CN114791460A - 一种基于数据融合的裂纹检测方法及检测装置、存储介质 - Google Patents

Abstract

一种基于数据融合的裂纹检测方法，包括：获取多种裂纹响应信号，对裂纹响应信号进行连续小波变换，每种裂纹响应信号包括至少一个通道；对每个通道中的多个平移量因子，根据小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并确定每个通道连续的第一平移量因子范围，第一平移量因子满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；选择最优裂纹检验统计量，并确定对应的裂纹位置。本公开能够对多种检测技术的优势进行互补，在较小的恒虚警概率条件下，使裂纹的检测概率得到较大提升。本裂纹检测方法及检测装置的适用对象包括但不限于油气管道环焊缝裂纹检测、储罐底板裂纹检测、钢轨裂纹检测等缺陷检测领域。

Description

一种基于数据融合的裂纹检测方法及检测装置、存储介质

技术领域

本公开实施例涉及但不限于缺陷检测技术领域，尤其涉及一种基于数据融合的裂纹检测方法及检测装置、存储介质，检测适用对象包括但不限于油气管道环焊缝裂纹检测、储罐底板裂纹检测、钢轨裂纹检测等。

背景技术

油气管道、石油储罐等铁磁性材料长期运营在复杂的自然环境中，在其内外壁表面会出现金属损失或者裂纹缺陷。金属损失相对裂纹而言由于体积较大而更容易被检测，目前已经有多种比较成熟的技术可以检测出金属损失缺陷。但是裂纹缺陷通常尺寸较小，尤其在高速检测条件下更难被检测到。因此，准确检测裂纹缺陷对油气管道、石油储罐的安全运营具有重要意义。

发明内容

本公开实施例提供了一种基于数据融合的裂纹检测方法，包括：

获取多种依据不同检测原理获得的裂纹响应信号，对获取的所述裂纹响应信号进行连续小波变换，得到小波变换系数，确定尺度因子和平移量因子范围，每种所述裂纹响应信号包括至少一个通道；

对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，在所述第一平移量因子位置计算出的最大裂纹检验统计量满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；

从所述每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，并确定所述最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置。

本公开实施例还提供了一种裂纹检测装置，包括存储器；和连接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行本公开任一实施例所述的基于数据融合的裂纹检测方法的步骤。

本公开实施例还提供了一种裂纹检测装置中的存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本公开任一实施例所述的基于数据融合的裂纹检测方法。

本公开实施例的基于数据融合的裂纹检测方法及检测装置、存储介质，通过依据多种检测原理的裂纹响应信号计算最优裂纹检验统计量，可以将同一检测器中的多种检测技术优势进行互补，通过最优裂纹检验统计量进行裂纹判决和定位，提升了裂纹的检测性能和定位精度，保证在虚警概率不变的条件下提高了裂纹检测概率；通过将小波基函数作为裂纹检测的参考信号，可以充分利用小波变换的时频分析优势，进而提升裂纹检测的灵敏度。本裂纹检测方法及检测装置的适用对象包括但不限于油气管道环焊缝裂纹检测、储罐底板裂纹检测、钢轨裂纹检测等缺陷检测领域。

本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。

图1为本公开示例性实施例一种基于数据融合的裂纹检测方法的流程示意图；

图2为本公开示例性实施例一种漏磁径向分量的曲线图；

图3为本公开示例性实施例一种动磁信号的曲线图；

图4为本公开示例性实施例另一种基于数据融合的裂纹检测方法的流程示意图；

图5a为图2中峰值最大通道的裂纹检验统计量分布图；

图5b为图3中峰值最大通道的裂纹检验统计量分布图；

图6为本公开示例性实施例一种裂纹检测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本公开的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

除非另外定义，本公开实施例公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

目前在油气管道、石油储罐等场景中，裂纹检测通常采用漏磁、涡流或超声、电磁超声等单一检测技术，检测效果具有局限性。例如，漏磁检测对平行励磁方向的裂纹检测效果不佳、响应信号的信噪比较低；普通涡流检测和脉冲涡流检测只能检测表面缺陷；超声检测仅适用于油管道而不适用于天然气管道、且速度低于2m/s；电磁超声适用于油气管道，但换能效率低、检测速度通常低于2m/s。如果在同一检测器中实现多种检测技术、并将获取的测量数据进行融合处理，可以达到优势互补的目的，进而有助于提升裂纹检测的性能。

如图1所示，本公开实施例提供了一种基于数据融合的裂纹检测方法，包括以下步骤：

步骤101：获取多种依据不同检测原理获得的裂纹响应信号，对获取的裂纹响应信号进行连续小波变换，得到小波变换系数，确定尺度因子和平移量因子范围，每种裂纹响应信号包括至少一个通道；

步骤102：对每个通道中的多个平移量因子，根据小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，在第一平移量因子位置计算出的最大裂纹检验统计量满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；

