基于扭转模态的管道裂纹聚焦成像

利用超声导波技术,对管道的裂纹检测进行了研究,理论分析了扭转模态的传播特点。基于有限元模拟,分析了不同尺寸裂纹对T(0,1)模态传播的影响。为检测管道中裂纹的位置和尺寸,引入了综合聚焦成像算法。利用该算法,将接收到的反射波在管道不同位置(θ, z)处聚焦成像,并建立管道的成像分布I(θ,z)。成像结果直观地反映了裂纹的位置和尺寸。      

基于改进PSO算法的LS-SVM对管道超声导波缺陷的二维轮廓重构

针对目前超声导波管道检测中缺陷成像研究较少现状,提出了一种基于改进PSO算法的LSSVM的缺陷二维轮廓重构方法。利用试验和有限元软件,获得不同尺度缺陷的回波信号。采用最小二乘网络学习方法,以回波信号数据为输入,二维轮廓数据为输出,建立非线性映射,实现了管道缺陷轴向宽度和径向深度的二维轮廓重构,并与径向基神经网络算法重构结果和一般PSO算法的LS-SVM算法进程进行对比。结果表明:该方法具有更强的泛化能力,是缺陷可视化检测的参考方法。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号的解析计算

将傅里叶变换理论应用于圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号的求解,提出了一种缺陷检测信号的解析计算方法。首先分析了缺陷检测信号谐波系数随缺陷尺寸变化的规律,而后根据电磁波反射与折射理论建立了圆台状差分传感器磁场解析模型,并根据谐波系数随缺陷尺寸变化的规律得到了任意缺陷检测信号傅里叶变换系数的通用表达式,最后经傅里叶反变换得到了任意缺陷的时域差分检测信号。通过实验对所提算法进行了验证,结果表明:该算法可准确求得圆台状脉冲涡流差分传感器缺陷检测信号,且具有较快的计算速度。     

稀疏采样傅里叶望远镜成像

为了实现傅里叶望远镜快速成像,提出了一种稀疏采样图像重构方法,并对利用稀疏傅里叶样本精确重构目标图像的问题进行了研究。首先,基于压缩感知理论,并考虑目标图像在变换域的稀疏性或可压缩性,建立稀疏采样图像重构问题的优化模型。然后,构造适当的随机稀疏采样模板,对目标图像的傅里叶分量进行采样测量。最后,利用随机稀疏测量样本,通过非线性优化精确重构目标图像。实验结果显示,对实际的卫星图像,利用20%～30%随机测量样本非线性重构图像与利用全部测量样本直接重构图像的均方误差仅为4%～6%,表明利用随机稀疏傅里叶样本能够实现精确的图像重构,而且大大减少了测量样本的数量,从而有效降低了实现快速成像对傅里叶望远镜系统的成本和复杂性要求。     

管道缺陷的超声导波检测研究

针对管道缺陷与超声导波交互的特点,为解决在管道超声导波检测中的缺陷定位困难、轴向尺寸无法量化等繁琐和耗时严重等问题,设计了自发自收和一发一收两种管道缺陷的超声导波检测平台,对特定环形缺陷进行管道超声导波检测进行了研究,探究了环形缺陷的轴向长度和径向深度对超声导波检测的影响。结果表明:采用自设计的超声导波检测平台可实现管道缺陷的定位检测及轴向尺寸定量检测,缺陷的轴向长度主要影响缺陷回波的形态,缺陷的径向深度主要影响回波的能量。     

聚乙烯管道电熔接头缺陷超声相控阵成像模拟和实验研究

为了快速获得电熔接头超声成像图以便研究聚乙烯管道电熔接头无损评估算法研究,运用了多物理场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对聚乙烯管道电熔接头金属电热丝的超声响应特性进行了有限元分析,并对聚乙烯管材内壁钻孔缺陷及含孔洞缺陷聚乙烯管道电熔接头进行了超声相控阵检测成像实验,验证了超声相控阵检测成像有限元模拟分析结果的正确性。采用Richardson-Lucy反卷积算法对聚乙烯管材内壁钻孔缺陷超声相控阵成像图进行了图像复原处理。实验结果表明:基于超声傅里叶成像的相控阵成像仿真方法具有可行性,有限元模型为聚乙烯管道电熔接头缺陷超声相控阵成像提供了数值模型。     

