一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控系统的制作方法

本发明涉及海底管道无损检测，具体涉及一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控系统及方法，属于测量实际的或复数的电阻、电抗、阻抗等电参量的测量技术、压电材料特性测量技术、超声波无损检测技术以及位置反馈控制技术相互交叉的，可应用于油气储运无损检测、海洋工程装备制造以及智能仪器仪表与传感网络等行业。

背景技术：

1、海底管道是海上油气田油气外输的重要通道，被称为海上油气田的生命线，管道内检测器搭载超声波探头阵列沿管道内壁自主行走，是在不停产状态下检测管道内壁腐蚀和裂纹缺陷的有效手段，超声检测需要依赖耦合介质将声波有效传递至管壁，而海底管道运行环境复杂，管内存在结蜡、多相流、脱落碎屑，且管道经过长距离运行后包含大量弯头、三通和局部变形区段。

2、压电陶瓷作为超声探头的核心敏感元件，具备机电耦合双向效应：一方面能够将电激励信号转换为机械振动向外辐射声波，另一方面外部机械负载即耦合介质的声阻抗变化会反作用于压电振子，改变其电学端口的阻抗特性，该机电耦合关系已在压电物理学中通过等效电路模型得到论证，此外，直接数字频率合成技术、锁相解调技术、高速信号处理技术以及惯性姿态测量技术均已在工业检测领域获得应用，为相关硬件平台的实现提供了基础。

3、目前工业界普遍采用的海底管道超声内检测器结构为：检测器本体呈圆柱形，两端布置皮碗或弹簧支撑轮以实现被动定心，本体中部环向均匀布置若干组超声波探头，探头通过弹性支撑臂或浮动支架压紧于管壁内侧，探头背部连接超声脉冲发射接收电路，采集到的回波信号经模数转换后存储于机载存储模块，检测完成后统一回收数据进行离线分析，其检测过程通常为：超声探头周期性发射脉冲声波信号并耦合入管壁，接收管壁内外表面反射回波及可能存在的多次反射回波，通过计算发射与接收之间的多重回波时间差并结合已知声速估算管壁厚度及耦合层厚度，将计算得到的厚度数据与预设阈值比较判定是否存在腐蚀或裂纹缺陷，检测器依靠皮碗或弹簧轮的被动弹性力维持本体在管道中心线附近运动，不具备主动姿态调节能力。

4、上述现有技术存在以下不足：其一，当探头表面附着蜡块或经过气液混相段时，耦合劣化会导致超声回波急剧衰减，而现有系统仅依赖声波多重回波时差这一单一声学维度进行判断，缺乏对耦合介质本身物理状态的独立测量手段，无法区分该衰减是由管道真实缺陷引起还是由耦合介质劣化引起，导致数据分析容易出现误判，其二，传统检测器依靠皮碗或弹簧轮的被动机械力维持在管道中心，该被动支撑结构只能对已经发生的位移产生反作用力，属于事后响应，在高速、高压及经过焊缝或变径部位时，检测器容易发生剧烈震颤和倾斜，导致探头声束无法垂直射入管壁，造成回波丢失，其三，现有管内检测设备大多为开环系统，缺乏将电学特征、声学特征与姿态特征三类异构数据进行融合处理的机制，各传感信息彼此孤立，无法形成对检测器整体运动与耦合状态的联合判断与主动决策能力，即使感知到姿态偏离也无法提前驱动纠偏机构动作。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有海底管道超声内检测系统无法区分超声回波信号衰减是由管道真实缺陷引起还是由探头与管壁间耦合介质劣化或检测器姿态偏斜引起，导致检测数据失真、漏检率与误报率较高；同时现有检测器姿态调整机构为被动式或滞后反馈式，无法在检测器发生剧烈姿态偏移之前提前介入纠偏，容易造成探头声束偏离管壁法线方向，进一步加剧耦合失效与检测精度下降。

2、本发明是这样实现的，一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控系统，包括检测器本体、环向布置于所述检测器本体的多组超声波探头单元、设置于所述检测器本体内部的姿态感知模块以及沿所述检测器本体周向分布的纠偏执行机构；所述系统还包括电-声一体化采集板卡，其与所述多组超声波探头单元连接，包括直接数字频率合成扫频激励模块、超声脉冲发射接收电路和锁相解调运算单元，所述直接数字频率合成扫频激励模块与所述超声脉冲发射接收电路通过时分复用方式共用同一探头端口，用于在超声波探头完成一次发射脉冲后至接收到有效回波信号之前的空闲时间窗口内向压电陶瓷探头注入宽频扫频激励信号，并对探头响应信号进行同步解调得到复阻抗谱数据；所述系统还包括中央边缘计算处理单元，其与所述电-声一体化采集板卡和所述姿态感知模块连接，包括耦合层反演算法模块、电-声-姿态解耦算法模块和前馈自适应纠偏控制算法模块，分别用于依据所述复阻抗谱数据反演耦合介质声阻抗和厚度、依据声阻抗偏差与姿态偏角对超声回波幅值中的耦合衰减分量和姿态衰减分量进行扣除以还原真实缺陷回波幅值、依据环向声学负载分布预测姿态偏移趋势并生成前馈控制量与反馈控制量叠加得到的控制指令；所述系统还包括驱动电路，用于依据所述控制指令驱动所述纠偏执行机构调节径向伸出长度。