步骤103：从每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，并确定最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置。

本公开实施例的基于数据融合的裂纹检测方法，通过依据多种检测原理的裂纹响应信号计算最优裂纹检验统计量，可以将同一检测器中的多种检测技术优势进行互补，通过最优裂纹检验统计量进行裂纹判决和定位，提升了裂纹的检测性能和定位精度，保证在虚警概率不变的条件下提高了裂纹检测概率；通过将小波基函数作为裂纹检测的参考信号，可以充分利用小波变换的时频分析优势，进而提升裂纹检测的灵敏度。

本公开实施例的基于数据融合的裂纹检测方法，可以将由多种检测技术获取的测量数据进行数据融合处理，多种检测技术包括但不限于漏磁检测技术、动磁检测技术、普通涡流检测技术、脉冲涡流检测技术等等，由多种检测技术获取的测量数据可以由一个检测器获得，也可以由多个检测器获得，本公开实施例对此不作限制。示例性的，针对同一片被测区域，同一个检测器至少包含2种检测原理的阵列信号，这些阵列信号相互之间不发生耦合计算，但在检测裂纹过程中会被联合考虑，通过联合多组阵列信号矩阵，共同完成对裂纹缺陷的检测。

在一些示例性实施方式中，在步骤101中，所述方法还可以包括：根据不同检测原理，选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数。

本公开实施例中，可以通过人工选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数，也可以通过计算机程序选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数，本公开实施例对此不作限制。

示例性的，当通过人工选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数时，我们通过理论分析知道裂纹响应信号的波形是类似正弦波的波形，那么，选择小波基函数时，就选择形状更像正弦波波形的小波基函数。

示例性的，当由计算机程序选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数时，可以预先人工加工1个标准裂纹缺陷，并获得其裂纹响应信号，然后将该裂纹响应信号与小波基函数集合中的每一个小波基函数进行裂纹检验统计量计算，轮询定义域[a₁，a_max1]和[b₁，b_max2]内所有的a和b后，每个小波基函数得到了一个最大裂纹检验统计量，选择使最大裂纹检验统计量计算值最大的小波基函数作为与裂纹响应信号的形状最相似的小波基函数。

假设共有N种检测原理对同一片被测区域进行裂纹检测，根据不同检测原理，选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数。这些检测原理对应的小波基函数分别为

其中，a和b均为ψ[n]的自变量，a为实数，且a∈[a₁，a_max1]，称为尺度因子，它表征检测对象的尺度认定范围；b为实数，且b∈[b₁，b_max2]，称为平移量因子，它表征检测区域的轴向长度。对不同的小波基函数，可以选择相同的定义域[a₁，a_max1]与[b₁，b_max2]，也可以选择不同的定义域[a₁，a_max1]、相同的定义域与[b₁，b_max2]，本公开实施例对此不作限制。

尺度因子a通常取决于裂纹信号的周期(或频率)，示例性的，a可取0.5到2.0。实际使用时，最小值a₁对不同的小波基函数通常有确定的值，例如，假设一个检测原理对应的小波基函数选择为1号高斯小波，一个检测原理对应的小波基函数选择为5号高斯小波，由于1号高斯小波对应的最小值a₁为0.2，5号高斯小波对应的最小值a₁为0.5，那么当对不同的小波基函数选择相同的定义域[a₁，a_max1]时，a₁可以取0.5。而a_max1通常可以根据工程经验来取值，例如，a_max1为2表示，当a_max1小于等于2时，对应缺陷为裂纹，当a_max1大于2时，对应的缺陷则可能是比裂纹更宽的金属损失，例如腐蚀缺陷，因此，a_max1的取值限定了所研究缺陷的类型。

平移量因子b相当于时域区间，示例性的，b可取0到100、70到80等，本公开实施例对此不作限制。例如，当目标信号出现在70到80这个区间时，b₁到b_max2可以取65到85。又如，对于示波器而言，单屏显示长度是0到10的话，b₁到b_max2可以取0到10。

在一些示例性实施方式中，在步骤101中，所述方法还可以包括：

对一种或多种裂纹响应信号进行插值处理，使得依据不同检测原理获得的裂纹响应信号的通道数相等。

图2为本公开示例性实施例一种漏磁径向分量的曲线图；图3为本公开示例性实施例一种动磁信号的曲线图；图2和图3中每一条横向的曲线可以表示一条通道的信号，横轴表示平移量因子，纵轴表示磁场分布，图2的通道数为图3的通道数的两倍，因此，在对获取的裂纹响应信号进行连续小波变换之前，可以对图3中的动磁信号进行插值处理，以使得两种检测原理的裂纹响应信号的通道数相同，进一步简化后续的计算。然而，本公开实施例对此不作限制，对于图2和图3的裂纹响应信号，也可以不对图3中的动磁信号进行插值处理，此时，图3中的一个通道可以与图2中的两个通道对应。

