一种基于管道轴向局域扫描的超声导波长距离检测方法

1.本发明涉及超声导波无损检测技术领域，具体涉及一种基于管道轴向局域扫 描的超声导波长距离检测方法，可实现对于长距离管道导波检测信号的模态提纯、 降噪和回波区分。


背景技术：

2.管道结构被大量应用于如石油化工、电力能源等各重要工业领域，在长期服 役过程中，受到热应力、流体冲刷等作用，管壁易发生腐蚀和裂纹等各类缺陷， 为避免此类缺陷引发管道开裂、泄漏等问题，对其定期进行高效的无损检测十分 具有必要性。超声导波无损检测技术利用了导波会沿着薄壁、薄壳、管道等波导 结构的延伸方向上能够长距离、大范围传播的特点，通过单点检测即可实现对于 波导结构内全域含有的体积型缺陷的检测。超声导波检测技术具有检测范围大、 检测效率高、检测可达性好等优势，于近些年已在长距离管道检测中被广泛应用。
3.长距离管道在超声导波可检范围内除了潜在的待检缺陷，还存在大量的焊缝、 支撑物及卡件、支管及端口、大曲率弯曲段等干扰因素，均会影响导波在传播过 程中的反射回波、传播方向、频散和模态转换等特性。这些因素导致超声导波时 域信号存在大量不明机理的多模态回波信号，使得对于长距离管道的缺陷识别和 定位非常困难，传统的单点导波检测方法和信号处理方法均具有一定的局限性。 而如激光超声、电磁超声等非接触式超声检测技术日渐发展和成熟，为超声导波 检测方法和技术实现提供了更多的可行性，最为显著的优势就是易于实现高效检 测和自动化扫描。由于扫描检测可为导波检测提供更多的空域信号特征，因此基 于扫描的导波检测方法为突破单点检测的瓶颈提供了可能。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种基于管道轴向局域扫描的超声导波长距离检测方 法，可实现对于长距离管道导波检测信号的模态提纯、降噪和回波区分。
5.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于管道轴向局域扫描的超声导波长距离检测方法，包括以下步骤：
7.s1.将超声导波探头安装于管道扫描区域，设定扫描间距为δx、扫描总长度 为l，沿管道轴向移动超声导波探头进行一维扫描检测；
8.s2.一维扫描获得各测点的导波时域信号s1(t)、s2(t)
……
sn(t)，依序组成二维 信号数据矩阵s(t,x)；
9.s3.对二维信号数据矩阵s(t,x)进行二维傅里叶变换，得到频率—波数域二维 信号矩阵u(f,k)；
10.s4.将超声导波探头所激励导波模态中的单一模态选取为用于检测的目标模 态，基于目标模态的频率、频带宽度、波数和波数带宽度构造二维窄频带、窄波 数带滤波器w(f,k)，对二维信号矩阵u(f,k)进行二维滤波处理，滤去干扰方向、 干扰模态和噪声信号成
分，得到滤波后的频率—波数域二维信号矩阵uw(f,k)， 即uw(f,k)＝u(f,k)
·
w(f,k)；
11.s5.对二维信号矩阵uw(f,k)进行二维反傅里叶变换，得到滤波后的二维信号 数据矩阵sw(t,x)；
12.s6.从二维信号数据矩阵sw(t,x)中分离出各测点的导波时域信号，通过延时 叠加运算得到最终导波时域信号sw(t)。
13.s6中所述的延时叠加运算按照以下关系式运算：
[0014][0015]
所述步骤s1中，超声导波探头可以安装于管道近端部或管道中部，超声导 波探头检测模式可为一发一收的双探头模式或自发自收的单探头模式；当扫描探 头为一发一收双探头模式的其中一个探头时，扫描间距δx须小于1/2的导波波长； 当扫描探头为自发自收探头或同时移动一发一收双探头时，扫描间距δx须小于 1/4的导波波长。
[0016]
较于现有的管道导波的探头单点检测，本发明的创新点在于：采用导波探头 沿管道轴向扫描获取大量的不同测点检测信号数据，并由基于频率—波数域的信 号处理对信号进行窄带滤波和模态提取。本发明较于现有技术的优点是：本发明 提出的检测方法可有效大幅度提高检测信号信噪比、剔除干扰模态的影响、降低 长距离导波传输的频散影响等优点，进而提高对于长距离管道缺陷的检测灵敏度。
附图说明
[0017]
图1为本发明涉及的管道导波探头扫描检测示意图。
[0018]
图2为本发明具体实施步骤流程图。
[0019]
图3为本发明涉及的信号处理过程示意图。
