大型储罐底板缺陷的兰姆波层析成像方法与流程

本发明属于超声波无损检测领域，具体地说，是一种适合非接触空气耦合换能器按圆孔距排列的兰姆波层析成像方法。

背景技术：

用来存储原油、燃气的大型储罐广泛应用于能源工业领域，国内石油、化工、港口等企业拥有大型储罐数量数以万计。储罐在长时间生产和使用过程中，受到介质、压力和温度等因素的影响，会出现不同程度的腐蚀、冲蚀、疲劳开裂甚至穿孔等缺陷，导致结构失效，甚至产生泄漏。储罐所储存的物料多为易燃、易爆、有毒品等物质，一旦泄露，会产生低温、燃烧爆炸、窒息和快速相变等危害，造成火灾、爆炸等事故，引起不可估量的经济损失和人员伤亡，严重危害生产安全，对周边的人群和财产也造成严重的威胁。因此，检测大型储罐存在于壁板中的各种缺陷，对储罐的运行状态的安全评估和进一步的维修指导具有重要的应用价值。

目前，对在役储罐检测主要采用例行检查、在线检测和开罐检测三种方式。例行检测是通过目视的方法，直观检查储罐是否由结构损坏；在线检测是指无需停产情况下进行的检测，主要采用超声检测方法和声发检测方法；开罐检测需要停用储罐、打开、倒料并置换清洗，检测人员进入罐中进行各中漏磁、超声、射线、磁粉和渗透检测检测。各种方法互为补充，预防缺陷引起的灾难性失效，保证储罐在役阶段生产运输过程的安全。在线检测方式中，声发射检测方法对于裂纹缺陷较为敏感，但该方法不适合对腐蚀缺陷的检测，因此需要超声导波无损检测方法来补充。

经对现有技术的文献检索发现，申请号为200810240571.7的发明专利申请公开适合钢质储罐底板的导波在线检测方法(公开日2010-06-30)，该方法虽然用滤波反投影算法对兰姆波数据采进行重建，但因采用平行投影数据方式，图像的重建质量受限于数据采集时间和设备成本。申请号为201410648212.0的发明专利申请公开基于动态小波指纹技术的储罐底板腐蚀非接触式超声检测方式，该方法虽然换能器与钢板没有直接接触，但耦合的方式实际上是水浸式，待检测的钢板必须浸入于水，易遭受腐蚀，对于大型储罐来说，在实际应用时是很难采取的检测方式。

本文针对以上不足，提出了利用等角距微分滤波反投影算法对换能器沿圆周等角距排列的结构进行重建。采用空气耦合换能器作为兰姆波信号激励端和接收端，避免了因使用耦合剂而导致待检测工件的腐蚀，并设置空气耦合换能器端面与储罐底板的夹角保证获取兰姆波单模态的走时信息；推导了适合兰姆波等角距排列的微分滤波反投影算法，保证了检测储罐底板缺陷的能力。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种大型储罐底板缺陷的兰姆波层析成像方法，其特点是采用非接触式方式采集兰姆波信号，空气耦合换能器沿储罐底板的圆周等角距排列，通过设置空气耦合换能器表面与检测工件表面的夹角，获取兰姆波单模态的走时信息，利用等角距微分滤波反投影算法进行重建，获得储罐底板的层析图像，为圆形储罐底板结构的缺陷特别是腐蚀缺陷检测提供方法支撑。

本发明的目的由以下技术措施实现：

非接触式兰姆波的双跨孔距层析重建成像方法的步骤包括：投影检测系统中，按双跨孔距结构布置的激光发生器和空气耦合换能器按既定行走路线以非接触的方式采集兰姆波信号；被接收的兰姆波信号经由功率放大器放大，被信号发送装置发送到计算机系统中的信号提取模块，提取出的走时信息被数据重排模块重排为平行投影数据，被传入到重建模块；重建模块中的微分模块对平行投影数据进行变间距微分操作，所获得的微分数据被反投影模块进行变角度积分的反投影操作，滤波模块对所获得的反投影数据进行滤波操作，获得物体的重建图像，经由图像显示模块显示重建图像。

