一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法与流程

本发明属于超声无损检测领域，尤其是公开了一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法。

背景技术：

超声导波具有在管类结构中传播距离远、衰减小、且声场覆盖整个壁厚等优点，特别适用于对管道进行长距离、大范围及全结构检测。低频段轴对称纵向模态l(0,2)或扭转模态t(0,1)由于沿管道圆周方向能量分布均匀，便于缺陷回波信号的分析和处理，是目前常规超声导波检测技术主要采用的检测模态。由于轴对称模态沿管道圆周方向能量分布均匀，缺陷反射回波能量与其截面损失有直接关系，当截面损失大时，缺陷反射回波的能量大，而当截面损失小时，缺陷反射回波能量小。在实际工程检测中，一条管道中可能同时存在多个缺陷，而对于截面损失率较小的多个缺陷，当采用l(0,2)或t(0,1)模态作为检测模态时其反射回波的能量会很小，在时程曲线上可能淹没于噪声之中，从而导致缺陷的漏检。

专利号为201010610991.7，发明名称为《一种基于超声导波聚焦的管道缺陷检测方法和系统》的专利通过反复调整导波相控阵各通道激励信号的幅值系数与延迟时间，以改变超声导波能量聚焦点在管道中的位置，在不同位置进行多次检测，发现缺陷。但不同于常规体波超声相控阵的是，导波相控阵各通道的延迟时间和幅值系数是管道几何尺寸、待聚焦点、激励源尺寸和激励信号频率等的非线性函数。采用该方法进行管中导波检测时，首先需要建立精确的管道检测模型，计算出在待聚焦点轴线位置特定弯曲模态导波的能量分布规律，或者通过激发换能器阵列的单个阵元，并在待聚焦点轴线位置沿管道圆周方向均匀安装阵元数足够的换能器阵列，实验测出弯曲模态导波能量在待聚焦点所在圆周方向的分布规律；并结合解卷积算法求出为将导波能量聚焦在待聚焦点时各通道幅值系数和延迟时间。再者，采用这种聚焦方式只能实现导波模态的控制，即只能将特定弯曲模态导波聚焦在管道中某个预定的位置，而不能实现超声导波能量在缺陷位置的自动聚焦，因此，该方法对整条管道缺陷的检测过程只能采取逐点聚焦扫描方式，仅仅当缺陷恰好位于所调节的导波能量聚焦点时，才能得到有效的检测结果。总之，该方法不仅对各聚焦点幅值系数和延迟时间的获取过程较为复杂，而且对管中不同目标位置的聚焦检测导致大量时间浪费在对很多不存在缺陷部位的聚焦扫描检测。

申请号为cn200610144294.0，发明名称为《管道缺陷的超声导波时间反转检测装置及方法》中公开了一种采用相同时间起点和相同宽度矩形窗获取各通道反转激励信号的方法，实现了导波能量在缺陷位置的时间-空间聚焦，显著提高了对单个小缺陷的检测能力。但该方法在每次检测时矩形窗的宽度都被设定为固定值，当矩形窗较宽并包含激励波包与第一次端面回波之间的信息时，对于包含多个缺陷的较长管道，会使得多个缺陷波包叠加，导致缺陷的漏检；当矩形窗较窄时，需要能从常规超声导波检测结果中预先判断出缺陷的大致位置，以确保矩形窗中包含缺陷某个模态反射回波的完整信息，而在实际工程应用中，管中所包含的微小缺陷信息常淹没于噪声之中，难以提取。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，提供了一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法。本发明要解决的技术问题是在对管中待检区域进行分段自聚焦检测时，如何控制阵列中各通道激励信号的波形，只将超声导波自聚焦在待检区域的某段区间内的缺陷位置，而不将其聚焦在管道其它位置，即该方法不仅要能实现超声导波的模态控制，而且还要能实现超声导波在该区间内缺陷位置的自聚焦。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：通过将管道沿长度方向划分为n（n>2）段区间，并将其对应到m（m>16）个阵元同时激励和m个阵元同时接收的常规导波检测方式检测到的时程曲线上，将n段区间中m个阵元接收的波形数据点归一化并逆序排列后合成为对应阵元的激励信号，依据声互易定理，当某段区间激励波形中包含缺陷波包信息时，各阵元发射的激励波形将会重新返回缺陷位置，从而实现超声导波向该区间内缺陷位置的自聚焦，当某段区间没有缺陷时，各阵元发射激励波形时不存在自聚焦现象，从而可依据所有阵元接收信号叠加结果的信噪比是否优于常规超声导波检测结果来判断某段区间是否存在缺陷。针对信噪比优于常规超声导波检测结果的某段区间的自聚焦检测信号，可对该检测信号进行分析，以确定该段区间内缺陷的具体位置。该方法主要包括以下步骤：

