发明涉及浅滩掩埋管道超声探测领域，尤其涉及一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法。

背景技术

管道运输是输送石油、天然气和水等资源的主要方式，在我国，管道铺设量庞大，有超过60％的管道服役已超过20年，每年都有一定数量管道泄漏事故发生。长输油气管道敷设过程中不可避免地要穿越浅滩积水地带(河流、沼泽、水塘、以及稻田等)，按照相关的设计规范，该地带内的输送管道应埋设在土层1米以下。一旦发生管道腐蚀泄露，在抢修作业时很难从水面上直接精准地确定管道待修部位。按照常规的管道修复方式必须先修建围堰，排出围堰内的积水，并开挖管道周边土方，才能实施管道抢修作业^[1]。

传统方法会造成误工和巨大的资金浪费，延长管道抢修周期。若超过原油管道停输时间，在各种极端环境因素的作用下势必造成原油凝管，从而扩大原油渗漏事件。因此，为了减少作业成本，保证作业安全，提高管道抢修的工作效率，首先就要将围堰作业减小到一定面积，其中最关键的环节是精确定位到管道的掩埋位置。

目前常用的探测手段主要是基于主动声呐技术来获取复杂或非均匀介质(海洋、河流、淤泥、滩涂、以及浑水等)下的目标(如输油管道)位置和特征，包括：浅层剖面仪、合成孔径声呐、三维海底成像等^[2]-[6]。但是，这些技术应用在管道测量时，通常需要在远距离发射声波信号，使声波穿透海水-泥沙两种介质得到回波，只能定性地获得管道的声呐图像和深度方位，无法精确定位管道的径向横截面，更无法精确测定管道的边缘位置信息。

发明内容

本发明提供了一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，本发明基于简化的亮点模型，利用几何声线法构造管道横截面圆位置的几何模型，通过数值仿真结果和水箱实验结果的对比分析验证模型的准确性，为进一步提高管道定位精确度和优化检测方法提供理论支撑，详见下文描述：

一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，所述建立方法包括以下步骤：

基于掩埋管道的简化亮点模型、结合几何声线法，构造由亮点、换能器、亮点与换能器之间的声程确定的浅滩掩埋管道超声探测回波模型；

根据主动激励信号、简化后的亮点模型的传递函数、镜像反射点产生的几何亮点回波、换能器的指向性函数、以及信号时延，仿真出几何亮点的回波信号，使用MATLAB设计仿真参数，得到仿真回波信号；

搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号；

基于百分比均方误差，将仿真回波信号与实验信号做对比，验证浅滩掩埋管道超声探测回波模型的可行性。

其中，所述简化亮点模型具体为：

以换能器位置为原点O，以管道径向横截面为二维平面，当n个间隔为d的换能器组成换能器阵列时，构造各个换能器与管道位置关系坐标系；

换能器阵列的工作形式为单个换能器依次发射并接收回波，在管道边缘将对应产生n个亮点位置，得到对应的接收回波信号。

进一步地，所述构造由亮点、换能器确定浅滩掩埋管道超声探测回波模型具体为：

亮点就是管道横截面圆的边缘点，并且亮点位于换能器中心与管道横截面圆的圆心连线上。

其中，所述管道横截面圆的位置具体为：

其中，(x_i,y_i)为亮点的坐标；(x₀,y₀)为圆心坐标；(x′_i，y′_i)为换能器的坐标；l_i为换能器与亮点的声程。

进一步地，所述换能器的指向性函数与θ有关：

A(θ)＝R²(θ)

其中：

R(θ)＝sin(πdsinθ/λ)cosθ

d为换能器的换能器宽度，λ为介质中的超声波波长。

其中，所述搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号具体为：

利用信号发生器作为激励源直接与单个换能器相连，通过数据采集卡接收数据，构成实验室环境下的简要单通道声波接收与发射实验平台；

选取管道边缘正上方为起始坐标，管道中心距换能器垂直距离为某一预设距离；

从起始坐标开始，以某一预设值为间隔，从左至右设置若干个换能器接收待测回波；

在每一个待测点触发一次声波发射与接收，进行一次数据采集；得到某一组水箱实验得到的回波信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、现有技术中的基于主动声呐技术的管道测量只能定性地获得管道的声呐图像和深度方位，无法精确定位管道的径向横截面。在浅滩管道超声探测中，精确定位管道边缘位置有很重要的工程意义；

2、本发明基于简化的亮点特征建立了掩埋管道的超声回波模型，利用几何声线法构造了管道横截面圆心、亮点、换能器三者的几何模型，通过设计Matlab仿真平台和实验室条件下的水箱实验比较了各自回波的时域特征，验证了模型的可靠性，为准确定位算法的实现做了重要铺垫；