所述的双跨孔距结构是指激光发生器和空气耦合换能器沿待检测工件的方形边界进行数据采集，方形边上采集点个数相等，相邻两个采集点之间的距离相等。

所述的行走路线是指当激光发生器在方形区域某一边的发射时，空气耦合换能器最多被安排在双跨孔距两边上接收兰姆波走时信号。

所述的非接触的方式是指在进行兰姆波信号发射和接收时，激光发生器和空气耦合换能器始终不与待检测工件表面接触。

所述的数据重排是指将双跨孔距采集的兰姆波信号转换为[0,180°)扫描区间的径向变投影个数、径向变投影间距和轴向变转角采样的平行束投影数据。

所述的微分操作是指对在不同的投影方向平行投影数据进行变间距的微分计算。

所述的反投影操作是指对微分数据进行4n个的角度的有限和运算，其中n为双跨孔距每边设置的采集点数。

所述的滤波操作是指分别沿若干条平行于笛卡尔坐标y轴方向进行的反投影区域大于待检测工件重建区域的有限希尔伯特逆变换。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明适合大型储罐圆形底板结构的层析成像，该技术方案采用空气耦合换能器的非接触式检测系统，避免接触式换能器因使用耦合剂而可能存在的腐蚀、生锈、压力敏感等不足；通过设置空气耦合换能器表面与检测工件表面的夹角，获取兰姆波单模态的走时信息，避免兰姆波因频散特性造成的单模态信号提取的难度，推导了适合圆形底板的等角距差分滤波反投影算法，具有检测范围广、重建速度快、使用方便、缺陷定位准确等优点。

附图说明

图1是本发明双跨孔距兰姆波层析成像系统框图；

图2空气耦合换能器采集实施方案示意图((a)空气耦合换能器沿储罐底板圆周等角安放示位置意图；(b)空气耦合换能器与储罐底板的夹角示意图)，

图3经典扇束与兰姆波扇束投影扫描几何对比图((a)经典扇束投影扫描几何示意图；(b)兰姆波扇束投影扫描几何示意图；(c)兰姆波等角距扇束投影几何证明图)；

图4平行束投影与等角距扇束投影关系图；

图5储罐底板的兰姆波层析重建方法流程图。

其中：1检测单元，101待检测工件，102空气耦合换能器激励端，103空气耦合换能器接收端，104兰姆波信号，

2信号激励接收单元，201功率放大器，202信号发生器，203多通道转换器，204前置放大器，205数据采集模块，

3计算机单元，301信号脉冲模块，302信号提取模块，303差分滤波模块，304反投影模块，305显示器。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整。

如图1所示，本实施例的系统装置，主要包括三大部分：检测单元1、信号激励接收单元2和计算机单元3。检测模块1中待检测工件101是储罐的底板，底板的形状是圆形，沿其圆周边界等角度布置若干个空气耦合换能器，其中一个作为空气耦合换能器激励端102，其余作为空气耦合换能器接受端103，在系统工作时激励端和接收端之间的底板形成兰姆波信号104。信号激励接收单元2包括功率放大器201，计算机单元3中信号脉冲模块301产生的脉冲信号通过功率放大器201进行放大，信号发生器202接收放大的脉冲信号后激励空气耦合换能器激励端102产生兰姆波信号104，多通道转换器203进行通道切换控制，控制空气耦合换能器激励或接收兰姆波信号104，前置放大器204将空气耦合接收端103接收的微弱兰姆波信号104进行放大，数据采集模块205将放大的兰姆波信号104发送到计算机单元3中的信号提取模块302提取兰姆波的走时信息作为层析重建所需的投影数据，投影数据被传送到差分模块303进行差分操作，差分后的数据被传送到滤波模块304进行滤波操作，滤波后的数据被传送到反投影模块305得到待检测工件101的层析图像，被输入显示器306上进行显示，并进一步存储到大容量存储设备307以为后续的数据分析进行存储和备份。

图2示出了空气耦合换能器采集实施方案示意图。待检测的储罐底板是圆形形状，最合理的空气耦合换能器安放的位置是圆周，为了在底板激发单模态的兰姆波图像，空气耦合换能器要与底板呈某个角度。

图2(a)示出了空气耦合换能器沿储罐底板圆周等角安放位置示意图。空气耦合换能器按照底板等圆心布置。深灰色实线圆点代表当前空气耦合换能器激励端的位置，浅灰色圆点代表了空气耦合换能器接收端的位置。为了获得底板的层析图像，需要多个空气耦合换能器接收端。实际检测时，为提高检测效率，最好使用多个空气耦合换能器接收端。若是只有单个空气耦合换能器接收端，接收端需要不断旋转变换位置。每个空气耦合换能器都能作激励端或接收端，是由多通道转换器来控制。

图2(b)示出了空气耦合换能器与储罐底板的夹角示意图。兰姆波在传播过程中，存在频散效应，即无限多模式的兰姆波同时在薄板结构中传播，并且各模式兰姆波的传播速度随频率的变化而改变。兰姆波的相速度cp与波长λ和频率f的之间的关系为：

cp＝λf

上式经过变形变为：

其中d为储罐底板的厚度。在频散曲线中，频厚积fd与相速度的关系。如果空气耦合传感器没有特殊的设置，它采集的信号可能是兰姆波的群速度。群速度是是不同频率的波叠加而成，故在不同位置上合成信号形状会发生变化。该速度不适合作为层析重建的信号，为此，需要采集一个模式下的信号。根据光折射定律，可获得兰姆波的相速度cp和ca之间的关系为：

