管道中导波信号多次来回反射的展开方法与流程

本发明涉及一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法，属于管道无损检测领域。

背景技术：

管道作为一种重要的传输策略，已被广泛用于石油、化工、天然气、热力管道等工业生产和生活领域。对在役管道进行定期检测和维护，尽早发现管道中存在的潜在风险，可以有效避免由于管道自身的腐蚀、断裂等问题所带来的危害，具有重要的社会意义和工程价值。由于导波的频散、多模态及检测中引入的噪声，将导致检测信号信噪比差，难以直接得出有用信号，找出对导波信号的行之有效的处理和分析方法将显得尤为重要。

相对于传统的超声波检测技术(检测范围小，在进行大范围和长距离检测时，效率低且成本高)，导波检测技术以其长距离、大范围和100％横截面检测的特点，目前正被广泛用于石化、热力、高温等领域的各类管材、棒材的无损检测(NDT，Non-Destructive Testing)和结构健康监测(SHM，Structural Health Monitoring)。然而，在实际管道进行导波检测时发现，虽然导波检测信号中含有被测构件的丰富信息(缺陷、几何长度等)，但由于检测信号在不同声阻抗结构(如焊缝、缺陷、凹槽、端面等)间的多次来回反射，以及由其带来的信号叠加，导波的频散与多模态、介质对导波传播的衰减及检测中引入的噪声等因素，导致所得导波检测信号信噪比差，难以判断有用信号，进而难以判断出所测对象的相关长度参数。同时分析得出导波在管道中的多次反射过程和路径，及在管道端面处波形结构上的变化，这对进一步深入理解波的传播过程具有重要意义。这种信号预处理方法，也为进一步对检测信号进行深入分析，得到关于缺陷、腐蚀、断裂等做了有益尝试。当前导波信号的处理方法中，从相位角度来进行研究的论文和应用还比较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种快速、可靠的管道中导波信号多次来回反射的展开方法，为对管道导波检测信号做进一步处理和分析，提供重要参考。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法，其特征包括如下步骤：

(1)利用导波检测设备对被测管道进行无损检测，所用导波激励信号初始相位设为θ_in，得到的导波检测信号设为y(t)；

(2)利用信号稀疏分解算法对所得导波检测信号y(t)进行稀疏分解，经过N次迭代分解得到N个匹配信号及其相位参数与时移参数{μ_i}_{i＝0,...,N-1}；

(3)根据端面处反射信号与入射信号的相位关系，在一定误差范围内，从所得的N个匹配信号中提取出满足相位关系的匹配信号，这些匹配信号即表征端面处的各次反射信号；

(4)结合匹配信号的时移参数{μ_i}_{i＝0,...,N-1}和导波传播速度，展开管道中信号的多次反射，并得到管道中导波检测信号的传播路径。

进一步的，所述导波传播速度由公式计算得到，式中，E、ρ和μ分别为所测管道的杨氏模量、材料密度和泊松比。

作为一种优选方案，步骤(1)所述导波采用基本扭转模态导波。

作为一种优选方案，步骤(1)所述导波激励信号为Gabor脉冲信号。

作为一种优选方案，步骤(2)所述信号稀疏分解算法为正交匹配追踪算法。

本发明由于采用了以上技术方案，具有如下的有益效果：

本发明针对管道超声导波无损检测中信号的多次反射问题，利用相位关系结合时移参数，为检测信号的分析和特征信息的提取提供了新的路径和研究视角，可以对低信噪比的检测信号进行分析，提高了利用导波检查管道的精确度和灵敏度，从而提高了的导波检查的范围和检测效率，具有重要的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法无损检测流程图；

图2为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法参数为f_c＝24kHz、θ＝π/2rad、μ＝11.1e-5和σ＝26.67e-6的Gabor脉冲激励信号示意图；

图3为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法管道仿真原理图；

图4为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法管道双端激励仿真矢量图；

图5为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法仿真所得管道导波检测信号；

图6为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法的提取的表征端面处多次反射的匹配信号；

图7为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法的重构的端面处多次反射信号；

图8为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法的稀疏分解的残差；

图9为本发明一种管道中导波信号多次来回反射的展开方法的仿真信号多次反射传播路径；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1和3所示，本实施例以具体的管道为例，对管道中导波信号的多次反射进行展开，实施过程如下：

1)激励信号选择。

这里选用具有良好时频局部特性的Gabor脉冲信号作为激励信号：

$g_{Gr}\left(t\right)={\exp }^{-{(t-\mathrm{\μ})}^2/2{\mathrm{\σ}}^2}cos\left(2{\mathrm{\πf}}_c\right(t-\mathrm{\μ})+\mathrm{\θ})$

式中σ、f_c和θ分别为脉冲宽度、中心频率和相位。图2所示为参数取：f_c＝24kHz、θ＝π/2rad、μ＝11.1e-5和σ＝26.67e-6的Gabor脉冲激励信号示意图。

2)利用三维仿真软件ABAQUS，按照表1参数建立得到管道的物理模型并数值仿真。

表1管道几何、物理参数

这里采用双端激励的方式，在管道两端施加载荷，并在距离管道端面1.5m处设为信号接收端，如原理图3所示。根据T(0,1)模态导波的波结构，对立柱端面所有节点施加θ方向的位移载荷，模拟T(0,1)模态导波对管道进行有限元仿真。图4为双端激励时的仿真矢量图。Gabor脉冲激励信号参数取：f_c＝24kHz、θ＝π/2rad、μ＝11.1e-5和σ＝26.67e-6，在管道的同一端施加载荷，得到的仿真波形如图5所示。

3)通过MATLAB编程实现的基于Gabor字典的正交匹配追踪算法，对上述仿真信号进行稀疏分解，经过N＝5次迭代之后，得到的匹配原子、重构信号和残差分别如图6、7和8所示。经过迭代，得到的匹配原子参数如表格2所示。

表2匹配追踪所得最佳原子参数

可以看出，在一定误差内，表格中各原子相位参数满足相位关系说明提取出各端面的多次反射信号。

4)为了得到多次反射传播路径，需要结合时移参数。管道中基本扭转模态T(0,1)波速的计算表达式为：

$v=\sqrt{E/2\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\μ})}$

式中，E为杨氏模量，ρ为材料密度，μ为泊松比。计算知，表1管道导波速度约为v＝3243m/s。则将各原子时移参数和波速带入公式d_i＝|u_i×v|，可得信号传播长度，结果如表3。

表3传播长度

在一定误差范围内，联系图3管道原理图，可得导波信号在管道中的多次反射传播路径如图9所示。该方法实现了管道中导波信号多次反射的展开。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。