3、本发明将简化的亮点模型应用到浅滩掩埋管道超声探测领域，取得了令人满意的效果。

附图说明

图1为一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法的流程图；

图2为单个换能器管道亮点模型的示意图；

图3为换能器阵列管道亮点模型的示意图；

图4为仿真平台回波信号的示意图；

图5为水箱实验系统的示意图；

图6为实验平台回波信号的示意图；

图7为仿真与水箱实验回波峰值位置的对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

亮点(Highlight)的概念来源于凸光滑表面的反射波取决于第一菲涅耳区这一事实。国内外许多研究都将亮点模型作为水下目标回波建模的依据，包括水雷、潜艇、一般弹性壳体等目标的回波都可以用亮点模型来解释。

传统亮点模型既包括几何亮点、也包括情况较为多变的弹性亮点^[7]，模型比较复杂。由于浅滩环境下管道的探测与定位对时间有较高的要求，现有的亮点模型无法直接应用到浅谈环境中。

本发明实施例的目的在于：结合实际应用，深入研究，对现有的亮点模型进行改进，对其进行简化处理，使得简化后的亮点模型可以提高计算速度，从根本上缩短探测时间，更加满足实际工程的需求。

本发明实施例仅考虑几何亮点部分，将简化后的亮点模型应用到浅滩管道探测回波模型的建立中。

实施例1

本发明实施例从浅滩输油管道抢修在施工开挖作业过程中对掩埋管道目标边缘位置进行精确探测的实际需求出发，提出一种基于简化亮点模型的超声回波模型建立方法，将亮点特征应用到浅滩掩埋管道超声探测中的回波模型建立中，为精确定位管道的径向横截面提供解决方案，有巨大的工程应用价值，参见图1，该建立方法包括以下步骤：

101：基于掩埋管道的简化亮点模型、结合几何声线法，构造由亮点、换能器、亮点与换能器之间的声程确定的浅滩掩埋管道超声探测回波模型；

102：根据主动激励信号、简化后的亮点模型的传递函数、镜像反射点产生的几何亮点回波、换能器的指向性函数、以及信号时延，仿真出几何亮点的回波信号，使用MATLAB设计仿真参数，得到仿真回波信号；

103：搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号；

104：基于百分比均方误差，将仿真回波信号与实验信号做对比，验证浅滩掩埋管道超声探测回波模型的可行性。

其中，步骤101中的简化亮点模型具体为：

以换能器位置为原点O，以管道径向横截面为二维平面，当n个间隔为d的换能器组成换能器阵列时，构造各个换能器与管道位置关系坐标系；

换能器阵列的工作形式为单个换能器依次发射并接收回波，在管道边缘将对应产生n个亮点位置，得到对应的接收回波信号。

进一步地，步骤101中的构造由亮点、换能器确定浅滩掩埋管道超声探测回波模型具体为：

亮点就是管道横截面圆的边缘点，并且亮点位于换能器中心与管道横截面圆的圆心连线上。

进一步地，步骤103中的搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号具体为：

利用信号发生器作为激励源直接与单个换能器相连，通过数据采集卡接收数据，构成实验室环境下的简要单通道声波接收与发射实验平台；

选取管道边缘正上方为起始坐标，管道中心距换能器垂直距离为某一预设距离；

从起始坐标开始，以某一预设值为间隔，从左至右设置若干个换能器接收待测回波；

在每一个待测点触发一次声波发射与接收，进行一次数据采集；得到某一组水箱实验得到的回波信号。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104提出一种基于简化亮点模型的超声回波模型建立方法，将亮点特征应用到浅滩掩埋管道超声探测中的回波模型建立中，为进一步提高管道定位精确度和优化检测方法提供理论支撑。

实施例2

下面结合具体的计算公式、图2-图7，对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：建立掩埋管道的简化亮点模型，利用几何声线法构造管道横截面圆的准确位置；

该步骤的详细操作为：

1)如图2所示，以换能器位置为原点O，以管道径向横截面为二维平面(XOY面)，构造单个水声换能器与管道位置坐标系。假设管道横截面即圆O'整体处于换能器的-3dB波束宽度角内，图2中圆弧边缘AB即为声束的照亮区域，其他圆弧区域则为声影区。

由几何声学理论可以得到，点L为OO'与AB的交点，也是理论上的镜像反射点，它的反射对回波的贡献是最大的。弧AB上除L点外的其他照射区域将产生等效亮点的散射回波。由图2中的位置关系直观可得，L点的镜像反射回波将会先于其他散射回波而到达O点。

2)当n个间隔为d的换能器组成换能器阵列(T1、T2…Tn)时，构造各个换能器与管道位置关系坐标系，如图3所示。假设换能器阵列的工作形式为单个换能器依次发射并接收回波，那么在管道边缘将对应产生n个亮点位置L1，L2，……，Ln，得到对应的接收回波信号y_i(t)(i＝1,2,…,n)。

