管道损伤超声导波监测与概率化弯曲定位系统及方法

本发明属于城市地下管道设施安全监测，具体是涉及管道损伤超声导波监测与概率化弯曲定位系统及方法。

背景技术：

1、在现代化建设的进程中，各种管道广泛应用于石油与天然气运输、城市供水和排水系统、化学工业和电力行业等。但随着管道在长期服役过程中的高强度载荷以及周围环境的影响，管道材料可靠性逐渐降低，或多或少出现各类型损伤，如裂纹、裂缝等。然而，其运行安全性与可靠性对于经济的发展和社会的稳定至关重要，所以需要对管道的健康状态进行及时可靠性监测。

2、超声导波管道损伤定位技术是一种基于超声波传播原理的无损检测技术，具有高灵敏度、高精度、高效率等优点，被广泛应用于管道损伤检测和定位。管道存在损伤时，超声导波在管壁上传播会受损伤影响，在传播过程中携带特定的损伤信息，导波信号会根据损伤情况的变化而变化。当管道处于复杂外界环境或复杂工况中，反映管道损伤情况的信息可能发生变化，从而会产生一些误差，导致无法评估管道真实损伤状态。如何在保证地下管道损伤定位的准确性的同时实现低成本、高可靠性是一项亟待解决的难题。

3、现有技术中针对管道结构超声导波损伤检测的研究，如专利申请cn113567560a一种基于超声导波的含附属结构管道的损伤检测方法，可通过对回波分析对地下管道损伤进行超声导波定位；但由于超声导波在管道中从发射到接收到回波的过程中导波会被削减或影响，而通过接收直达波又会产生传播路径随机性的问题，大大增加定位的难度。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了管道损伤超声导波监测与概率化弯曲定位系统及方法，通过压电传感器布置，根据采集到的带有损伤信息的信号和健康管道在相同工况下的信号，对其进行处理，并提取损伤因子及飞行时间，通过贝叶斯修正算法实现对损伤点的定位。

2、本发明所述的管道损伤超声导波监测与概率化弯曲定位系统，包括管道壁激励与接收传感系统、本地控制系统、中央控制系统，

3、管道壁激励与接收传感系统，其通过安装在地下管道一端的若干个激励传感器依次激励，并由安装在地下管道另一端相同数量的接收传感器采集信号，将接收到的信号传输至本地控制系统；

4、本地控制系统，其接收管道壁激励与接收传感系统传输的带有损伤信息的信号，并将带有损伤信息的信号、损伤发生前存储在系统中的同工况下健康管道采集到的信号、激励信号通过无线通讯传输至中央控制系统；

5、中央控制系统，其对接收到的三种信号利用概率化弯曲定位损伤方法进行处理，得到管道的损伤点的定位；同时发出控制信号给本地控制系统，从而实现本地控制系统的启动或停止。

6、进一步的，所述管道壁激励与接收传感系统，包括激励传感器、接收传感器和信号放大模块；

7、每个地下管道的一端管道壁上，沿其周向均安装有若干个激励传感器，激励传感器依次激励，由沿所述地下管道的另一端周向安装的相同数量的接收传感器采集信号，并将导波信号转为电信号；

8、信号放大模块由电压放大电路、微处理器、信号收发模块和供电模块组成，其中，所述电压放大电路将输入的原始幅值较小的导波信号放大至最大幅值为2v；所述微处理器将放大后的导波信号传输至本地控制系统；供电模块为蓄电池，其满足电压放大电路、微处理器所需电能。

9、进一步的，所述本地控制系统包括电子开关、信号存储模块和无线通讯模块；

10、所述电子开关用于启动和停止各管段中激励传感器的信号发射与接收传感器的信号采集，从而实现各导波路径的有序性，进而实现所采集信号的序列化；

11、所述信号存储模块将激励信号、接收传感器采集的信号、健康管道同工况下采集到的信号三者有序编码存储，在中央控制系统指令下实现传输准备；

12、所述无线通讯模块将各路径导波数据无线传输。

13、进一步的，所述中央控制系统包括信号处理模块、损伤因子提取模块、飞行时间提取模块、概率化弯曲定位模块和贝叶斯修正模块；

14、其中，所述信号处理模块，用于将本地控制系统传输的信号进行放大，并将带有损伤信息的信号和健康管道同工况下采集到的信号进行作差操作得到散射信号，将激励信号替换掉所述散射信号中起始的部分；

15、所述损伤因子提取模块，用于利用带有损伤信息的信号和健康管道同工况下采集到的信号，得到各激励传感器到各接收传感器路径的损伤因子；

16、所述飞行时间提取模块，用于根据信号处理模块提供的激励信号及散射信号，通过希尔伯特变换得到信号包络线后提取各路径飞行时间；

17、所述概率化弯曲定位模块，用于根据各传感器路径中的有效路径和损伤因子模块提取的损伤因子，进行概率化弯曲成像，得到管道损伤重构概率函数图；根据飞行时间选择若干条路径进行弯曲椭圆轨迹定位，并由该定位得到管道损伤椭圆概率函数图；

18、所述贝叶斯修正模块，用于将概率化弯曲定位模块提供的基于损伤因子的管道重构损伤概率函数图作为先验概率，将概率化弯曲定位模块提供的基于飞行时间的管道损伤椭圆概率密度图作为似然函数，经过贝叶斯修正，得到一个后验概率函数图，取其概率最高点为损伤定位点。