在一些示例性实施方式中，在步骤101中，连续小波变换可以为离散连续小波变换，可以依据下式对获取的裂纹响应信号进行离散连续小波变换：

其中，x_i，k[n]为第i检测原理第k通道的观测信号，i∈[1，N]，N为大于或等于2的自然数，k∈[1，m]，m为大于或等于1的自然数，ψ[n]为小波基函数，

为小波变换系数，ψ^*[n]表示对ψ[n]进行共轭运算，当ψ为实小波时，由于实数的共轭就是其本身，因此，

当ψ为复小波时，需要对其进行共轭运算。尺度因子a为实数，且a∈[a₁，a_max1]，平移量因子b为实数，且b∈[b₁，b_max2]，*为乘号，Δ为小波半宽度，Δ为实数，dj为采样步长，dj可以为整数也可以为小数，例如，当观测信号x_i，k[n]的采样点为1、2、3……这样的序列时，dj＝1。

本公开实施例的连续小波变换可以是离散连续小波变换，也可以不是离散连续小波变换，本公开实施例对此不作限制。

实际使用时，可以根据选取的小波基函数来确定Δ的值。例如，仍以前述的1号高斯小波与5号高斯小波为例，1号高斯小波较窄，只有

之内的积分结果不为0，5号高斯小波较宽，基本上

之内的积分结果不为0，因此，可以取两者的补集，即

即Δ＝5。

在一些示例性实施方式中，在步骤101之后，所述方法还可以包括：依据下式建立第i检测原理对应的裂纹检验统计量矩阵：

其中，

表示对

取绝对值，T_i为m×max2×max1的三维矩阵，一个子二维矩阵表示一个通道的max1×max2的裂纹检验统计量矩阵。

本公开实施例的裂纹检测方法中，假设第i个检测原理在第k通道的背景噪声标准差为σ_i，k，标准正态分布的互补累积分布函数的逆函数为Q^-1(·)，虚警概率为P_FA，则裂纹检验统计量和存在裂纹的检测判据可以定义为：

其中，

表示对

取绝对值，i∈[1，N]；k∈[1，m]；

为检测阈值；如果T_i(a，b，k)超过检测阈值，则在(a，b，k)位置存在裂纹，否则在(a，b，k)位置不存在裂纹。

本实施例中，背景噪声标准差σ_i，k的获取方法可以为：取一段明知只有背景信号、没有裂纹信号的含噪裂纹响应信号，减去均值之后求标准差，即可以得到σ_i，k。虚警概率P_FA可以是预先指定的值，示例性的，虚警概率P_FA可以预先指定为0.05。一般来说，设定较低的恒虚警概率P_FA，优化检测器参数，使检测概率越高越好。

在一些示例性实施方式中，在步骤102中，根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，可以包括：

针对当前计算的平移量因子，确定每个检测原理对应的最大裂纹检验统计量是否大于检验阈值；

当存在任一检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值时，将该检测原理对应的最大裂纹检验统计量、以及最大裂纹检验统计量对应的平移量因子及尺度因子保存在缓存中，并检测当前通道的平移量因子是否计算完毕；

当当前通道的平移量因子没有计算完毕时，对当前计算的平移量因子按步长自增，并对自增后的平移量因子循环计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，直到当前通道的平移量因子计算完毕或者所有检测原理对应的最大裂纹检验统计量均小于或等于检验阈值，缓存中的平移量因子的范围组成每个通道连续的第一平移量因子范围。

本公开实施例的裂纹检测方法，在每个检测原理的三维矩阵中，在数据通道方向(m维方向)以及平移量因子方向(b维方向)逐行逐列遍历搜索，示例性的，可以对图2和图3中的平移量因子从左到右、通道从上到下逐行逐列遍历搜索，然而本公开实施例对此不作限制，例如，平移量因子方向也可以从右到左进行搜索，通道方向也可以按任意顺序进行搜索。

在每个检测原理对应的裂纹响应信号中，在第一通道数据中，对每个平移量因子b位置找到尺度因子a变化范围中的最大裂纹检验统计量值；在第二通道数据中，对每个平移量因子b位置找到尺度因子a变化范围中的最大裂纹检验统计量值，……，即对每个(i，k，b)，都对应一个最大裂纹检验统计量值。最大裂纹检验统计量值对应着最大的检测概率。

本公开实施例中，在[a_i，L，a_i，R]范围内可以运用一种基于动态搜索域的黄金分割算法计算位置点(b_q，k)的最大裂纹检验统计量maxT_i(b_q，k)，其中，[a_i，L，a_i，R]是第i个检测原理在本步骤中尺度因子的搜索范围，i∈[1，N]，b_q∈[b₁，b_max2]，k∈[1，m]。本公开实施例的裂纹检测方法，通过该基于动态搜索域的黄金分割算法，可以加快在三维矩阵中检测裂纹的整体速度，利于本公开实施例的裂纹检测方法在实际工程中应用。