基于PH乘子算法优化的Lamb波成像研究

针对铝薄板的Lamb波缺陷检测,提出了一种基络幅值的导波缺陷成像及其优化方法。将稀疏压电陶瓷传感器(piezoelectric ceramic transducer,简称PZT)阵列作为收发装置产生激励信号和采集导波信号,利用健康信号与缺陷信号的差信号,提取出含有缺陷位置信息的包络曲线。引入了包含有位置权重矢量的因子以突出缺陷像素点的特征,借助适当的罚函数,从而将提高导波成像质量问题转换为求解一系列无约束优化求解问题。应用鲍威尔-赫斯廷斯(Powell-Hestenes,简称PH)乘子算法确定了增广目标函数,实现了权重矢量优化,提高了成像质量。实验结果对比表明,该成像算法对铝板中缺陷的定位误差小,成像直观清晰并且缺陷识别明确,实现了导波成像的优化处理。     

管道电磁超声导波技术及其应用研究进展

超声导波理论研究的不断深入、导波固有的可用于长距离大范围高效检测的性能优势,以及电磁超声技术实现上具有的非接触特点等,共同促进了电磁超声导波技术的研究、发展和应用。梳理管道电磁超声导波技术近些年来在周向导波、轴向导波和螺旋导波方面的理论研究进展及技术应用情况,具体对比了板状和管状结构导波,归纳了不同模态导波换能器的特点,分析了导波与管道缺陷的相互作用,介绍了上述导波在管道缺陷定位、尺寸量化和成像中的应用,即回顾了管道电磁超声导波技术的研究及应用现状,并展望了其今后的研究方向和发展趋势。     

用于位相缺陷检测的反射式剪切点衍射干涉仪

为了实现光学元件位相缺陷的大视场、高分辨率、瞬态检测,设计了一种基于无镜成像算法的反射式剪切点衍射干涉仪。该干涉仪通过在参考光与测试光之间引入横向错位量,形成高密度线性载频,利用快速傅里叶变换算法从单幅干涉图中提取待测波面信息,实现缺陷的瞬态测量。利用无镜成像算法抑制了缺陷的衍射效应,总结了有效的缺陷类型辨别方法。实验检测了强激光系统中的一块光学平晶,验证了所提缺陷类型判据的正确性。此外,采用反射式剪切点衍射干涉仪对一块激光毁伤的光学平板进行检测,测试结果与Veeco NT9100白光干涉仪测量结果相比,相对误差为2.1%。结果表明,该干涉仪能够有效应用于检测大口径光学元件的位相缺陷。     

基于SH导波的防腐层能量密度检测机理研究

涂敷防腐层是确保油气管道完整性非常重要的手段,但因环境或外力等因素使防腐层产生剥离、孔洞等缺陷。本文针对埋地管道外涂防腐层轴向剥离、孔洞缺陷,利用粘弹性动力学理论建立能量平衡单元体F的双层结构波动模型,对单元体F的频散特性、能量密度和导波衰减进行理论分析和数值计算,并设计SH-EMAT换能器进行了防腐层剥离缺陷实验研究。研究表明:防腐层剥离程度可引起单元体F中各模态频散特性变化,防腐层剥离厚度越大,SH导波模态对应相速度、群速度越大,且差异显著。在一定频率范围内,其相速度与防腐层剥离缺陷尺寸成正比。导波能量衰减依赖于能量密度因子QE且独立于导波模态,能量密度趋向于防腐层等效粘弹性介质的剪切速度倒数;单元体F中能量密度因子QE的特征参数可为管道防腐层剥离、孔洞缺陷内检测的量化研究提供理论依据。     

一种线性调频连续波探测抗雷达辐射源干扰方法

随着各类军用、民用辐射源频段的不断扩展以及功率的不断提升,线性调频连续波(LFMCW)探测器面对此类干扰的威胁也愈加严重。然而,目前关于LFMCW体制抗干扰技术的研究主要围绕在对抗有源干扰,鲜有针对强辐射源干扰的研究。针对上述问题,以对抗大功率雷达辐射源干扰为背景,本文对常规脉冲和线性调频脉冲信号两种典型的雷达辐射源信号进行建模,并分析其对LFMCW探测器的干扰机理。根据目标回波信号和干扰信号在时频域上的差异,提出了一种基于时频变换和边缘检测的干扰抑制算法。首先使用短时傅里叶变换(STFT)获得接收信号的时频图像,利用脉冲干扰在时间轴上的周期截断特征,在时频域进行干扰的粗滤波;然后结合边缘检测技术,沿着频率轴使用Sobel算子进行卷积,进一步滤除残留的干扰,重构滤波后的频谱,提取目标信息。仿真及实验结果表明,该算法能够有效地抑制两种典型的脉冲体制雷达辐射源信号干扰,在干扰背景下提取目标差频频率的精度优于3%。     