其中，ca表达波在空气中的传播速度，此时为340m·s^-1；θ是空气耦合器平面与储罐底板的夹角，当确定兰姆波的模态时，cp的值也获得了，则θ角度被唯一确定。

图3示出了经典扇束与兰姆波扇束投影扫描几何对比图。兰姆波层析成像算法借鉴了x射线的断层成像原理。x射线的断层成像方式主要有平行束、扇束和锥束三种扫描方式，radon给出了平行束和锥束重建的基本公式，扇束扫描公式需要从平行束扫描推导而得。

图3(a)示出了经典扇束投影扫描几何示意图。待检测工件位于射源和检测器中间，射源和检测器都沿中心作旋转运动，x射线从一点发出扇形的光束，扇角远小于180°，检测器接收射源发出的x射线，物体在每个投影方向上都包含于射线内。射源所在位置由矢量来标识，检测器所在位置由矢量来标识。检测器常线状检测器，检测器上的探测单元之间距离相等，也就是说，从射源发出的射线与检测器所在直线的交点之间距离是相等的。

图3(b)示出了兰姆波扇束投影扫描几何示意图。待检测工件充满整个换能器所安放的区间。从空气耦合换能器激励端到接收端的连线的最大扇角接近180°。若将空气耦合换能器视为接收端检测器，则检测器不是等距安放，而是与激励端位于同一圆周上。因此，需要探索兰姆波扇束投影沿圆周安放的特点。

图3(c)示出了兰姆波等角距扇束投影几何证明图。图中圆点代表空气耦合换能器安放的位置。空气耦合换能器沿圆周等角距安放，因此，圆心与空气耦合换能器连线确定的圆心角相等，即有λ1＝λ2＝λ3。显然，空气耦合换能器激励端与接收端的连线形成圆周角，因各自的圆心角相等，因此，所有的圆周角相等，即有γ1＝γ2＝γ3。因此，本发明换能器布置方式满足等角距扇束投影扫描几何，需要从平行束推导满足等角距扇束投影的层析重建公式。

图4示出了平行束投影与等角距扇束投影关系图。以重建区域中心为坐标原点o，x轴正向指向水平右侧，以原点o作为旋转中心布置换能器。黑色圆点代表换能器的位置，取其中的位置为激励端，其余为接收端，其中，d表示换能器与坐标原点的距离，λ表示换能器的转角，即换能器与圆点连线同x坐标轴正向的夹角。表示了任意待重建点，和重建点确定了单位矢量方向记与的夹角为扇角γ，不失一般性，简记为任取一条射线方向，如图中加粗的射线，过作一矢量与该射线方向垂直，取平行的方向为平行束的检测器方向，平行射线的方向为平行束的投影方向，则检测器任意位置可以用来表示，相应的投影值可记为其中s代表在检测器面坐标的位置，在扇束投影模式下，该投影方向上的投影值记为显然可知：

沿检测器方向作hilbert滤波可以获得下面的等式：

其中：

hh(·)表示hilbert核函数。

上边等式两边进行关于轨迹参数λ求偏导，并利用积分与偏导数的积分顺序可互换的性质，可进一步推导出：

其中：

利用参数关系，进一步得到：

二维radon逆变换公式可表示为：

将上面推导的关系，代入radon逆变换公式可得到下面重建公式：

根据上述的分析，重建过程主要可划分为投影数据的偏导数、滤波以及反投影三个步骤，因为采集数据的离散性，偏导数的计算是相邻参数的微分计算。

图5示出了储罐底板的兰姆波层析重建方法流程图。信号激励接收单元(2)中的数据采集模块(205)将接收到的兰姆波信号(104)发送到计算机系统(3)的信号提取模块(302)，生成的投影数据传入到微分模块(303)，进行两种微分操作，一是关于轨迹参数λ的微分其运算公式为：

另一个关于扇角值的微分其运算公式为：

两者求和，获得投影数据的微分数据，相应的公式为：

微分数据进入滤波模块304，进行关于扇角参数γ的正弦值的hilbert滤波运算，则滤波公式为：

获得滤波模块304的hilbert滤波数据，系统进入反投影模块305，相应公式为：

通过上述步骤即可所获得储罐的底板层析图像，输入到显示器306进行显示和相关操作，也可存到大容量存储器307备后续的分析处理。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。