在一些示例性实施方式中，在步骤102中，对每个通道中的多个平移量因子，根据小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，可以包括：

对当前计算的平移量因子b_q，设置搜索边界初始值a_i，L＝a₁，a_i，R＝a_max1；

依据下式分别计算黄金分割点x₁和x₂的裂纹检验统计量y₁和y₂：x₁＝a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L)，

x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L)，

依据下式更新黄金分割点，并循环计算更新后的黄金分割点的裂纹检验统计量的值，直到a_i，R-a_i，L≤ε为止，ε为预设值，示例性的，ε＝0.01：当y₁≥y₂时，a_i，R＝x₂；x₂＝x₁；y₂＝y₁；x₁＝a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L)；

当y₁＜y₂时，设置a_i，L＝x₁；x₁＝x₂；y₁＝y₂；x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L)；

确定当前计算的平移量因子b对应的最优尺度因子为x₁或x₂，当前计算的平移量因子b对应的最大裂纹检验统计量为y₁或y₂。

在一些示例性实施方式中，在步骤102中，对每个通道中的多个平移量因子，根据小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，还可以包括：

当当前计算的平移量因子b_q对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值时，对当前通道的下一平移量因子b_q+1，设置搜索边界初始值a_i，Lmax{a₁，a_q-δ}；a_i，R＝min{a_max1，a_q+δ}，其中，δ为搜索域的调节量；

当当前计算的平移量因子b_q对应的最大裂纹检验统计量小于或等于检验阈值时，对当前通道的下一平移量因子b_q+1，设置搜索边界初始值a_i，L＝a₁；a_i，R＝a_max1。

示例性的，δ＝0.15(a_max1-a_min)，δ也可以设置为其他值，本公开实施例对此不作限制。

在一些示例性实施方式中，在步骤103中，从每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，可以包括：

确定每个检测原理对应的局部最优裂纹检验统计量，局部最优裂纹检验统计量为每个检测原理对应的一个最大裂纹检验统计量，或每个检测原理对应的多个最大裂纹检验统计量中最大的一个最大裂纹检验统计量；

检测局部最优裂纹检验统计量的个数；

当局部最优裂纹检验统计量的个数为1时，将局部最优裂纹检验统计量作为最优裂纹检验统计量；

当局部最优裂纹检验统计量的个数大于1时，计算每个局部最优裂纹检验统计量对应的信噪比，选择信噪比最高的局部最优裂纹检验统计量作为最优裂纹检验统计量。

本公开实施例中，多个检测原理同步逐点检测，每计算到一个位置点(b，k)，每个检测原理都可能会找到一个大于检测阈值的最大裂纹检测统计量或多个大于检测阈值的最大裂纹检验统计量值。局部最优裂纹检验统计量T_{i_max}指的是每个检测原理对应的缓存中最大的那个最大裂纹检验统计量。例如：当走到某个位置点(b，k)的时候，第一个检测原理对应的缓存ROM₁里存了10个maxT₁(b，k)以及对应的10个a和10个b；第二个检测原理对应的缓存ROM₂里存了5个maxT₂(b，k)以及对应的5个a和5个b，那么，在本步骤里，分别在ROM₁里找到一个局部最优裂纹检验统计量T_{1_max}以及对应的a_{1_best}和b_{1_best}，在ROM₂里找到一个局部最优裂纹检验统计量T_{2_max}以及对应的a_{2_best}和b_{2_best}。然后根据信噪比大小选择多个局部最优裂纹检验统计量中的一个作为最终的最优裂纹检验统计量，当局部最优裂纹检验统计量只有一个时，该局部最优裂纹检验统计量就为最终的最优裂纹检验统计量。

在一些示例性实施方式中，可以依据下式计算每个局部最优裂纹检验统计量对应的信噪比SNR_i：

其中，

在一些示例性实施方式中，在步骤103中，确定的最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置为[b_best-Δ*a_best，b_best+Δ*a_best]，b_best为最优裂纹检验统计量对应的平移量因子，a_best为最优裂纹检验统计量对应的尺度因子。

每个通道k可能有一个或多个最优裂纹检验统计量(对应一个或多个局部区域裂纹)，不同的通道k包括各自的局部区域裂纹的空间位置，相邻通道k的局部区域裂纹的空间位置联立画出裂纹整体的二维空间的范围。

相邻通道k的局部区域裂纹的空间位置联立画出的裂纹整体的二维空间可能为一不规则图形，围绕该不规则图形的外边缘画一个外切矩形，用该外切矩形标识裂纹整体的二维空间的范围，如图2和图3中的矩形框所示。