（1）采用相同幅值的时域较短频率窄带脉冲信号同时激励沿管道端部圆周方向等间隔分布的m个换能器阵元，并在激励信号发射的起始时刻触发启动各接收通道分别开始接收各阵元检测到的回波信号，将各通道接收到信号进行叠加以得到常规超声导波检测结果。

（2）将管道在长度方向的待检区域分成n段区间。考虑检测仪器发射激励信号的时间及换能器近场区域的影响，舍弃对距激励端面激励信号时域宽度减去激励信号波包峰值时刻的一半乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度所对应距离内区域的自聚焦检测，并将该区域截止点作为待检区域的起点。考虑端面回波的影响，将待检区域的截止点设定为距离管道另一端面激励信号时域宽度加上激励信号波包峰值时刻乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度所对应长度一半的位置处。从待检区域的起点开始，以常规导波检测时采用的激励信号时长的倍乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度所应长度将待检区域进行划分，其中为大于1的整数，最后一段区间无论长度小于或等于其它区间均单独作为一段区间。将所划分的区间对应到常规超声导波检测的时程曲线上，其中第1段区间至第n-1段区间长度相等，第n区间的长度小于或等于其它区间的长度。

（3）分别提取常规超声导波检测时程曲线上从第1段区间开始至第n段区间各接收通道接收到的波形数据点，得到m×n个波形数据点向量，以所有波形数据点的最大值对各向量进行归一化处理，并将归一化后的m×n个向量均进行逆序排列。

（4）将第1段区间所对应的m个逆序排列向量中的数据点合成为m个激励信号分别同时激励各自对应的阵元，并在激励信号发射的起始时刻触发启动各接收通道分别开始接收各阵元检测到的回波信号，将各接收通道接收到的信号进行叠加作为对第1段区间自聚焦检测的结果；同理，分别得到2~n段区间的自聚焦检测结果。

（5）对第1段至第n段区间的自聚焦检测结果进行分析，当某段区间自聚焦检测结果的信噪比优于常规超声导波检测结果时，可认为该区间内存在缺陷，通过对该区间自聚焦检测结果进行分析，可确定缺陷的具体位置；否则，可判定该段区间内不存在缺陷。

本发明与现有技术相比有以下有益效果：

1.自动聚焦，计算简单。与现有技术相比，本发明实现了只将超声导波自动聚焦在某段区间内的缺陷位置，既避免了计算各通道延迟参数的复杂过程，又减少了对管中不存在缺陷部位的逐点聚焦扫描检测过程。

2.分段检测，检测能力高。与现有技术相比，本发明既可避免管道中多个缺陷波包叠加而造成的漏检，又可克服需要预先判知淹没于噪声之中的小缺陷反射回波波包大致位置的缺点，对于长度较长且存在多处缺陷的管道，本发明可显著提高对管中多个小缺陷的检测能力。

附图说明

图1是一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法流程图；

图2是本发明的常规超声导波检测及分段自聚焦检测数据获取过程示意图；

图3是含有双缺陷管道1的常规超声导波检测及采用本发明分段自聚焦检测结果；其中：（a）常规超声导波检测结果；（b）第1区间自聚焦检测结果；（c）第2区间自聚焦检测结果；（d）第3区间自聚焦检测结果；（e）第4区间自聚焦检测结果；（f）第5区间自聚焦检测结果；

图4是含双缺陷管道2常规超声导波检测及采用本发明分段自聚焦检测结果，其中第1个缺陷恰好位于第2、3区间交界处：（a）常规超声导波检测结果；（b）第1区间自聚焦检测结果；（c）第2区间自聚焦检测结果；（d）第3区间自聚焦检测结果；（e）第4区间自聚焦检测结果；（f）第5区间自聚焦检测结果；

图5是含三缺陷管道3常规超声导波检测及采用本发明分段自聚焦检测结果：（a）常规超声导波检测结果；（b）第1区间自聚焦检测结果；（c）第2区间自聚焦检测结果；（d）第3区间自聚焦检测结果；（e）第4区间自聚焦检测结果；（f）第5区间自聚焦检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法流程图，在该方法的具体实施过程中可按照图1所示流程逐步进行。

