基于导波聚集扫描的远距离管道成像方法和系统技术方案

本发明专利技术是一种基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。涉及超声波的测量和管道系统技术领域。它是利用换能器将电能转化为声能发射超声信号，由电路实现调幅，并在算法中为换能器阵列加入时序，实现不同时间延迟。通过不同延时和幅值的换能器阵列激发的声信号相互作用组合，在特定传播方向和距离上得到最大特征反射信号，即聚焦；再通过算法和电路不断改变幅值和延时，从而改变聚焦位置，在不同位置进行多次聚焦，组合构建图像。本发明专利技术利用换能器激发超声信号，使激发能量更大，检测距离更长，精度和定位更准确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。涉及超声波的测量和管道系统

技术介绍
成千上万的长管道遍布全世界各地，其中许多管道由于长时间的服务存在如腐蚀之类的问题，在役管道的材料异常可能会导致灾难的故障。因此，定期的对管道的完整性进行检测成了维护这些管道不可或缺的指导。在过去的几十年，相控阵聚焦扫描在无损检测(NDT)已经受到了相当的重视，大多数的相控阵的设备使用的体波，通过改变体波成导波，因为导波的能量只限于边界，并能够沿边界传播很长的距离，有可能测试如钢板、钢管整个结构。传统的超声波检测(NDT)中通常用的是体波，因为它们很容易实现。但是传统的相控阵超声波检测技术检测结构是逐点进行的，这使体波超声检测繁琐，费时，昂贵而且难以使用在有涂层和地下管线的结构上。在有边界的结构中(如平板和圆筒)，超声导波表现出了強大的结构跟随趋势而且可以传播很长距离，这种沿结构界面或靠近界面传播能量的波就是导波。由于其低衰减， 导波适合远距离无损检測。导波通常比体波复杂得多，也正是这种复杂性给导波提供了更多的选择性，导波技术给我们的检测提供了更快更经济的方式。导波技术的探索在ー个世纪前已经开始了，并在20世纪得到了发展(兰姆波， 1917 ；勒夫波，1944 ；瑞利波，1945)。但是直到20世纪后期，导波技术才被应用到了无损检测和设备状态监测上。出版大量的导波检测管道和油管的文献(Alleyne Cawley, 1997 ； Guo Kundu, 2000 ；Mohr Holler, 1976 ；Na Kundu2002 ；Roseetal. ,1994 ；Thompson et al., 1972). 1959年(iazis首次获得了空心圆柱体的完全自由振动模态。在前人的基础上，2002 年Li和Roes发展了创新的管道导波技木，这种技术加强了传播的能量并在管道检测中提供了周向的分辨率。远程管道成像概念是非常新的，Hayashi和Murase在2005进行了导波管道成像的第一次尝试，他们把异常的信号分解到管道的正常模式上，信息处理以后构建了异常的图像。但是他们所采用的激发电压低，所以检测距离非常短。CN1521503A公开了ー种全数字相控阵超声波无损检测系统及方法，它对检测区域进行生束聚焦扫描检测，数字化精确确定聚焦声束扫描方案和缺陷反射源的位置，但不能多次聚焦，检测距离短，精确度和定位还是不够准确。
技术实现思路
本专利技术的目的是专利技术一种激发能量更大、检测距离更长、精度和定位更准确的基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法和系统。本专利技术的方法是利用换能器激发超声信号并且调整振幅因素与时间延吋，使超声波聚焦在管道中任何预定位置，并采用多通道相控阵阵列在每个检测距离进行多次聚焦，改变聚焦点在管道中的距离，将每个聚焦区的最大振幅记录并构建图像，就可以得到整个管道的聚焦扫描。利用换能器将电能转化为声能发射超声信号，电路设计实现调幅，并在算法中为换能器阵列加入时序，实现不同时间延迟(以下简称时延)，通过不同延时和幅值的换能器阵列激发的声信号相互作用组合，实现可在特定传播方向和距离上得到最大特征反射信号，即聚焦。再通过算法和电路不断改变幅值和延时，从而改变聚焦位置，在不同位置进行多次聚焦，组合构建图像。整个检测过程由两个主要阶段构成时延测定阶段；聚焦测试阶段。