在一些示例性实施方式中，如图4所示，本公开实施例提供了一种裂纹检测方法，包括如下步骤：

1)根据不同检测原理，选择与裂纹响应信号形状相似的小波基函数；这里的裂纹响应信号包括但不限于漏磁检测信号、动磁检测信号、普通涡流检测信号、脉冲涡流检测信号等等；

假设共有N种检测原理对同一片被测区域进行裂纹检测，这些检测原理对应的小波基函数分别为

其中，a和b是ψ的自变量，a为实数，且a∈[a₁，a_max1]，称为尺度因子，它表征检测对象的尺度认定范围；b为实数，且b∈[b₁，b_max2]，称为平移量因子，它表征检测区域的轴向长度，对不同的小波基函数，分别选择相同的定义域[a₁，a_max1]与[b₁，b_max2]来衡量。

2)将连续小波变换公式离散化；

假设不同检测原理在检测区域中都具有m个数据通道；第i个检测原理在第k通道的观测信号x_i，k[n]的连续小波变换离散化公式定义为：

其中，ψ[n]为基本小波或母小波，ψ^*[n]表示对ψ[n]进行共轭运算，Δ为小波半宽度，Δ为实数，dj为采样步长。

3)定义裂纹检验统计量和检测判据；

假设第i个检测原理在第k通道的背景噪声标准差为σ_i，k，标准正态分布的互补累积分布函数的逆函数为Q^-1(·)，虚警概率为P_FA，则裂纹检验统计量和存在裂纹的检测判据被定义为：

其中，

表示对

取绝对值，i∈[1，N]；k∈[1，m]；

为检测阈值；如果T_i(a，b，k)超过检测阈值，则在(a，b，k)位置存在裂纹，否则在(a，b，k)位置不存在裂纹。

定义在检测区域内第i个检测原理的检验统计量矩阵为：

T_i为m×max2×max1的三维矩阵，每个子二维矩阵表示一个通道的检验统计量矩阵，在a维方向包括从a₁到a_max1一共max1行，在b维方向包括从b₁到b_max2一共max2列。

4)计算每个位置点的裂纹最大检验统计量。在每个检测原理的三维矩阵中，在数据通道方向(m维方向)以及平移量因子方向(b维方向)逐行逐列遍历搜索，如果行列搜索未结束，则在确定行列的条件下，在[a₁，a_max1]范围内计算该位置点(b，k)的最大检验统计量maxT_i(b，k)，i∈[1，N]；如果行列搜索全部结束，则跳转步骤10)；

5)判断每个位置点的裂纹最大检验统计量是否超过检测阈值。如果对于任意的i∈[1，N]，都满足

则跳转步骤6)；否则如果存在i∈[1，N]，满足

则将对应的a,b,maxT_i(b，k)保存在缓存ROM_i中；如果本列(b维方向)搜索未结束，则跳转步骤4)，否则跳转步骤6)；

6)计算非空缓存中的裂纹最大检验统计量。如果所有的ROM_i为空，则跳转步骤4)，否则对于所有非空的ROM_i，在其中计算局部最大的检验统计量T_{i_max}以及对应的a_{i_best}和b_{i_best}和信噪比

其中

7)筛选局部区域最优的尺度因子和平移量因子。如果局部区域只有1个非空缓存ROM_i，则局部区域最优的尺度因子a_best＝a_{i_best}，最优的平移量因子b_best＝b_{i_best}；如果局部区域有多个非空缓存，则取该区域信噪比最高的非空缓存对应的尺度因子和平移量因子作为a_best和b_best；

8)确定局部区域裂纹的空间位置。局部区域裂纹的空间位置为[b_best-Δ*a_best，b_best+Δ*a_best]；

9)清空所有临时缓存ROM_i。对于任意的i∈[1，N]，清空ROM_i，并跳转步骤4)；

10)检测流程正式结束。

在步骤4)中，为了提高计算某个位置点(b_q，k)的最大检验统计量maxT_i(b_q，k)的速度，可以采用一种基于动态搜索域的黄金分割算法，其计算体过程如下：

S1、每当新切换一个数据通道(更新k)，设置初始值a_i，L＝a₁，a_i，R＝a_max,，清空临时缓存ROM_i；

S2)计算x₁+a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L),

x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L),

S3)重复步骤S4直到a_i，R-a_i，L≤ε,此处例如ε＝0.01；然后跳转步骤S5；

S4)如果y₁≥y₂,设置a_i，R＝x₂；x₂＝x₁；y₂＝y₁；x₁＝a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L)；

否则，设置a_i，L＝x₁；x₁＝x₂；y₁＝y₂；x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L)；

S5)当前最优尺度因子为a_q＝x₁，位置点(b_q，k)的最大检验统计量maxT_i(b_q，k)＝y₁；

S6)如果

设置a_i，L＝max{a₁，a_q-δ}；a_i，R＝min{a_max，a_q+δ}作为下一位置点(b_q+1，k)的搜索域边界,其中δ是搜索域的调节量；例如可以设置δ＝0.15(a_max-a_min)；