如图2是本发明的常规超声导波检测及分段自聚焦检测数据获取过程示意图。下面结合图2介绍各段区间自聚焦检测时激励信号的获取方法及对第i(1≤i≤n)段区间进行自聚焦检测的过程。在常规超声导波检测时，为激发出低阶轴对称模态，驱动阵列1中换能器阵元1~m的信号v1(t)~vm(t)需同时加载相同的时域较短频率窄带的激励信号，阵列2中换能器阵元1~m分别同时接收多个缺陷及端面的反射回波信号，阵列2中换能器阵元1~m对应的接收信号分别可表示为r1(t)~rm(t)，阵列2中所有换能器阵元接收信号的叠加结果即为常规超声导波检测结果。各段区间自聚焦检测时激励信号的获取方法：分别提取各接收通道时程曲线上从第1段开始至第n段区间的接收波形数据点，得到m×n个波形数据点向量，以波形数据点的最大值对各向量进行归一化处理，对应于第i(1≤i≤n)区间，1~m通道接收的归一化后波形数据点表示为wi1(t)~wim(t)。对第i(1≤i≤n)段区间进行自聚焦检测的过程：将第i(1≤i≤n)区间上1~m接收通道的归一化后波形数据点wi1(t)~wim(t)进行逆序排列之后可得到vi1(t)~vim(t)，采用vi1(t)~vim(t)中的波形数据点分别同时激励阵列2中的1~m个阵元，阵列1中的1~m个阵元接收信号可表示为ri1(t)~rim(t)，所有接收信号叠加结果即为第i(1≤i≤n)段区间自聚焦检测结果。

实施例1：钢管管道1，材料密度为，弹性模量为，泊松比为0.286543。管道长为2.1m，外径为70mm，内径为63mm。在距管道端面一1的0.7m、1.5m处分别开有两个相同大小的通透裂纹，裂纹宽度为2mm，沿圆周方向扩展角为8º。其具体检测步骤为：

（1）采用中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波作为常规导波检测的激励信号，将其加载在管道端面沿圆周方向均匀分布的48个阵元上，提取距管道端面一1轴向距离2.5mm、周向角度相同的48个阵列节点上的信息作为回波信号，将48个阵列节点接收到的回波信号叠加后的作为常规超声导波检测结果，检测结果如图3(a)所示。

（2）将管道1待检区域沿长度方向划分为5个待检区间，各待检区间在时程曲线上对应的位置如图3(a)中竖虚线所划分的区间。由于中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波激励信号时域宽度为30us,且激励信号的峰值时间出现在13us，对于壁厚3.5mm钢管l(0,2)模态导波在100khz时的群速度为5.33mm/us，考虑检测仪器发射激励信号的时间及换能器近场区域的影响，舍弃距管道端面一1长度为125.3mm范围内区域的自聚焦检测，并将该区域截止点作为待检区域的起点。考虑端面回波的影响，将待检区域的截止点设定为距端面二2长度为114.6mm处。从待检区域起始点开始以l(0,2)模态导波波包在激励信号时域宽度时间内所传播距离的2.5倍进行划分，得到长度均为400mm的4个区间，在第4个区间截止点至待检区域截止点之间还存在一段长度为260mm区间，将该区间作为第5区间。由于计算缺陷或端面位置时，均以缺陷或端面回波波包峰值时刻减去激励信号波包峰值时刻的时间差乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度来计算缺陷或端面位置，因此，在将1~5段区间的起、止点对应到时程曲线上时，需将各区间起、止点距端面一1的距离除以l(0,2)模态导波在100khz时的群速度后，再加上激励信号波包峰值对应的时刻作为时程曲线上各区间的起、止点。

（3）从48个阵列节点常规导波检测的时程曲线中，分别提取第1~5段区间所对应的48×5个波形数据点向量，将其以最大值归一化后分别进行逆序排列。

（4）将第1段区间对应的逆序排列的48个波形数据点分别激励对应的阵元，并同步采集阵列2阵元上的数据进行叠加，作为第1段区间的自聚焦检测结果，如图3(b)所示。采用相同的方法，分别得到第2段、第3段、第4段、第5段区间的自聚焦检测结果，分别如图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)所示。