19、管道损伤超声导波监测与概率化弯曲定位方法，基于所述的系统实现所述方法，包括以下步骤：

20、步骤1、通过管道壁激励与接收传感系统采集管道各接收传感器接收到的信号，将带有损伤信息的信号传输至本地控制系统；

21、步骤2、本地控制系统将管道壁激励与接收传感系统传输来的信号、激励信号、健康管道同工况下采集到的信号一起传输给中央控制系统；

22、步骤3、中央控制系统针对接收的带有损伤信息的信号，对信号进行前处理，得到健康、损伤情况下的接收信号、散射信号、以及将激励信号加入到散射信号中的信号；

23、步骤4、中央控制系统对前处理后的信号进行各激励传感器到各接收传感器路径的损伤因子的提取，以及对各路径飞行时间的提取；

24、步骤5、中央控制系统基于所提取的损伤因子和飞行时间，通过弯曲坐标变换，计算生成管道损伤重构概率函数图和管道损伤椭圆概率函数图，并将管道损伤重构概率函数图和管道损伤椭圆概率函数图传入贝叶斯修正模块分别作为先验概率和似然函数；

25、步骤6、中央控制系统根据传入的先验概率和似然函数，计算出对应的后验概率，获取后验概率密度分布中概率最高点，该点即为该方法定位的损伤点结果。

26、进一步的，所述管道壁激励与接收传感系统的工作模式具体为：

27、1）中央控制系统发送开始采集指令至本地控制系统；

28、2）本地控制系统发送指令至管道壁激励与接收传感系统进行信号采集；

29、3）管道壁激励与接收传感系统开展信号预处理，将预处理后的信号传输至本地控制器；

30、4）本地控制系统将接收到的调理信号传输至中央控制系统；

31、5）中央控制系统发送确认信号，本地控制系统接收到确认信号后发送关闭激励传感器信号给管道壁激励与接收传感器系统，结束采集，等待下一次开始采集指令。

32、进一步的，步骤3中，用某一路径接收传感器接收到的携带损伤信息的信号减去健康管道同工况下采集到的信号，得到该路径的散射信号，将激励信号替换掉散射信号起始部分，为飞行时间提取模块的计算做准备。

33、进一步的，步骤4中，计算各路径相关系数的表达式如下：

34、，

35、损伤因子为；其中，为所求相关系数；k表示某一路径下的信号的第k个值，k为k的最大值；和分别表示健康信号和损伤信号的第k个值，和分别是和的平均值；

36、计算各路径飞行时间的具体步骤为：对步骤3中的已加入激励信号的散射信号进行希尔伯特变换，提取其包络线；其中接收信号的首个波峰与激励信号波峰的差值即为飞行时间。

37、进一步的，步骤5中，生成两种两个管道壁的曲面损伤概率函数的具体步骤为：

38、步骤5-1、对管道曲面进行展开，实现从弯曲坐标到平面坐标的转换；

39、步骤5-2、根据损伤因子进行损伤概率函数的计算；对于某一条特定的激励-接收路径，损伤的空间分布是一个线性递减的椭圆加权函数，焦点位于该路径的激励传感器和接收传感器处，监测区域被划分为均匀的网格，借此估计出每个网格上损伤点出现的概率；由于管道为空心圆柱体的特殊性，当激励产生时，导波从激励传感器到达另一个点必定会有两条路径，当存在n条激励-接收路径时，点出现损伤的概率：

40、，

41、，

42、；

43、其中，为所求相关系数；为第n条路径的值为点影响的概率；为第n条路径中点的加权分布函数；为确定椭圆的一个参数，通过将该参数与椭圆形状因子的比较，经确定第n条路径的损伤空间分布；为点到第n条路径激励传感器的距离，为点到第n条路径接收传感器的距离，为第n条路径激励传感器到接收传感器的距离，为第n条路径激励传感器坐标；为第n条路径接收传感器坐标，为椭圆形状因子；

44、管道中一个激励传感器到一个接收传感器的距离更短的路径是有效的，故计算出两条路径各自的长度，取长度更小的一条作为有效路径：

45、，

46、两路径dn1和dn2长度分别为：

47、，

48、，

49、其中，r为管道外壁半径；

50、管道中一个激励传感器到损伤点的距离更短的路径是有效的，有效路径为：

51、，

52、两路径dsn1和dsn2长度分别为：

53、，

54、；

55、管道中损伤点到一个接收传感器的距离更短的路径是有效的，有效路径为：

56、，

57、两路径drn1和drn2长度分别为：

58、，

59、；

60、步骤5-3、根据飞行时间进行损伤概率函数的计算；定义在使用椭圆轨迹法根据若干条路径的飞行时间得到的椭圆图中，取损伤点周围的区域，损伤的概率与每一个单位中穿过的椭圆个数成正比，其余不在损伤点周围的区域概率设置为0，得到基于椭圆轨迹的管道壁的损伤概率密度图，作为似然函数；

61、其中，根据飞行时间得到椭圆图的原理如下：

62、；

63、t为飞行时间，为导波在管道壁中的群速度。

64、进一步的，步骤6中，后验概率为；其中，为先验概率，为似然函数，后验概率中损伤概率最高的点即损伤点。

65、本发明所述的有益效果为：

66、1）本发明通过对曲面坐标的转换，使得该系统和方法贴合管道的空心圆柱、管壁薄的物理特性，是损伤定位方法应用于管壁的基础，提高损伤定位结果观察的便捷度及精度；

67、2）本发明提出管道壁上导波的传播都具有路径的二重性，并根据该特性选择有效路径进行计算处理用于层析成像定位和椭圆轨迹成像定位，具有好的合理性和可靠性；

68、3）本发明利用贝叶斯方法进行损伤定位，贝叶斯方法对由损伤因子和飞行时间分别得到的两种概率分布进行修正，得到的后验概率分布；有别于单一方式的损伤定位方法，贝叶斯修正可以进一步提高损伤定位的可靠性和准确性。