CN112344888A - 一种基于lfm信号互相关相位特性的超声波测厚方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法，该方法是采用LFM(线性调频)信号作为超声波测厚的发射信号，在接收到回波信号后对回波信号进行匹配滤波，基于LFM信号互相关相位特性估计LFM声信号在油气输送管道管壁内外表面之间的传播时间，最后结合预置的声速求得管壁厚度。本发明对比现有技术，有测量精度高、采样率要求低、发射功率要求低、抗噪声干扰能力强、多径容忍度高等特点。

Description

一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法

技术领域

本发明涉及超声波测厚技术领域，具体涉及一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法。

背景技术

在石油化工行业，需要对油气输送管道进行定期的检测，以防止管道因外界电化学等作用而遭受腐蚀。管道因腐蚀而产生破损，具有一定的危险性，轻则产生油气泄漏而污染环境，重则产生爆炸而危害人们的生命财产安全。在针对管道腐蚀问题通常采用超声波测厚技术对管壁厚度进行定期检测，根据管壁厚度的变化程度，判定油气输送管道的腐蚀程度。目前，超声波测厚技术已经在长输管线和海上管道得到广泛应用。超声波测厚技术是一种主动式无损检测技术，具有定位精度较高、检测成本较低、无需拆除防腐层，可实现管壁100％检测等特点。

超声测厚技术按测量原理不同可分为共振法、兰姆波法和脉冲发射法三种。其中的共振法以及兰姆波法都对待测物体表面光洁度要求较高，不适用于对油气输送管道这类带漆面且表面可能存在腐蚀现象的材料进行检测。脉冲发射法的原理是通过估计短脉冲声信号在油气输送管道管壁内外表面之间往返一次的传播时间来求得工件的厚度。相对于前两种方法而言，脉冲反射法原理简单，实现方便，对管道的表面光洁度要求不高，可测粗糙表面、凹面以及带漆面材料，适用范围广，是现在应用最为广泛的一种方法。

但是，这类采用短脉冲信号作为发射信号的超声测厚技术通常具有发射信号持续时间较短、占空比较低等特点。根据数字信号处理理论，基于这类采用短脉冲信号作为发射信号的超声测厚技术有以下缺陷：

(1)测量精度低，根据香农信息论和参数估计理论，单一频率的短脉冲信号的时宽—带宽积小，回波能量小，回波检测的精度低。目前常用的超声波测厚装置的测量误差一般为5％，测量精度有待提高。

(2)探测深度短，脉冲持续时间越短，所携带的能量就越低，易受到信号幅度衰减的影响，从而导致较短的探测深度，不利于测量深埋管道的管壁厚度。

(3)对噪声敏感，对测量环境有一定的要求，因为采用短脉冲信号作为发射信号的超声测厚技术对声信号在管壁内的传播时延估计是基于声压(即幅度)特征的，在信噪比较低的环境下，容易受噪声干扰。

(4)多径容忍度低，单一频率的短脉冲信号受不同回波路径而产生的多径干扰影响较大，抗干扰能力弱，易造成回波信号的误检或漏检现象。

发明内容

本发明目的在于克服采用短脉冲信号作为发射信号的超声测厚技术的不足，提出一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法。该方法是采用LFM(线性调频)信号作为超声波测厚方法的发射信号，在接收到回波信号后对回波信号进行匹配滤波，基于LFM信号互相关相位特性估计LFM声信号在油气输送管道管壁内外表面之间的传播时间，最后结合预置的声速求得管壁厚度。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法，应用于由数据处理单元、D/A转换模块、功率放大器、发射超声探头、接收超声探头、低噪声放大器、A/D转换模块组成的超声波测厚装置。其中，数据处理单元与D/A转换模块、功率放大器、发射超声探头依次相连组成发射信号通道。接收超声探头、低噪声放大器、A/D转换模块和数据处理单元依次相连组成接收信号通道。数据处理单元完成超声波测厚装置中的多项工作，包括：产生LFM信号作为发射信号；对回波信号进行匹配滤波，得到回波信号和发射信号的互相关函数；基于LFM信号互相关相位特性估计LFM声信号在管壁内外表面之间的传播时间；结合预置的声速求得油气输送管道管壁厚度。D/A转换模块将数据处理单元产生的数字信号转换为模拟电信号。功率放大器将模拟电信号的功率放大。发射超声探头将放大的模拟电信号转化成LFM声信号发射至油气输送管道管壁内部。接收超声探头接收从石油管道管壁内外表面反射的LFM声信号并将其转化为模拟电信号。低噪声放大器对模拟电信号进行放大。A/D转换模块将模拟电信号转化为数字信号并作为回波信号发送到数据处理单元。