（5）从检测分析可知，第2和4区域自聚焦检测结果的信噪比优于常规超声导波检测结果，而第1、3和5区间自聚焦检测结果的信噪比低于常规超声导波检测结果，由此判断2区间和第4区间存在缺陷。根据图3(c)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波在100khz时的群速度，可计算出该区间内缺陷位置距管道端面一1为699.56mm，端面二2位置距管道端面一1为2093.36m，与实际位置误差为0.06%、0.32%。从而可知，当对第2区间进行自聚焦检测时，能精确检测出位于该区间内的缺陷位置和端面位置。根据图3(e)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波在100khz时的群速度，可计算出该区间内缺陷位置距管道端面一1为1493.73mm，端面二2位置距管道端面一1为2092.03m，与实际位置误差为0.42%、0.38%。从而可知，当对第4区间进行自聚焦检测时，能精确的检测出位于该区间内的缺陷位置和端面位置。

实施例2：钢管管道2，材料密度为，弹性模量为，泊松比为0.286543。管道长为2.1m，外径为70mm，内径为63mm。在距管道端面一1的0.925m、1.5m处分别开有两个相同大小的通透裂纹，裂纹宽度为2mm，沿圆周方向扩展角为8º。

（1）采用中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波作为常规导波检测的激励信号，将其加载在管道端面一1沿圆周方向均匀分布的48个阵元，提取距端面一1轴向距离2.5mm、周向角度相同的48个阵元的信息作为回波信号，将48个阵列节点接收的回波信号叠加后作为常规超声导波检测结果，如图4(a)所示。

（2）将管道1待检区域沿长度方向划分为5个待检区间，各待检区间在时程曲线上对应的位置如图4(a)中竖虚线所示。由于中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波激励信号时域宽度为30us,且激励信号的峰值时间出现在13us，对于壁厚3.5mm钢管l(0,2)模态导波在100khz时的群速度为5.33mm/us，考虑检测仪器发射激励信号的时间及换能器近场区域的影响，舍弃距管道端面一1长度为125.3mm范围内区域的自聚焦检测，并将该区域截止点作为待检区域的起点。考虑端面回波的影响，将待检区域的截止点设定为距端面二2长度为114.6mm处。从待检区域起始点开始以l(0,2)模态导波波包在激励信号时域宽度时间内所传播距离的2.5倍进行划分，得到长度均为400mm的4个区间，在第4个区间的截止点至待检区域的截止点之间还存在一段长度为260mm区间，将该区间作为第5区间。由于计算缺陷或端面位置时，均以缺陷或端面回波波包峰值时刻减去激励信号波包峰值时刻的时间差乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度来计算缺陷或端面位置，因此，在将1~5段区间的起、止点对应到时程曲线上时，需将各区间起、止点距端面一1的距离除以l(0,2)模态导波在100khz时的群速度后，再加上激励信号波包峰值对应的时刻作为时程曲线上各区间的起、止点。

（3）从48个节点常规导波检测的时程曲线中，分别提取第1~5段区域所对应的48×5个波形数据点向量，将其按最大值归一化后分别进行逆序排列。

（4）将第1段区间对应的逆序排列的48个波形数据点分别激励对应的阵元，并同步采集阵列2阵元上的数据进行叠加，作为第1段区间的自聚焦检测结果，如图4(b)所示。采用相同的方法，分别得到第2段、第3段、第4段、第5段区间的自聚焦检测结果，分别如图4(c)、图4(d)、图4(e)、图4(f)所示。

（5）从检测分析可知，第3和4区间自聚焦检测结果的信噪比优于常规导波检测，而第1、2和5区间自聚焦检测结果的信噪比低于常规导波检测，由此判断第3和4区间存在缺陷。根据图4(c)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波的群速度，可计算出该区间内缺陷距管道端面一1为928.75mm，端面二2距管道端面一1为2092.03mm，与实际误差0.41%、0.38%。从而可知，当对第3区间自聚焦检测时，由于第3区间包含了前一缺陷反射波包的l(0,2)模态后半段部分及与l(0,2)模态速度相近的高阶弯曲模态信息，在自聚焦检测时有较大能量的导波能自动聚焦至缺陷位置，可较精确的检测出位于该区间和前一区间边界位置处缺陷和端面二2的位置。根据图4(e)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波的群速度，可计算出该区间内缺陷距管道端面一1为1496.4mm，端面二2距管道端面一1为2090.69mm，与实际误差0.24%、0.44%。从而可知，当对第4区间进行自聚焦检测时，能精确的检测出位于该区间内的缺陷和端面位置。