否则，设置a_i，L＝a₁；a_i，R＝a_max作为下一位置点(b_q+1，k)的搜索域边界。

下面结合油气管道无损检测对本公开实施例的技术方案做进一步说明。

油气管道无损检测通常采用漏磁内检测的原理，因为漏磁检测技术相比其他电磁无损检测技术具有原理简单、工程易实现、检测效率高等诸多优点。但是，漏磁检测原理对裂纹等细小缺陷的灵敏度不够高，尤其针对平行励磁方向的细小缺陷的检测能力有限。因此希望通过融合其他检测技术来弥补单一漏磁检测的不足。本实施例列举一项基于漏磁与动磁数据融合的裂纹检测方法，动磁检测技术对检测任意方向的裂纹缺陷具有很高的灵敏度，可以弥补漏磁检测技术的不足。下面对方法的实施步骤进行详细介绍。

首先我们使用漏磁与动磁融合的油气管道内检测传感器，针对同一片被测区域同时实现漏磁检测与动磁检测，同时获得漏磁检测数据和动磁检测数据。

示例性的，我们选择漏磁径向分量信号(MFLY)和动磁信号(DM)进行数据融合。在某次管道内检测过程中，针对同一片被测区域获得的MFLY信号如图2所示，DM信号如图3所示。本实施例中漏磁通道数目是动磁通道数目的2倍，在实施下面步骤之前，可以通过三次样条插值方法将动磁通道的数目扩充与漏磁通道数目相等。

按照步骤1)，选择1号高斯实小波gaus1作为MFLY信号的小波基函数，选择5号高斯实小波gaus5作为DM信号的小波基函数。

按照步骤2)，依据下式将MFLY信号的连续小波变换离散化，其中

假设采样步长等于1；

按照步骤2)，依据下式将DM信号的连续小波变换离散化，其中

假设采样步长等于1；

按照步骤3)，假设MFLY信号在第k通道的背景噪声标准差为σ_MFLY，k，标准正态分布的互补累积分布函数的逆函数为Q^-1(·)，虚警概率为P_FA，则裂纹的漏磁检验统计量和存在裂纹的检测判据被定义为：

按照步骤3)，假设DM信号在第k通道的背景噪声标准差为σ_DM，k，标准正态分布的互补累积分布函数的逆函数为Q^-1(·)，虚警概率为P_FA，则裂纹的动磁检验统计量和存在裂纹的检测判据被定义为：

按照步骤4)，分别计算图2漏磁信号和图3动磁信号每个位置点的最大裂纹检验统计量。在漏磁信号和动磁信号的三维矩阵中，在数据通道方向(m维方向)以及平移量因子方向(b维方向)逐行逐列遍历搜索，如果行列搜索未结束，则在确定行列的条件下，在[a₁，a_max1]范围内计算该位置点(b，k)的最大检验统计量maxT_MFLY(b，k)和maxT_DM(b，k)；如果行列搜索全部结束，则跳转步骤10)；

按照步骤5)，如果

且

则跳转步骤6)；否则如果

或

则将对应的a_MFLY，b_MFLY，maxT_MFLY(b，k)保存在缓存ROM_MFLY中，或者将对应的a_DM，b_DM，maxT_DM(b，k)保存在缓存ROM_DM中；如果本列(b维方向)搜索未结束，则跳转步骤4)，否则跳转步骤6)；

按照步骤6)，如果ROM_MFLY和ROM_DM为空，则跳转步骤4)；否则如果ROM_MFLY非空，则在其中计算局部最大的检验统计量T_{MFLY_max}以及对应的a_{MFLY_best},b_{MFLY_best}和SNR_MFLY；如果ROM_DM非空，则在其中计算局部最大的检验统计量T_{DM_max}以及对应的a_{DM_best}，b_{DM_best}和SNR_DM；

按照步骤7)，如果局部区域ROM_MFLY非空而ROM_DM为空，则a_best＝a_{MFLY_best}，b_best＝b_{MFLY_best}；如果局部区域ROM_DM非空而ROM_MFLY为空，则a_best＝a_{DM_best}，b_best＝b_{DM_best}；如果局部区域ROM_MFLY非空且ROM_DM非空，则进一步判断如果SNR_MFLY≥SNR_DM，则a_best＝a_{MFLY_best}，b_best＝b_{MFLY_best}；而如果SNR_DM＞SNR_MFLY，则a_best＝a_{DM_best}，b_best＝b_{DM_best}；

按照步骤8)，局部区域裂纹的空间位置为[b_best-5a_best，b_best+5a_best]；

按照步骤9)，清空ROM_MFLY和ROM_DM，并跳转步骤4)；

按照步骤10)检测流程正式结束。

图2和图3中的矩形框区域为通过上述方法实现的裂纹检测结果，在图2和图3中共检测到6个裂纹，用方框标出裂纹的具体位置，分别标号1-6。可见，1号裂纹和2号裂纹在图2中几乎无法被识别，但在图3中却有比较高的信噪比；6号裂纹在图3中几乎无法被识别，但在图2中却有比较高的信噪比；而基于漏磁与动磁数据融合的裂纹检测方法，却可以综合两种检测技术的优势，检测出区域内所有的裂纹。

