在役輸油管道壓電超聲波內(nèi)檢測弱信號后處理算法

袁東野 崔礦慶 唐建華 王懷 江路通

摘 要：壓電超聲波內(nèi)檢測器數(shù)據(jù)分析經(jīng)常會遇到信噪比很低的信號，傳統(tǒng)的超聲波信號處理方法已經(jīng)很難對這些信號進(jìn)行處理。本文著重討論了該種情況下弱超聲波信號的后處理算法，包括信號的提取與峰值檢測等，以及信號處理前與處理后的超聲波C掃描圖像對比。

關(guān)鍵詞：長輸管道;壓電超聲波內(nèi)檢測;弱信號后處理算法

中圖分類號：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0151-02

0 引言

壓電超聲波內(nèi)檢測器是目前管道內(nèi)檢測器中很重要的技術(shù)手段之一，用于液體管道的檢測，如原油成品油管道等[1]。在檢測過程中，輸油管道液體內(nèi)部較多的雜質(zhì)會造成超聲波信號的衰減，同時(shí)管道內(nèi)表面附著的蠟層或其它附著物也會造成超聲波信號的能量損失，從而使接收到的超聲波信號幅度非常微弱，降低了信噪比[2-3]。這一類微弱信號如果不進(jìn)行處理，會造成檢測信息的缺失，從而使管道內(nèi)檢測不能實(shí)現(xiàn)全覆蓋。本文著重探討了對該類微弱超聲波信號的后處理算法，通過該算法可以提取噪聲中的微弱信號得到精確的檢測結(jié)果。

1 壓電超聲波內(nèi)檢測器

壓電超聲波內(nèi)檢測器由于需要液體耦合，所以只能用于充滿液體介質(zhì)的管道的檢測。超聲波內(nèi)檢測器的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠提供對管壁的定量檢測，其提供的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)精度高和置信度高。超聲內(nèi)檢測器也可以激勵(lì)45度橫波檢測管壁內(nèi)的裂紋缺陷，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)管道腐蝕與裂紋的檢測[4]，檢測精度不受壁厚或內(nèi)外壁的限制，其可靠性遠(yuǎn)高于漏磁內(nèi)檢測器。

圖1為我們研發(fā)的壓電超聲波內(nèi)檢測器。該檢測器主要針對323.9毫米直徑管道開發(fā)，其中包含128個(gè)測厚探頭，探頭圓周間距為7.36毫米，探頭的中心頻率為5MHz。我們利用該檢測器對海底10公里長的一段管道進(jìn)行了測試，由于管道內(nèi)部介質(zhì)以及管道內(nèi)壁狀況的影響，得到的超聲波檢測信號幅度極其微弱，利用該類信號得到的超聲波C掃描圖像噪音較大，不利于管道壁厚及腐蝕狀況的判斷，如圖2所示。

2 弱超聲波信號后處理算法

2.1 算法設(shè)計(jì)

弱超聲波信號處理算法流程為：首先對超聲波信號進(jìn)行濾波，把幅度大于超聲波信號幅度的低頻噪聲濾掉。由于該超聲信號的主頻為5MHz，我們選擇的高通濾波器截止頻率為1MHz。信號信噪比濾波完成后仍然較低，大約為5dB左右，所以要采用互相關(guān)算法?；ハ嚓P(guān)算法所采用的參考信號為該探頭正常工作時(shí)的超聲波信號，經(jīng)過互相關(guān)算法后，信號的信噪比提高到10dB。傳統(tǒng)的超聲波峰值檢測方法是利用閘門設(shè)置的方法檢測出閘門內(nèi)部的峰值和到達(dá)時(shí)間。由于腐蝕管道的壁厚范圍變化較大，信號峰值之間的間距變化較大，因而傳統(tǒng)的閘門設(shè)置方法容易漏掉信號波峰出現(xiàn)誤判。本文中我們采用了自動峰值檢測算法，針對每個(gè)信號可以分別判斷該信號有幾個(gè)峰值以及峰值的位置和幅度，峰值的位置采用紅點(diǎn)標(biāo)出，根據(jù)這些信息算法自動得到該處管道的剩余壁厚。

2.2 信號處理后的結(jié)果

圖3為檢測管道時(shí)得到的超聲波弱信號原始信號，可以看出信號已經(jīng)淹沒在噪音內(nèi)部，直接通過原始信號很難判斷出管道的腐蝕狀況。我們首先對該信號進(jìn)行濾波，濾波后的信號如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)參考信號如圖5所示，該信號為用于互相關(guān)算法的參考信號，是在實(shí)施內(nèi)檢測前對內(nèi)檢測器的每個(gè)探頭校準(zhǔn)得到的信號。濾波器濾波后的信號（圖4所示）經(jīng)過與參考信號（圖5所示）進(jìn)行互相關(guān)處理算法后我們得到了圖6所示的信號。對該信號實(shí)施希爾貝特變換，對其取信號包絡(luò)后如圖7所示。

在得到信號的包絡(luò)以后，我們利用了自動峰值檢測算法自動檢測出波峰的個(gè)數(shù)以及位置，并以紅點(diǎn)的方式和波形一起顯示，如圖7所示，通過計(jì)算波峰到達(dá)時(shí)間信息和聲速可以推算出相應(yīng)點(diǎn)的厚度信息。

超聲波信號經(jīng)過后處理算法后產(chǎn)生的C掃描圖如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)后處理算法大大提高了超聲波信號的信噪比和腐蝕判斷的置信度，對原始信號的信噪比可以提高10dB以上。通過對比處理后的C掃描圖（如圖8）與原始C掃描圖（如圖2），可以看出經(jīng)過后處理算法得到的C掃描圖中缺陷的辨識度大大增加。

3 結(jié)語

本文著重討論了用于處理弱超聲波信號的后處理算法。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出經(jīng)過后處理算法后，弱超聲波信號的信噪比和可辨識度大大增加，從而可以使該處的腐蝕狀況得到準(zhǔn)確的判斷。本文探討的算法不僅可以用到信號的后處理中，也可以用于其它超聲檢測應(yīng)用場景的弱信號分析，對提高超聲波檢測的準(zhǔn)確率有很重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊文博，徐今偉.超聲波管道腐蝕檢測器現(xiàn)場檢測[J].油氣儲運(yùn)，1994，13（6）：31-34.

[2] STEINHUBL S M， MANN D R. Engineering and ultrasonic tool run in a natural gas pipeline to detect SCC[C].IPC2008-64510，2008.

[3] KATZ D C， RUHLE U， WOLF T.16 inch williams gas pipeline inspected for SCC using PIIs new ultrasonic tool[C].IPC2002-27055，2002.

[4] 戴波，趙晶，周炎.超聲波管道內(nèi)檢測腐蝕缺陷分類識別研究[J].機(jī)床與液壓，2008，36（7）：194-198.