该超声波测厚方法包括以下具体步骤：

S1、利用线性调频的调制方式产生LFM信号作为发射信号x[n]，x[n]的表达式为：

其中，A为发射信号的幅度，f₀与f₁分别是发射信号的起始频率与终止频率，T为信号时长，F_S为采样率，μ＝(f₁-f₀)/(F_s ²T)，μ为调频斜率，N＝F_ST，N为样本总数，发射信号x[n]的频率随着时间的变化在一定范围内呈线性增长；

S2、发射信号x[n]经过发射信号通道转化为LFM声信号并发射至待测油气输送管道的管壁；

S3、从油气输送管道管壁的内、外表面反射回的回波声信号经过接收信号通道转化为回波信号y[n]，回波信号y[n]是由两重具有不同时延的LFM信号叠加而成，设两重具有不同时延的LFM信号的衰减幅度分别为a₁、a₂，时延估计值分别为t₁、t₂，对应的分数阶坐标

其中T_S为采样间隔，

得到y[n]的表达式为：

S4、对回波信号y[n]进行匹配滤波，得到发射信号x[n]与回波信号y[n]的互相关函数Q(n)，Q(n)的表达式为：

S5、搜索互相关函数Q(n)的第一主峰值点，得到其对应的离散坐标

并计算得到粗时延估计值

表达式为：

其中，T_S为采样间隔，

S6、引入分数阶估计参数α，得到精时延估计值t₁与粗时延估计值

关系式如下：

其中，t_α为残留时延，t_α＝αT_S，

构建LFM信号与其单一时延信号做互相关得到的一般互相关函数R(n,n₁)表达式：

将一般互相关函数R(n,n₁)坐标左移

使得峰值点位于零点，再取左移后的一般互相关函数R(n,n₁)的相位部分，构建相位函数

表达式如下：

同样对匹配滤波得到的发射信号和回波信号的互相关函数Q(n)进行左移并取相位部分，得到实际相位函数Q₂(n)，Q₂(n)表达式如下：

构建代价函数J：

Δn取值1，2，…，10，令

得到对应的残留时延t_α，为简化表达令：

得到残留时延t_α的表达式为：

最终得到精时延估计值

S7、重复步骤S5和S6，搜索互相关函数Q(n)的第二主峰值点，得到精时延估计值t₂；

S8、根据精时延估计值t₁与t₂，得到LFM声信号在油气输送管道管壁内外表面之间的传播时间，并结合预置声速v求得管壁厚度l，l的表达式为：

进一步地，所述的LFM信号可重复发射，LFM信号的调频斜率μ根据发射超声探头中超声换能器的物理特性进行设置。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明将LFM信号作为发射信号，可以有效展宽信号带宽，降低信噪比的要求，即降低信号的发射功率，进而降低发射探头与接收探头的体积和成本。

(2)本发明用频率估计代替现有的声压幅度估计，因为频率参数比声压幅度参数更加稳定，所以根据发射信号和回波信号的频率信息来进行测厚能够提高测厚的精度；

(3)本发明公开的超声波测厚方法显著改善了采样率对时延估计精度的限制，降低了A/D转换模块与D/A转换模块的采样率要求，从而降低了转换模块的成本；

(4)本发明公开的时延估计方法对噪声的容忍度更高，能适应各种噪声环境，避免的误测或者漏测。

附图说明

图1是本发明实施例中公开的一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚装置结构图；

图2(a)是发射信号及回波信号的实部时域图；

图2(b)是发射信号与回波信号的互相关函数幅度图；

图3是本发明实施例中公开的一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法该方法对应的实施装置如图1所示。该装置包数据处理单元、D/A转换模块、功率放大器、发射超声探头、接收超声探头、低噪声放大器、A/D转换模块组成。其中，数据处理单元与D/A转换模块、功率放大器、发射超声探头依次相连组成发射信号通道。接收超声探头、低噪声放大器、A/D转换模块和数据处理单元依次相连组成接收信号通道。数据处理单元完成超声波测厚装置中的多项工作，包括：产生LFM信号作为发射信号；对回波信号进行匹配滤波，得到回波信号和发射信号的互相关函数；基于LFM信号互相关相位特性估计LFM声信号在管壁内外表面之间的传播时间；结合预置的声速求得油气输送管道管壁厚度。D/A转换模块将数据处理单元产生的数字信号转换为模拟电信号。功率放大器将模拟电信号的功率放大。发射超声探头将放大的模拟电信号转化成LFM声信号发射至油气输送管道管壁内部。接收超声探头接收从石油管道管壁内外表面反射的LFM声信号并将其转化为模拟电信号。低噪声放大器对模拟电信号进行放大。A/D转换模块将模拟电信号转化为数字信号并作为回波信号发送到数据处理单元。