图5a和图5b分别是上述4号裂纹的峰值最大通道的裂纹检验统计量三维分布图，纵轴为检验统计量，水平轴scale表示a，translation表示b，MFLY检验统计量最大值出现在第16通道，对应的坐标位置(a，b，T)为(26，7.80，1340.12)，DM检验统计量最大值出现在第8通道，对应的坐标位置(a，b，T)为(36，7.60，214.33)。由于4号裂纹在图2和图3中都有比较高的信噪比，因此在图5a和图5b中，4号裂纹的MFLY检验统计量和DM检验统计量都有比较明显的峰值，分别是1340.12和214.33。通过观察图5a和图5b的裂纹检验统计量分布情况，可以辅助判断检测出的缺陷是否是裂纹，进而降低裂纹的虚警概率。图5a和图5b的MFLY信号和DM信号的裂纹检验统计量的正视图都近似服从高斯分布，右视图都近似服从瑞利分布，因此可以确认该缺陷是裂纹缺陷。

本公开实施例还提供了一种裂纹检测装置，包括存储器；和连接至所述存储器的处理器，所述处理器执行基于存储在所述存储器中的指令，执行如前任一项所述的基于数据融合的裂纹检测方法的步骤。

在一个示例中，如图6所示，裂纹检测装置可包括：处理器610、存储器620、总线系统630和传感器640，其中，该处理器610、该存储器620和该传感器640通过该总线系统630相连，该存储器620用于存储指令及所述的最优裂纹检验统计量、最优尺度因子、最优平移量因子等，该处理器610用于执行该存储器620存储的指令，一方面用以控制该传感器640接收信号，另一方面执行所述的裂纹检测程序。具体地，传感器640可在处理器610的控制下获取多种依据不同检测原理获得的裂纹响应信号，处理器610对获取的所述裂纹响应信号进行连续小波变换，得到小波变换系数，确定尺度因子和平移量因子范围，每种所述裂纹响应信号包括至少一个通道；对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，在所述第一平移量因子位置计算出的最大裂纹检验统计量满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；从所述每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，并确定所述最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置。

应理解，处理器610可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，处理器610还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器610也可以是任何常规的处理器等。

存储器620可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器610提供指令和数据，包括所述的最优裂纹检验统计量、最优尺度因子、最优平移量因子等。存储器620的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如，存储器620还可以存储设备类型的信息。

总线系统630除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制总线和状态信号总线等。

在实现过程中，该裂纹检测装置所执行的处理可以通过处理器610中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。即本公开实施例的裂纹检测方法步骤可以由硬件处理器执行完成，或者用处理器610中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等存储介质中。该存储介质位于存储器620，处理器610读取存储器620中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本公开实施例还提供了一种裂纹检测装置中的存储介质，该裂纹检测装置中的存储介质存储有可执行指令，该可执行指令被处理器执行时可以实现本公开上述任一实施例提供的基于数据融合的裂纹检测方法，该裂纹检测方法可以获取多种依据不同检测原理获得的裂纹响应信号，对获取的所述裂纹响应信号进行连续小波变换，得到小波变换系数，确定尺度因子和平移量因子范围，每种所述裂纹响应信号包括至少一个通道；对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，在所述第一平移量因子位置计算出的最大裂纹检验统计量满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；从所述每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，并确定所述最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置。通过执行可执行指令实现裂纹检测的方法与本公开上述实施例提供的基于数据融合的裂纹检测方法基本相同，在此不做赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属领域内的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本公开的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于数据融合的裂纹检测方法，其特征在于，包括：

获取多种依据不同检测原理获得的裂纹响应信号，对获取的所述裂纹响应信号进行连续小波变换，得到小波变换系数，确定尺度因子和平移量因子范围，每种所述裂纹响应信号包括至少一个通道；

对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，并根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，在所述第一平移量因子位置计算出的最大裂纹检验统计量满足至少有一种检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值；

从所述每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，并确定所述最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置。

2.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述根据计算结果确定每个通道连续的第一平移量因子范围，包括：

针对当前计算的平移量因子，确定每个检测原理对应的最大裂纹检验统计量是否大于检验阈值；

当存在任一检测原理对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值时，将该检测原理对应的最大裂纹检验统计量、以及最大裂纹检验统计量对应的尺度因子和平移量因子保存在缓存中，并检测当前通道的平移量因子是否计算完毕；

