【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及管道结构损伤监测与无损检测领域，特别涉及一种基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法及系统。
技术介绍
1、管道作为重要的运输系统，为我国的经济建设起到了卓越的贡献。随着使用时间增长，管道内部会出现损伤，危害社会安全，因此管道的检测工作成为工程热点。超声无损检测技术因其具有穿透力强、灵敏度高等优点，在地下管道的损伤检测中应用广泛。以超声无损检测和结构健康监测技术为基础的地下管道损伤检测可以方便地反应管道状态，为后续的管道维护和修复提供决策支持。
2、由于无损检测和健康监测技术的限制以及超声波在管道内传播的复杂性，地下管道的超声检测及实时监测存在效率低、费用高、智能化水平低等问题，影响了其有效使用。近年来，随着各领域对管道损伤检测需求的不断增加，使得一些超声损伤检测技术兴起，部分通过使用相控阵技术主动检测管道损伤，提高了检测精度，但都需要逐点检测，效率低下，且无法对长距离和人员无法到达的管道系统进行检测，无法实现全时段监测。如何在保证管道损伤检测精度的同时，提高检测效率和智能化水平，节省经济成本，是目前解决超声无损检测和健康监测在实时场景中应用的问题关键。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的问题是：提供一种基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法及系统，用于提高管道损伤检测的精度、效率和智能化水平，节省经济成本，更好更快的进行管道损伤检测。
2、本专利技术采用如下技术方案：一种基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，
3、s1、搭建巡查系统：组合探伤巡检小车各硬件模块，在待巡查管道内壁搭建信号接收阵列；
4、s2、管道缺陷信号监测：利用信号接收阵列被动监测管道状态，当接收到缺陷信号时，信号接收阵列反馈缺陷位置给探伤巡检小车；利用fpga控制探伤巡检小车运动，将激励传感器以一定角度与管道壁耦合，主动检测管道状态，获得缺陷位置后，探伤巡检小车定点运动，采集缺陷深度信息，得到数据集x1；
5、s3、数据变换及去噪处理：将数据集x1作为输入，进行小波变换得到小波系数，进行软硬阈值去噪处理，并利用马拉特算法进行小波重构得到去噪后的数据集x2；
6、s4、缺陷深度预测：将数据集x2作为输入，提取出其频域和时域特征，建立神经网络模型进行训练和预测，得到缺陷深度，输出最终结果。
7、进一步地，步骤s1中，搭建巡查系统，包括以下子步骤：
8、s1.1、组合探伤巡检小车的各硬件模块，使探伤巡检小车在fpga控制控制下在管道内行走，并通过小车上的激励传感器发出激励信号；
9、s1.2、通过耦合剂，将压电晶片间隔布置在待巡查管道一端的内壁上，形成信号接收阵列。
10、进一步地，步骤s2中，管道缺陷信号监测，包括以下子步骤：
11、s2.1、被动监测模式下，利用信号接收阵列被动检测管道状态，当接收到缺陷信号时，信号接收阵列将缺陷位置反馈给fpga，fpga控制探伤巡检小车运动，到达缺陷该位置后，旋转激励传感器角度，与管道壁耦合，测量缺陷深度，发送到信号接收阵列；
12、s2.2、主动检测模式下,fpga通过驱动模块控制探伤巡检小车运动，每隔相同距离停下，通过旋转调整激励传感器角度，与管道壁耦合，完成后发出激励指令，具体如下；
13、s2.2.1、巡检过程中，当需要驱动电机时，探伤巡检小车fpga控制模块输出确认信号，经过usb串口到达驱动模块；
14、s2.2.2、根据实际需求，fpga控制模块确定pwm波周期和触发条件，分别作为输入参数，存入加法计数器和数字比较器；
15、s2.2.3、确认信号经过fpga控制模块的数字比较器，输出逻辑触发信号后，经过加法计数器开启定时中断进程，输出周期信号；
16、s2.2.3、周期信号经过fpga控制模块的细分计数器时，输出确定脉冲宽度和占空比的pwm波，pwm波经过驱动电路，输出相应的信号脉冲，进而控制电机运转，使探伤巡检小车移动到指定位置后停下；
17、s2.2.4、驱动模块的摆动微调结构将具有一定角度的激励传感器举起，与管道壁耦合，完成后发出激励指令。
18、s2.3、探伤巡检小车的激励模块收到激励指令后，向管道发出声束，当发现缺陷时，缺陷部位使超声波发生反射、散射、衰减，利用其衰减特性，信号接收阵列接收激励点四周的波形，并进行分析，得到管道缺陷位置，具体如下：
19、s2.3.1、探伤巡检小车fpga控制模块，根据波形函数表达式，将得到的波形的量化数据，前导入波形存储器中，并将规定的信号频率保存在频率合成器中；
20、s2.3.2、巡检过程中，当需要发出激励时，探伤巡检小车fpga控制模块内地址计数器顺序读出存储器中的数据，并经过频率合成器，输出期望的波形数据；
21、s2.3.3、将输出的数字化波形数据，送入数模转换器转换成模拟波形信号，模拟波形信号经过精密负载电阻r，将输出电流信号转换为电压信号，并通过差分输出的方式输出交流信号；
22、s2.3.3、交流信号经过强度算法控制单元，得到增益控制数字信号，再经过数模转换器转换成模拟电压信号；