3、本发明还提供与上述系统相对应的一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控方法。

4、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

5、通过在声学死区时隙内向压电探头注入宽频扫频微激励信号并提取复阻抗谱，结合等效电路模型对耦合介质声阻抗和厚度进行电学原位反演，无需增加额外传感器即可实现耦合状态的独立量化测量，使系统具备区分耦合衰减与真实缺陷衰减成因的能力，从而降低误判率，通过构建电-声-姿态三源数据的衰减补偿解耦模型，将耦合层声阻抗偏差量与探头姿态偏角作为解耦变量，从原始超声回波幅值中扣除耦合衰减分量与姿态衰减分量，提高检测数据的真实性与可靠性，通过利用环向布置探头阵列实时获取的周向声学负载分布数据对检测器姿态偏移趋势进行提前预判，构建前馈量与反馈量复合叠加的主动纠偏控制策略，能够在检测器发生严重偏心或震颤之前完成姿态纠偏动作，减少因姿态偏斜造成的回波丢失；其四，通过依据执行机构实际动作位移与预测偏移量的比对结果在线修正前馈增益系数，使纠偏系统具备随管道工况变化持续自我校准的能力。

1.一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控系统，包括检测器本体，所述检测器本体沿海底管道轴线布置；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦合层反演算法模块被配置为：将所述复阻抗谱数据代入压电探头等效电路模型进行拟合，求解动态电阻的估计值，所述等效电路模型包括静态电容支路和动态谐振支路，所述静态电容支路与所述动态谐振支路并联，所述动态谐振支路由动态电阻、动态电感和动态电容依次串联构成，所述动态电阻的取值受探头端面外部耦合介质声阻抗影响，依据出厂标定得到的动态电阻与声阻抗的映射关系，反演得到所述声阻抗值，依据所述复阻抗谱在预设频段内相位随频率变化的斜率，结合耦合介质声速数据，计算得到所述耦合层厚度值。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电-声-姿态解耦算法模块被配置为：获取所述声阻抗值相对于标定基线声阻抗值的偏差量，依据所述姿态数据与对应超声波探头单元在所述检测器本体上的安装角度，计算得到该超声波探头单元的声束方向与管壁法线之间的夹角，依据所述偏差量和所述夹角，按照预先标定的耦合衰减补偿系数和姿态衰减补偿系数，从原始超声回波幅值中扣除耦合衰减分量和姿态衰减分量，得到所述缺陷回波幅值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述前馈自适应纠偏控制算法模块被配置为：按照固定周期采集环向布置的全部超声波探头单元对应的声阻抗值，构建所述周向声学负载分布数据，计算所述周向声学负载分布数据沿检测器周向角度的梯度值，将梯度绝对值超过预设阈值的角度区间标记为受力失衡预警区间，结合管道历史流态数据中已知的弯头、变径和结垢分布信息，对所述受力失衡预警区间在未来若干个采样周期内的姿态偏移趋势进行预测，得到预测偏移量，依据所述预测偏移量对应的梯度值，计算得到所述前馈控制量。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述前馈自适应纠偏控制算法模块还用于获取所述纠偏执行机构动作后经位置传感器反馈的实际位移量，将所述实际位移量与所述预测偏移量进行比对，依据比对结果修正用于计算所述前馈控制量的前馈增益系数。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测器本体为圆柱形壳体，所述壳体中部环向开设多个安装槽位，每一所述安装槽位内安装一组探头浮动支架，所述探头浮动支架通过弹簧预紧压向管壁，所述超声波探头单元设置于所述探头浮动支架，所述纠偏执行机构包括支撑臂，所述支撑臂一端铰接于所述检测器本体，另一端与管道内表面接触，所述支撑臂内部设置有驱动机构，用于在所述控制指令作用下调节所述支撑臂的径向伸出长度。

7.一种海底管道内检测器姿态纠偏与超声波探头耦合状态实时监控方法，其特征在于，包括：在超声波探头完成一次发射脉冲后至接收到有效回波信号之前的空闲时间窗口内，向所述超声波探头注入宽频扫频激励信号，采集所述超声波探头的响应信号并进行同步解调，得到复阻抗谱数据，依据所述复阻抗谱数据反演得到探头端面耦合介质的声阻抗值和耦合层厚度值，获取检测器本体的姿态数据以及超声回波幅值，依据所述声阻抗值、所述姿态数据以及所述超声回波幅值，计算得到扣除耦合衰减分量和姿态衰减分量后的缺陷回波幅值，并依据所述缺陷回波幅值输出缺陷判定结果，获取环向布置的多组超声波探头单元对应的声阻抗值，构建周向声学负载分布数据，依据所述周向声学负载分布数据预测所述检测器本体的姿态偏移趋势，得到前馈控制量，依据所述检测器本体的实时姿态偏差得到反馈控制量，将所述前馈控制量与所述反馈控制量相加得到控制指令，依据所述控制指令驱动纠偏执行机构调节径向伸出长度，以调整所述检测器本体的姿态。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，依据所述复阻抗谱数据反演得到探头端面耦合介质的声阻抗值和耦合层厚度值，包括：将所述复阻抗谱数据代入压电探头等效电路模型进行拟合，求解动态电阻的估计值，依据出厂标定得到的动态电阻与声阻抗的映射关系，反演得到所述声阻抗值，依据所述复阻抗谱在预设频段内相位随频率变化的斜率，结合耦合介质声速数据，计算得到所述耦合层厚度值。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，计算得到扣除耦合衰减分量和姿态衰减分量后的缺陷回波幅值，包括：获取所述声阻抗值相对于标定基线声阻抗值的偏差量，依据所述姿态数据与对应超声波探头单元的安装角度，计算得到该超声波探头单元的声束方向与管壁法线之间的夹角，依据所述偏差量和所述夹角，按照预先标定的耦合衰减补偿系数和姿态衰减补偿系数，从原始超声回波幅值中扣除耦合衰减分量和姿态衰减分量。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：获取所述纠偏执行机构动作后的实际位移量，将所述实际位移量与预测偏移量进行比对，依据比对结果修正用于计算所述前馈控制量的前馈增益系数。