基于共源式导波合成聚焦算法的管道缺陷成像技术

摘要

管道作为一种常用的运输媒介，广泛应用于长距离输送、公用基础设施及工业生产中，具有在役总量庞大、工作环境恶劣、泄露后果严重的特点，因而对高效可靠的无损检测手段有着广泛而迫切的需求。目前无损检测手段种类繁多，其中将沿管道轴向传播的超声导波用于管道无损检测，具有大范围、高覆盖、高效率等显著优势。但导波具有多模态与频散两大复杂特性，导波信号的处理与分析要难于超声体波信号。共源式合成聚焦技术可分离导波信号的各阶模态并分别进行频散补偿，是一种高效、实用的管道导波检测手段。然而，面对复杂多样的管道缺陷种类，管道数量庞大且规格各异的待检管网系统，共源式合成聚焦技术在适用性、分辨力及易用性等方面尚有提升空间。
　　现行共源式合成聚焦技术应用于管道斜缺陷成像时，会出现由跨族系模态转换导致的杂散模态信号干扰，本文针对这一问题，提出了单族模态提取技术，在成像之前对管道导波反射回波信号进行预处理以滤除干扰。传统管道导波成像检测手段的轴向分辨力受限于信号的时域包络展宽，针对这一不足，发展了结合反卷积滤波的合成聚焦技术，有效提高了管道缺陷导波成像的轴向分辨率。再者，为避免现行管道导波检测手段对于管道参数等先验知识的依赖，提高检测设备易用性与检测效率，提出了一种适用于薄壁管道导波缺陷成像的先验参数反演技术。将管道参数反演算法、模态分离技术、合成聚焦技术三者结合，形成不需要管道参数作为先验知识的高轴向分辨力、高灵敏度、并具有广泛适用性的远场缺陷成像技术。最后，搭建了一套基于圆柱扫查的超声导波成像检测系统及其应用，实验验证了上述技术与方法的可行性。
　　论文的研究内容一共分为六章:
　　第一章:介绍并比较了各类无损检测技术在管道检测中的应用，其中管道超声导波检测技术具有检测范围广、检测效率高等优势。简述管道导波理论研究的发展历程及研究现状，并介绍了目前国内外主流的用于管道导波激励与接收的商业化检测设备或实验手段。分析并比较了层析成像、主动聚焦、合成聚焦等缺陷成像技术应用于管道导波检测时各自的优缺点。最后概述了本文的主要研究内容和意义。
　　第二章:提出了管道导波反射回波信号的单族模态分量提取技术。通过三维傅里叶变换导出了管道柱面多点阵列信号在关于周向阶数、时间角频率、轴向空间频率的三维频域下的表达。基于这一理论基础，设计了一种工作在频率-波数域上的二维滤波器，实现了导波信号的模态族系分离与单向提取。通过数值仿真，定量分析了不同轴对称模态入射下，斜直缺陷反射过程中的模态转换比例;并验证了所设计滤波器的作用效果。通过模态分离和单向提取可净化导波信号分量成分，消除由跨族系模态转换和二次反射造成的“伪缺陷图案”，增强了共源式合成聚焦技术对于多种取向管道缺陷检测的适用性。
　　第三章:提出了结合反卷积滤波的合成聚焦成像技术。通过对原始导波信号进行模态阶数分离与相移叠加，计算出目标位置处所对应的导波信号，利用反卷积滤波从中提取管道柱面上的反射系数二维分布图。同时，通过引入相关噪声抑制系数提高缺陷成像信噪比。采用实验手段验证了反卷积合成聚焦技术对于微小点状缺陷的探测灵敏度，和对于周向线状缺陷的定量检测能力。并基于仿真和实验研究进一步探究了合成聚焦成像技术对于面状缺陷的检测能力。经上述验证，相比传统的基于积分叠加的合成聚焦技术，本章提出的反卷积合成聚焦成像技术具有更高的轴向分辨力，所获得图像具有更高的信噪比。
　　第四章:提出了一种面向薄壁管道缺陷导波成像的先验参数反演技术。利用多点阵列信号的频域谱峰位置与多模态频散曲线间的匹配关系，实施管道特性参数反演。为提升参数反演效率，通过用板波模态类比管道导波轴对称模态，简化了反演的目标优化函数;通过薄壁管道假设，降低了反演问题的维度，并获取其解析解。通过数值仿真验证了本章所提出参数反演技术的可行性;并系统分析了多点阵列信号采样过程中的扫描定位精度、轴向扫描范围与扫描步距对于管道参数反演误差的影响。
　　第五章:将前述章节提出的管道参数反演算法、模态分离技术、合成聚焦技术三者结合，形成不需要管道参数作为先验知识的高轴向分辨力、高灵敏度、并具有广泛适用性的远场缺陷成像技术。设计并搭建了基于圆柱扫查的超声导波成像检测系统，通过实验验证了上述技术的可行性。利用实验测取的多点阵列信号完成了管道参数反演和斜直缺陷成像，并与基于其他测量/检测原理获取的实验结果作比较。通过分析多点阵列信号数据的冗余度，探究管道导波模态分离所需的最小轴向扫描范围和最低轴向扫描密度，为提高检测效率及该成像技术的实用化提供指导。
　　第六章:总结并归纳了本文研究内容，阐述了主要研究结论和创新点，并对管道导波成像算法和导波激励/接收技术的发展进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 背景介绍