其中时延测定阶段为准备阶段，其过程为所有通道进行无任何时延的导波检测，形成多通道导波初始检测曲线，其中含有缺陷对象的特征P，以及共有η通道的检测装置中的第i通道换能器到达该特征的时间<。Tp即通道导波曲线时间零位7；'到ρ特征峰值对应时间点7；的一半(传至并传回两段)；t' =^- (1.1)p 2基于导波聚焦扫描的远距离管道成像方法如图1所示，有管道包覆层4的两端裸露为管端I 1和管端II 2，在其中的一管端I 1或管端II 2安装超声导波换能器3。本专利技术的成像流程(见图3)，依次如下发送无时延超声导波激励信号；信号调幅放大；接收无时延超声导波激励信号；信号处理；形成无时延超声导波曲线；计算对象特征到各个通道的超声导波传播时间；计算各通道时延；根据时延信息发送带有时延的超声导波激励信号；信号调幅放大；接收有时延超声导波激励信号；信号处理；形成有时延超声导波曲线；所得即为导波聚焦扫描结果；重复以上过程直至推出。所述信号处理是信号的放大、滤波；其中时间延迟的计算方法为 ' =Μωο( ·ρ)- ιρ(1.2)所得的^即为各个通道进行导播聚焦所需的时延值。本专利技术中的远程管道成像采用相控阵把导波能量聚集到特定的圆周角度(周向角度)，并在管道轴向的不同位置进行聚焦。这样得到了管道的全部聚焦扫描，在得到的管道成像中，扫描区域最大的幅值标记出来与扫描区域对应，最重要的是，可以看出这种成像技术在测试中可以成像约2 !的距离，而且这种技术有能力在一个管道里面检测出多个异常。基于导波聚焦扫描的远距离管道成像原理如图2所示。根据导波的对称性，导波在管道中传播可以划分为两类轴对称模态和弯曲模态。轴对称模态导波在整个管道的圆周内有规则的位移和应力。它们可以分为纵向模式(与之对应的是平板中的对称模式)与扭转模式(这与平板中的水平剪切模式类似)。轴对称导波可以在轴对称源产生。与轴对称模态导波不同，扭曲模态导波在圆周内有正弦曲线的位移和应力的分布，扭曲模态将在管道的部分激发。轴对称导波管道检测通常用于那些快速长距离的检测。轴对称导波管道检测技术检测出与传感器轴向平行的异常。近年来，导波聚焦技术被发展起来用于长距离的管道检测(Li和Rose，2002)。这项技术关注于控制利用扭曲模态。它采用相控阵组成多通道，(通常是4到8个)，通过发送超声信号并且调整振幅因素与时间延时，超声波可以聚焦在管道中任何一个事先确定好的位置。相比与轴对称导波管道检测，这种聚焦技术能提供大约两倍的穿透能量，因此距离也将是两倍，另外，由于波都聚焦在轴向和圆周，相干噪声也被减低了，从而周向的分辨率就加强了。振幅因素和时间延时与管道尺寸、材料、频率、传感器和焦距都是相关的。因此，在应用时这些参数都应该首先加入到聚焦算法里(Li和Rose，200 。该通过具体案例，算法计算时间延时和振幅因素。然后把聚焦参数输入到商业相控阵系统安装在管道周边发送信号并聚焦到指定地点。在一个圆周扫描，多个聚焦位置的时间延时和振幅因素都可以计算出来。在不同的聚焦位置的扫描就可以得到管道全部的扫描。在接收的部分，时间设置为每个收到的波形，最大振幅记录了聚焦区域沿轴线的长度。在最终的管道扫描成像图可以把这些最大振幅值标记出来，与聚焦的区域对称。在聚焦的角度还可以标记出这些最大振幅值。圆周轮廓图呈现了聚焦区域的异常的圆周分布，当聚焦区域有异常时，这些重要映像都可以看到。对于有非轴对称特征的异常(如不连续)，它的周向轮廓图也是非轴对称的。如果异常是轴对称的(如焊缝)，它的周向轮廓图也是轴对称的，通知这种方式，不连续的异常可以很好的与焊缝区分开来。本专利技术的系统组成如图4所示，它由超声导波传感器、激励(功率放大)模块、接收(前置放大)模块、主处理单元组成，主处理单元输出接激励模块的输入，激励模块输出接超声导波传感器，超声导波传感器输出接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王维斌，冯展军，陈健峰，艾慕阳，佟文强，刘广文，赵丑民，王禹钦，刘哲，蒋先尧，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：