本实施例以测量管壁厚度规格为25mm的油气输送管道为例，数据处理单元利用线性调频的调制方式产生LFM信号作为发射信号x[n]，设置的信号起始频率和截止频率分别为f₀＝3MHz至f₁＝5MHz、设定的时长为T＝5us，采样率Fs＝20MHz，信号幅度A＝1，产生的发射信号x[n]如图2(a)所示。发射的LFM声信号分别经过油气输送管道管壁的外表面与内表面反射，因此回波信号y[n]具有两重回波，接收到的回波信号y[n]如图2(a)所示。回波信号y[n]经过匹配滤波，得到发射信号x[n]与回波信号y[n]的互相关函数，如图2(b)所示。

下面结合图3，说明本实施例公开的一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法的实现流程，包括以下步骤：

T1、产生发射信号x[n]并经过发射信号通道发射；

T2、对接收到的回波信号y[n]进行匹配滤波得到发射信号与回波信号的互相关函数Q(n)；

T3、采用基于LFM信号互相关函数相位特性逼近的时延估计算法，搜索互相关函数Q(n)的第i个主峰值，得到粗时延估计值

其中，i＝1,2；

T4、引入分数阶估计参数α，构建LFM信号与其单一时延信号做互相关得到的相位函数

并与匹配滤波得到的实际相位函数Q₂(n)进行逼近得到精时延估计值t_i；

T5、重复步骤T3、T4直至得到两重回波的精时延估计值t₁与t₂；

T6、结合预设声波在金属中的速度v＝5000m/s，最终得到管壁厚度l。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法，其特征在于，所述的超声波测厚方法包括以下具体步骤：

S1、利用线性调频的调制方式产生LFM信号作为发射信号x[n]，x[n]的表达式为：

其中，A为发射信号的幅度，f₀与f₁分别是发射信号的起始频率与终止频率，T为信号时长，F_S为采样率，

μ为调频斜率，N＝F_ST，N为样本总数，发射信号x[n]的频率随着时间的变化在一定范围内呈线性增长；

S2、发射信号x[n]经过发射信号通道转化为LFM声信号并发射至待测油气输送管道的管壁；

S3、从油气输送管道管壁的内、外表面反射回的回波声信号经过接收信号通道转化为回波信号y[n]，回波信号y[n]是由两重具有不同时延的LFM信号叠加而成，设两重具有不同时延的LFM信号的衰减幅度分别为a₁、a₂，时延估计值分别为t₁、t₂，对应的分数阶坐标

其中T_S为采样间隔，

得到y[n]的表达式为：

S4、对回波信号y[n]进行匹配滤波，得到发射信号x[n]与回波信号y[n]的互相关函数Q(n)，Q(n)的表达式为：

S5、搜索互相关函数Q(n)的第一主峰值点，得到其对应的离散坐标

并计算得到粗时延估计值

表达式为：

其中，T_S为采样间隔，

S6、引入分数阶估计参数α，得到精时延估计值t₁与粗时延估计值t₁ ^*关系式如下：

其中，t_α为残留时延，t_α＝αT_S，

构建LFM信号与其单一时延信号做互相关得到的一般互相关函数R(n,n₁)表达式：

将一般互相关函数R(n,n₁)坐标左移

使得峰值点位于零点，再取左移后的一般互相关函数R(n,n₁)的相位部分，构建相位函数

表达式如下：

同样对匹配滤波得到的发射信号和回波信号的互相关函数Q(n)进行左移并取相位部分，得到实际相位函数Q₂(n)，Q₂(n)表达式如下：

构建代价函数J：

Δn取值1，2，…，10，令

得到对应的残留时延t_α，为简化表达，令：

得到残留时延t_α的表达式为：

最终得到精时延估计值

S7、重复步骤S5和S6，搜索互相关函数Q(n)的第二主峰值点，得到精时延估计值t₂；

S8、根据精时延估计值t₁与t₂，得到LFM声信号在油气输送管道管壁内外表面之间的传播时间，并结合预置声速v求得管壁厚度l，l的表达式为：

2.根据权利要求1所述的一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法，其特征在于，所述的LFM信号可重复发射。

3.根据权利要求1所述的一种基于LFM信号互相关相位特性的超声波测厚方法，其特征在于，所述的LFM信号的调频斜率μ根据发射超声探头中超声换能器的物理特性进行设置。

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