1．1．1 管道检测技术的应用背景

1．1．2 管道无损检测技术

1．2 管道导波检测技术

1．2．1 管道导波理论

1．2．2 管道导波激励与接收

1．3 管道导波成像技术

1．3．1 层析成像

1．3．2 主动聚焦

1．3．3 合成聚焦

1．4 论文研究意义及研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

第二章 单族模态导波反射回波信号的提取技术

2．1 引言

2．2 导波信号在频率-波数域下的表达

2．3 面向模态分离及单向提取的滤波器设计

2．4 管道缺陷建模及仿真参数设置

2．5 数值仿真结果与分析

2．5．1 跨族系模态转换

2．5．2 扭转模态入射下斜直缺陷成像结果

2．5．3 不同模态入射下斜直缺陷成像结果

2．5．4 不同模态入射下半圆缺陷成像结果

2．6 本章小结

第三章 基于反卷积与合成聚焦的管道缺陷导波成像技术

3．1 引言

3．2 管道导波信号合成聚焦

3．3 反卷积提取管道缺陷反射系数

3．4 点状及周向线状缺陷成像的实验研究

3．4．1 实验设置

3．4．2 非相关噪声的抑制

3．4．3 点状缺陷检测结果

3．4．4 线状缺陷检测结果

3．5 面状缺陷成像的仿真与实验研究

3．5．1 数值仿真设置

3．5．2 直壁式缺陷仿真结果

3．5．3 渐变式缺陷仿真结果

3．5．4 实验验证

3．6 本章小结

第四章 面向管道缺陷导波成像的先验参数反演技术

4．1 引言

4．2 基于谱峰位置-频散曲线匹配的管道参数反演

4．3 薄壁管道中参数反演问题的近似简化

4．4 薄壁管道参数反演的误差分析

4．4．1 扫描定位精度对反演误差的影响

4．4．2 扫描采样范围对反演误差的影响

4．4．3 扫描采样密度对反演误差的影响

4．5 本章小结

第五章 基于圆柱扫查的超声导波成像检测系统及其应用

5．1 引言

5．2 系统研发

5．2．1 直入射横波探头设计

5．2．2 二维柱面扫描系统

5．3 实验研究

5．3．1 导波多点阵列信号测取

5．3．2 管道参数测定

5．3．3 斜直缺陷成像

5．3．4 多点阵列数据冗余度分析

5．4 本章小结

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的成果