[0020]
图4(a)为本发明实施例中的导波探头单点检测信号图，图4(b)为探头扫描导 波二维信号图。
[0021]
图5(a)为本发明实施例中的滤波前频率—波数域信号图，图5(b)为滤波后仅 含目标模态的频率—波数域信号图。
[0022]
图6(a)为本发明实施例中的滤波后扫描二维信号图，图6(b)为最终延时叠加 信号。
具体实施方式
[0023]
下面结合本发明具体实施例及相应附图，对本发明技术方案进一步地详细说 明和描述。所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，并不是全部实施例。本领 域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均属于本发 明保护的范围。
[0024]
实施例步骤如图2所示，详细说明如下：
[0025]
s1.如图1所示，将非接触超声导波探头包覆于扫描区域，沿管道轴向移动 探头进行扫描检测，设定扫描间距为δx＝2mm、扫描总长度为l＝200mm。探头 检测模式为自激自检的单探头模式。激励信号为正弦型4周期串脉冲，激励频率 260khz，根据频散曲线计算得到波数为50rad/m，扫描间距δx小于1/4的导波 波长；
[0026]
后续信号处理过程如图3所示：
[0027]
s2.扫描获得各测点的导波时域信号s1(t)、s2(t)
……
sn(t)，依序组成二维信号 数据矩阵s(t,x)，如图4(a)所示。单点检测信号存在缺陷、端面和干扰模态回波， 得到扫描二维信号图，如图4(b)所示，其中各个回波以直线形式出现，且缺陷回 波幅值相对较小而难以被区分；
[0028]
s3.对二维信号数据矩阵s(t,x)进行二维傅里叶变换处理，得到频率—波数域 二维信号矩阵u(f,k)，如图5(a)所示。其中两种不同的模态在频率—波数域中被 分离；
[0029]
s4.将探头所激励导波模态中的单一模态选取为用于检测的目标模态，基于 目标模态的频率、频带宽度、波数和波数带宽度构造二维窄频带、窄波数带滤波 器w(f,k)，对二维信号矩阵u(f,k)进行二维滤波处理，滤去干扰方向、干扰模态 和噪声信号成分，得到滤波后的频率—波数域二维信号矩阵uw(f,k)，如图5(b) 所示。实施例中构造了二维高斯型滤波器w(f,k)，采用以下关系式：
[0030][0031]
其中k0表示探头所激发l(0,2)导波模态的中心波数，实施例中设定为50 rad/m；f0表示目标模态的中心频率，实施例中设定为260khz；c
p
表示导波相速 度，实施例中设定为5373m/s；σk表示目标模态的半波数带宽度，实施例中设定 为2rad/m；σf表示目标模态的半频率带宽度，实施例中设定为40khz；n表示高 斯型滤波阶数，实施例中设定为2。滤波后的频率—波数域信号图如图5(b)所示， 仅有目标模态被保留；
[0032]
s5.对二维信号矩阵uw(f,k)进行二维反傅里叶变换处理，得到滤波后的二维 信号数据矩阵sw(t,x)，如图6(a)所示。其中仅剩同侧单个缺陷回波和端面回波产 生的直线；
[0033]
s6.从二维信号数据矩阵sw(t,x)中分离出各测点的导波时域信号，通过延时 叠加运算得到最终导波时域信号sw(t)，其中延时叠加按照以下关系式运算：
[0034][0035]
其中i表示扫描点编号，δti表示补偿延时。最终结果信号如图6(b)所示，仅 剩缺陷回波和同侧边界回波被保留。最终信号结果中缺陷回波幅值明显，干扰模 态被去除，且信号噪声水平减小。
[0036]
由于本发明涉及主要以管道超声导波探头轴向扫描模式获取多测点数据，为 保证检测效率，这就要求实施例中所采用管道超声导波探头在管道表面具有较好 的可移动性。因此与传统施加固态或液态耦合剂的管道超声导波探头相比，本发 明实施例中采用如空气耦合式探头、电磁超声探头等非接触式探头，则会使得实 施例具有更高的检测效率。
[0037]
以上所述仅为本发明的其中一个实施例，不用于限制本发明。本领域技术人 员没有做出创造性劳动前提下，更改其中所涉及的任何参数或数据可获得的其他 实施例。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换和改进，均应包 含在本发明的权利要求范围之内。