3)由该模型图3可以得出结论，模型简化后，亮点就是管道横截面圆的边缘点，并且亮点位于换能器中心与管道横截面圆的圆心连线上。若换能器的坐标为(x′_i，y′_i)，亮点的坐标为(x_i,y_i)，l_i为换能器与亮点的声程，则它们有如下关系：

其中，(x₀,y₀)为圆心坐标。

202：使用MATLAB搭建回波信号仿真平台；

该步骤的详细操作为：

1)采用单频矩形脉冲(CW)为实验的主动激励信号，假设信号中心频率为f₀，信号脉宽为T，则主动激励信号x(t)可表示为：

其中，s(t)＝u(t)sin(2πf₀t)，u(t)为发射信号幅值调制函数，一般采用高斯调制。

2)获取简化后的亮点模型的传递函数；

根据亮点模型理论，探测目标在大多数的情况之下可以视为线性时不变系统，而目标的回波则可相应地认为是该线性时不变系统对入射声波输入的响应。在高频情况下，任何一个复杂目标的回波都是目标上一个或多个、真实或等效的亮点所贡献的反射和散射回波叠加而成的。设频率为ω的单频矩形脉冲波沿任意方向(图中未示出)入射到目标上，则其某一个亮点的传递函数可表示为^[7]：

其中，是与入射方向和频率有关的幅度系数，τ是相对于参考点的时延，φ是回波形成的相位跳变。

3)获取点L产生的几何亮点回波；

假设换能器与圆心的连线、与垂直方向(y轴)的夹角为θ，根据亮点理论可知，点L产生的几何亮点回波y(t)可由下式表示：

y(t)＝A(θ，ω)e^iωte^iφx(t)

其中，A(θ,ω)为幅度系数，φ为相位跳变。

4)获取换能器的指向性函数；

在仿真实验中，将换能器指向性函数等效为幅值衰减系数。假设在简化后的亮点模型中不考虑相位跳变φ，则亮点L的回波y(t)可以看作主动激励信号x(t)经过一定时延τ后乘以一个幅值衰减函数A(θ,ω)所产生的同频信号。当频率ω为定值时，幅值衰减函数仅与θ有关，则换能器的指向性函数是一个与θ有关的函数：

A(θ)＝R²(θ)

其中：

R(θ)＝sin(πdsinθ/λ)cosθ

d为换能器的换能器宽度，λ为介质中的超声波波长。

5)计算信号时延；

当主动激励信号x(t)在介质中经历了一次几何亮点反射回到发射换能器处，经历声程为2l_i，信号经历的时延为τ＝2l_i/c，c为介质中的声速。

6)忽略其他散射回波亮点，结合上述公式就可以仿真出相应几何亮点的回波信号。

7)使用MATLAB设计仿真参数，得到仿真回波信号。

具体如下：以换能器T1为坐标系原点，换能器间距d＝0.01m，换能器中心频率为100kHz，-3dB波束宽度17°，每伏声源级164dB。模拟输油管道为钢材料，管道圆心O'坐标为(0.08，0.53)(单位：m)，管道外半径为0.08m。激发CW信号频率f₀＝100KHz，脉冲宽度T＝40us，幅度为20V，水中声速取c＝1500m/s，系统采样率为f_s＝2MHz，单次采样深度N＝2000。

其中，仿真得出的回波信号时序图如图4所示，各个子图表示从T1到T8不同位置换能器的回波，横坐标表示声波传输距离的一半，纵坐标表示归一化回波幅值。

203：搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境；

该步骤的详细操作为：

1)如图5所示，利用信号发生器作为激励源直接与单个换能器相连，通过数据采集卡接收数据，构成实验室环境下的简要单通道声波接收与发射实验平台；

2)选取管道边缘正上方为起始坐标，管道中心距换能器垂直距离为0.53m，管道材料、管道半径、激励频率等参数与步骤202中仿真条件下的参数一致；

3)从起始坐标开始，以0.01m为间隔，从左至右设置8个换能器接收待测回波；

4)在每一个待测点触发一次声波发射与接收，进行一次数据采集；

其中，数据采集卡的参数设置与步骤202中一致。

5)得到某一组水箱实验得到的回波信号如图6所示。

观察图中结果可发现，声波在经过管道的镜像反射之后随即也产生了一定的散射回波。但散射回波的波峰在时域上可以与镜像回波的波峰明显区分开。

其中，本发明实施例对信号发生器、换能器、数据采集卡等的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本发明实施例对上述各个参数的具体取值不做限定，仅以上述数值为例进行说明，可根据实际应用中的需要进行设定。