实施例3：钢管管道3，材料密度为，弹性模量为，泊松比为0.286543。管道长为2.1m，外径为70mm，内径为63mm。在距管道端面一1的0.6m、1.1m处、1.5m分别开有三个直径分别为2mm、2.5mm、3mm通孔。

（1）采用中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波作为常规导波检测的激励信号，将其加载在管道端面一1沿圆周方向均匀分布的48个阵列节点上，提取与端面一1轴向距离2.5mm、周向角度相同的48个阵列节点上的信息作为回波信号，将48个阵列节点接收的回波信号叠加后作为常规超声导波检测结果，如图5(a)所示。

（2）将管道1待检区域沿长度方向划分为5个待检区间，各待检区间在时程曲线上对应的位置如图5(a)中竖虚线所示。由于中心频率为100khz的3周期加汉宁窗调制正弦波激励信号时域宽度为30us,且激励信号的峰值时间出现在13us，对于壁厚3.5mm的钢管l(0,2)模态导波在100khz时的群速度为5.33mm/us，考虑检测仪器发射激励信号的时间及换能器近场区域的影响，舍弃距管道端面一1长度为125.3mm范围内区域的自聚焦检测，并将该区域截止点作为待检区域的起点。考虑端面回波的影响，将待检区域的截止点设定为距端面二2长度为114.6mm处。从待检区域起始点开始以l(0,2)模态导波波包在激励信号时域宽度时间内所传播距离的2.5倍进行划分，得到长度均为400mm的4个区间，在第4个区间的截止点至待检区域的截止点之间还存在一段长度为260mm区间，将该区间作为第5区间。由于计算缺陷或端面位置时，均以缺陷或端面回波波包峰值时刻减去激励信号波包峰值时刻的时间差乘以检测模态在激励信号中心频率处的群速度来计算缺陷或端面位置，因此，在将1~5段区间的起、止点对应到时程曲线上时，需将各区间起、止点距端面一1的距离除以l(0,2)模态导波在100khz时的群速度后，再加上激励信号波包峰值对应的时刻作为时程曲线上各区间的起、止点。

（3）从48个阵列节点常规导波检测的时程曲线中，分别提取第1~5段区域所对应的48×5个波形数据点向量，将其按最大值归一化后分别进行逆序排列。

（4）将第1段区间对应的逆序排列的48个波形数据点分别激励对应的阵元，并将同步采集接收阵列节点上的数据进行叠加，作为第1段区间自聚焦检测的结果，如图5(b)所示。采用相同的方法，分别得到第2段、第3段、第4段、第5段区间的自聚焦结果，分别如图5(c)、图5(d)、图5(e)、图5(f)所示。

（5）从检测分析可知，第2、3和4区间自聚焦检测结果的信噪比优于常规导波检测结果，而第1和5区间自聚焦检测结果的信噪比低于常规导波检测结果，由此判断第2、3和4区间存在缺陷。根据图5(c)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波的群速度，可计算出该区间内缺陷距管道端面一1为601.44mm，端面二2距管道端面一1为2097mm，与实际误差0.24%、0.14%。从而可知，当对第2区间进行自聚焦检测时，能精确的检测出位于该区间内的缺陷位置和端面二2位置。根据图5(d)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波的群速度，可计算出缺陷距管道端面一1为1098.17mm，端面二2距管道端面一1为2097mm，与实际误差0.17%、0.14%。从而可知，当对第3区间进行自聚焦检测时，能精确的检测出位于该区间内的缺陷位置和端面位置。根据图5(e)中波包的传播时间及l(0,2)模态导波的群速度，可计算出该区间内缺陷距管道端面一1为1498.23mm，端面二2距管道端面一1为2095.64mm，与实际误差0.12%、0.21%。从而可知，当对第4区间进行自聚焦检测时，能精确的检测出位于该区间内的缺陷位置和端面位置。

综上所述，本发明的一种用于管道多缺陷检测的超声导波分段自聚焦检测方法采用的技术方案是将管道待检区域沿长度方向划分成多个区间，分别将各区间对应的回波信号进行全局归一化并逆序排列后作为各阵元的激励信号，实现将超声导波自聚焦在该区间内的缺陷位置。该方法可实现一次检测即对管道内一段区间内的缺陷进行自聚焦检测，避免了逐点聚焦扫查的缺点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。