23、s2.3.4、模拟电压信号，经过可变增益放大器，得到模拟波形信号，通过高速运算放大器，输出提高了固定增益值的模拟波形信号，送入推挽式功率放大器，输出提高了固定带宽的模拟信号波形给阵元；
24、s2.3.5、阵元根据发射聚焦法则向管道发出声束，由于激励传感器具有一定倾斜角度，发出的声束分解为沿水平方向的超声波和竖直方向的超声波；
25、s2.3.6、当遇到材料中的缺陷或损伤时，缺陷部位会使超声波发生反射、散射、衰减，即超声波在损伤周围的材料中以不同方向传播，且会减弱；利用激励点四周的信号接收阵列，测量不同位置超声波的衰减程度并进行对比，分析散射模式和强度，得到管道缺陷位置，反馈给信号接收阵列。
26、s2.4、信号接收阵列接收到缺陷位置后，重复步骤s2.1测量管道缺陷深度；
27、s2.5、将缺陷深度与缺陷位置结合，形成数据集x1，用于进行后续信号处理与模型训练。
28、进一步地，步骤s3中，数据变换及去噪处理，包括以下子步骤：
29、s3.1、将数据集x1作为输入，通过离散小波变换对信号进行分析，将数据集x1在小波基下展开，得到小波系数w(a,b)，其中，a为尺度参数，b为平移因子，用于控制小波函数的尺度和位置；
30、s3.2、将w(a,b)作为输入，采用软阈值去噪法和硬阈值去噪法去除信号干扰，得到去噪后的小波系数w(a,b)’，具体的：当信号中包含较多低频噪声时，使用硬阈值去噪，包含较多高频噪声时使用软阈值去噪；
31、s3.3、将w(a,b)’作为输入，使用马拉特算法进行小波重构，得到去噪后的数据集x2。
32、本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S1中，搭建巡查系统，包括以下子步骤：
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S2中，管道缺陷信号监测，包括以下子步骤：
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S2.2中，主动检测模式，具体如下：
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S2.3，包括以下步骤：
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S3中，数据变换及去噪处理，包括以下子步骤：
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤S3.2中,当信号中包含低频噪声比例大于高频噪声时使用硬阈值去噪，包含高频噪声比例多于低频噪声时使用软
8.一种基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测系统，用于实施上述权利要求1-7中任一项所述的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，包括：待巡查管道、探伤巡检小车、信号接收阵列、以及计算机处理器；
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测系统，其特征在于，探伤巡检小车内，FPGA控制模块通过USB接口与单片机相连，通过USB串口通信进行信息交互，再通过驱动模块进行电机的驱动控制；当需要驱动电机时，FPGA控制模块输出确认信号，经过USB串口到达单片机的驱动模块；驱动探伤巡检小车在管道内移动到指定位置。
10.根据权利要求9所述的基于FPGA的主被动协同超声车载管道巡查监测系统，其特征在于，探伤巡检小车内，FPGA控制模块的片上结构包括：频率合成器、地址计数器、波形存储器和强度算法控制单元，其中强度算法控制单元与激励模块上的程控放大器相连，用于控制小车的运动以及发出激励指令。
...【技术特征摘要】
1.一种基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s1中，搭建巡查系统，包括以下子步骤：
3.根据权利要求1所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s2中，管道缺陷信号监测，包括以下子步骤：
4.根据权利要求3所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s2.2中，主动检测模式，具体如下：
5.根据权利要求4所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s2.3，包括以下步骤：
6.根据权利要求3所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s3中，数据变换及去噪处理，包括以下子步骤：
7.根据权利要求6所述的基于fpga的主被动协同超声车载管道巡查监测方法，其特征在于，步骤s3.2中,当信号中包含低频噪声比例大于高频噪声...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁栋，孟千翔，朱志行，陆铮，刘柯飞，张翔宇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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