204：将步骤202中得到的仿真信号与步骤203中测得的实验信号进行比较，验证提出的掩埋管道超声探测回波模型的准确性。

该步骤的详细操作为：

1)提取图4中仿真信号与图6中实验回波信号的波峰位置并比较，得到结果如图7所示。

2)为了定量评价该回波模型的定位精度，本发明实施例选取百分比均方误差(PRD)作为衡量标准：

其中，x_n代表仿真信号得到的数据点，s_n代表实验信号得到的数据点。由此可知，PRD值越小，表示定位精度越高。

3)通过计算可以得出，与水箱实验得到的回波信号峰值位置声程相比，基于简化亮点模型的模拟回波信号峰值位置误差仅为0.23％，证明本发明实施例提出的掩埋管道的超声回波模型在一定程度上符合实际情况。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤204利用几何声线法构造管道横截面圆的位置的几何模型，通过数值仿真结果和水箱实验结果的对比分析验证模型的准确性，为进一步提高管道定位精确度和优化检测方法提供理论支撑。

参考文献

[1]王常文.深水海底管道维修系统工程应用研究[D].天津大学：建筑工程学院，2010.

[2]刘臻，曹立华，童思友，蒲进菁，徐继尚.高频浅地层剖面技术在海底管道探测中的应用[J].海洋地质前沿，2015，(07):66-70.

[3]TO，Callow HJ，HagenPE.Pipeline inspec-tionwithsyntheticaperture sonar[C]//Proceedings of the 33th Scandinavian Symposium of PhysicalAcou-stics，2010:1-6.

[4]周兴华，姜小俊，史永忠.侧扫声呐和浅地层剖面仪在杭州湾海底管线检测中的应用[J].海洋测绘，2007，27(4):64-67.

[5]杨敏，宋湦，王芳，宫文宁.掩埋海底管道探测方法及新技术应用研究[J].海洋科学，2015，(06):129-132.

[6]桑恩方，张小平，苏龙滨.三维成像声呐的设计与实现[J].哈尔滨工程大学学报，2003，(03):241-244.

[7]李昌志，田杰，张扬帆，黄海宁，张春华.基于亮点模型的典型水下目标回波信号仿真[J].应用声学，2010，(03):196-201.

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述建立方法包括以下步骤：

基于掩埋管道的简化亮点模型、结合几何声线法，构造由亮点、换能器、亮点与换能器之间的声程确定的浅滩掩埋管道超声探测回波模型；

根据主动激励信号、简化后的亮点模型的传递函数、镜像反射点产生的几何亮点回波、换能器的指向性函数、以及信号时延，仿真出几何亮点的回波信号，使用MATLAB设计仿真参数，得到仿真回波信号；

搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号；

基于百分比均方误差，将仿真回波信号与实验信号做对比，验证浅滩掩埋管道超声探测回波模型的可行性。

2.根据权利要求1所述的一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述简化亮点模型具体为：

以换能器位置为原点O，以管道径向横截面为二维平面，当n个间隔为d的换能器组成换能器阵列时，构造各个换能器与管道位置关系坐标系；

换能器阵列的工作形式为单个换能器依次发射并接收回波，在管道边缘将对应产生n个亮点位置，得到对应的接收回波信号。

3.根据权利要求1所述的一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述构造由亮点、换能器确定浅滩掩埋管道超声探测回波模型具体为：

亮点就是管道横截面圆的边缘点，并且亮点位于换能器中心与管道横截面圆的圆心连线上。

4.根据权利要求1或3所述的一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述管道横截面圆的位置具体为：

其中，(x_i，y_i)为亮点的坐标；(x₀，y₀)为圆心坐标；(x′_i，y′_i)为换能器的坐标；l_i为换能器与亮点的声程。

5.根据权利要求1所述的一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述换能器的指向性函数与θ有关：

A(θ)＝R²(θ)

其中：

R(θ)＝sin(πdsinθ/λ)cosθ

d为换能器的换能器宽度，λ为介质中的超声波波长。

6.根据权利要求1所述的一种浅滩掩埋管道超声探测回波模型的建立方法，其特征在于，所述搭建实验室条件下模拟掩埋管道的水箱实验环境，获取实验信号具体为：

利用信号发生器作为激励源直接与单个换能器相连，通过数据采集卡接收数据，构成实验室环境下的简要单通道声波接收与发射实验平台；

选取管道边缘正上方为起始坐标，管道中心距换能器垂直距离为某一预设距离；

从起始坐标开始，以某一预设值为间隔，从左至右设置若干个换能器接收待测回波；

在每一个待测点触发一次声波发射与接收，进行一次数据采集；得到某一组水箱实验得到的回波信号。