当当前通道的平移量因子没有计算完毕时，对当前计算的平移量因子按步长自增，并对自增后的平移量因子循环计算在所述尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，直到当前通道的平移量因子计算完毕或者所有检测原理对应的最大裂纹检验统计量均小于或等于检验阈值，所述缓存中的平移量因子的范围组成所述每个通道连续的第一平移量因子范围。

3.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，从所述每个通道连续的第一平移量因子范围计算出的最大裂纹检验统计量中选择一个最优裂纹检验统计量，包括：

确定每个检测原理对应的局部最优裂纹检验统计量，所述局部最优裂纹检验统计量为所述每个检测原理对应的一个最大裂纹检验统计量，或所述每个检测原理对应的多个最大裂纹检验统计量中最大的一个最大裂纹检验统计量；

检测局部最优裂纹检验统计量的个数；

当所述局部最优裂纹检验统计量的个数为1时，将所述局部最优裂纹检验统计量作为所述最优裂纹检验统计量；

当所述局部最优裂纹检验统计量的个数大于1时，计算每个所述局部最优裂纹检验统计量对应的信噪比，选择信噪比最高的所述局部最优裂纹检验统计量作为所述最优裂纹检验统计量。

4.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述连续小波变换为离散连续小波变换，依据下式对获取的所述裂纹响应信号进行离散连续小波变换：

其中，x_i，k[n]为第i检测原理第k通道的观测信号，i∈[1，N]，N为大于或等于2的自然数，k∈[1，m]，m为大于或等于1的自然数，ψ[n]为基本小波，

为小波变换系数，ψ^*[n]表示对ψ[n]进行共轭运算，尺度因子a为实数，且a∈[a₁，a_max1]，平移量因子b为实数，且b∈[b₁，b_max2]，max1和max2均为大于1的自然数，Δ为ψ[n]的半宽度，Δ为实数，dj为采样步长，dj为实数。

5.根据权利要求4所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述方法还包括：依据下式建立第i检测原理对应的裂纹检验统计量矩阵：

其中，

表示对

取绝对值，T_i为m×max2×max1的三维矩阵，一个子二维矩阵表示一个通道的max1×max2的裂纹检验统计量矩阵。

6.根据权利要求4所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，包括：

对当前计算的平移量因子b_q，设置搜索边界初始值a_i，L＝a₁，a_i，R＝a_max1；

依据下式分别计算黄金分割点x₁和x₂的裂纹检验统计量y₁和y₂：x₁＝a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L)，

x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L)，

依据下式更新黄金分割点，并循环计算更新后的黄金分割点的裂纹检验统计量的值，直到a_i，R-a_i，L≤ε为止，ε为预设值：当y₁≥y₂时，a_i，R＝x₂；x₂＝x₁；y₂＝y₁；x₁＝a_i，L+0.382(a_i，R-a_i，L)；

当y₁＜y₂时，设置a_i，L＝x₁；x₁＝x₂；y₁＝y₂；x₂＝a_i，L+0.618(a_i，R-a_i，L)；

确定当前计算的平移量因子b_q对应的最优尺度因子为x₁或x₂，当前计算的平移量因子b_q对应的最大裂纹检验统计量为y₁或y₂。

7.根据权利要求6所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述对每个通道中的多个平移量因子，根据所述小波变换系数分别计算在尺度因子范围内的最大裂纹检验统计量，还包括：

当当前计算的平移量因子b_q对应的最大裂纹检验统计量大于检验阈值时，对当前通道的下一平移量因子b_q+1，设置搜索边界初始值a_i，L＝max{a₁，a_q-δ}；a_i，R＝min{a_max1，a_q+δ}，其中，δ为搜索域的调节量；

当当前计算的平移量因子b_q对应的最大裂纹检验统计量小于或等于检验阈值时，对当前通道的下一平移量因子b_q+1，设置搜索边界初始值a_i，L＝a₁；a_i，R＝a_max1。

8.根据权利要求1所述的裂纹检测方法，其特征在于，所述检验阈值为：

其中，dj为采样步长，σ_i，k为第i个检测原理在第k通道的背景噪声标准差，i∈[1，N]，N为大于或等于2的自然数，k∈[1，m]，m为大于或等于1的自然数，Q^-1(·)为标准正态分布的互补累积分布函数的逆函数，P_FA为虚警概率；

确定的所述最优裂纹检验统计量对应的裂纹位置为[b_best-Δ*a_best，b_best+Δ*a_best]，b_best为所述最优裂纹检验统计量对应的平移量因子，a_best为所述最优裂纹检验统计量对应的尺度因子。

9.一种裂纹检测装置，其特征在于，包括检测裂纹响应信号的传感器，存储指令的存储器；和连接至所述存储器的处理器，所述处理器可以执行基于存储在所述存储器中的指令，执行如权利要求1至8中任一项所述的基于数据融合的裂纹检测方法的步骤。

10.一种裂纹检测装置中的存储介质，其特征在于，其上存储有裂纹检测程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的基于数据融合的裂纹检测方法。

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