基于Lyapunov指数的超声导波检测技术

为了提高超声导波的检测灵敏度,提出了一种基于杜芬方程Lyapunov指数特性的超声导波识别方法,该方法利用了杜芬方程对系统参数的敏感性及其对噪声信号的免疫特性。首先,分析了杜芬方程检测导波信号的数学原理;其次,讨论了如何设定检测系统参数,给出了可用于检测导波信号的杜芬系统;最后,通过分析比较噪声和导波信号对Lyapunov指数的不同影响,证明了该方法识别强噪声下弱超声导波的有效性。数值算例表明,通过合理设置杜芬方程参数使系统处于混沌状态,当输入导波信号和混有噪声的导波信号时,系统由混沌状态转变为极限环运动,利用杜芬系统状态改变可实现对强噪声下弱超声导波的识别,该方法可有效延长超声导波的检测范围和提高检测小缺陷的灵敏度。     

基于二维等效声速的频域全聚焦超声成像研究

为了提高对碳纤维增强复合材料分层缺陷定位定量的精度，提出了一种基于二维等效声速映射的精准频域全聚焦方法三维成像技术。该技术首先将子矩阵的划分标准从激励点位置变为激励-接收间距，获得了一个新的全矩阵数据；然后将变换后的二维子矩阵变换至频域，根据深度和空间频率的变化推导出精准的二维等效声速映射，来匹配子矩阵数据中的收发分离信号，并结合角谱运算得到子矩阵频域重构图；运用快速傅里叶逆变换得到子矩阵聚焦图并将其融合得到全聚焦图像；最后运用多平面三维重构技术得到最终三维图像。结果表明，与传统F-TFM和F-SAFT算法相比，所提算法有效抑制了旁瓣效应的产生，双缺陷间距的定量误差缩减了20.31%,缺陷宽度定量误差分别缩减了5.43%和6.3%;当缺陷深度和双缺陷间距发生变化时仍可保证较高的检测灵敏度。     

Measuring displacement signal with an accelerometer

An effective and simple way to reconstruct displacement signal from a measured acceleration signal is proposed in this paper. To reconstruct displacement signal by means of double-integrating the time domain acceleration signal, the Nyquist frequency of the digital sampling of the acceleration signal should be much higher than the highest frequency component of the signal. On the other hand, to reconstruct displacement signal by taking the inverse Fourier transform, the magnitude of the significant frequency components of the Fourier transform of the acceleration signal should be greater than the 6 dB increment line along the frequency axis. With a predetermined resolution in time and frequency domain, determined by the sampling rate to measure and record the original signal, reconstructing high-frequency signals in the time domain and reconstructing low-frequency signals in the frequency domain will produce biased errors. Furthermore, because of the DC components inevitably included in the sampling process, low-frequency components of the signals are overestimated when displacement signals are reconstructed from the Fourier transform of the acceleration signal. The proposed method utilizes curve-fitting around the significant frequency components of the Fourier transform of the acceleration signal before it is inverse-Fourier transformed. Curve-fitting around the dominant frequency components provides much better results than simply ignoring the insignificant frequency components of the signal.     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

基于时间反转法的管道焊缝区缺陷检测研究

焊缝在整个管网系统中是比较薄弱的部分,在温度、压力、介质腐蚀和振动的影响下容易出现裂纹缺陷,对管道的安全运行产生危害,并且有的裂纹很小,通过超声导波不容易直接识别出来。对超声导波检测管道进行了研究,在分析了超声导波对焊缝小缺陷的检测后,提出了一种运用时间反转法基于L(0,2)模态超声导波进行数值模拟的方法,选择4%作为最小焊缝裂纹缺陷,对直管道单焊缝和直管道双焊缝进行数值模拟,并通过实验验证。数值模拟和实验结果表明该方法可以实现管道中焊缝缺陷的识别和定位。     

高速动车组螺栓周向阵列相位控制超声导波检测方法

分析了高速动车组螺栓缺陷产生的原因,介绍了常见的螺栓缺陷检测方法,以及高速动车组螺栓检测的难点。在此基础上,提出了高速动车组螺栓周向阵列相位控制超声导波检测方法。介绍了检测原理,论述了周向阵列相位控制方法,并进行了试验验证。     

一种时域平面扫描三维成像算法研究

提出了一种基于平面扫描模式下的三维成像时域算法。该算法在平面网格点上获取扫频幅相信息,经过相位补偿后变换到球面上,然后利用傅里叶逆变换将频域数据沿投影线转换为时域数据,对应球面的不同空间角度在投影线上作线性插值,最后通过二维角域积分获得目标的三维图像。仿真结果表明该算法聚焦效果良好。在微波暗室内构建了一套平面扫描三维成像系统,采用该算法处理后能获得高分辨率三维微波图像,成像的空间位置误差优于1 cm。     

超声导波激励频率选取对其模式控制的影响

超声导波在管道中传播模式有纵波、扭转波和弯曲波三种模式,由于扭转波在管道中传播具有非频散特性,在超声导波管道无损检测中得到广泛应用,但在管道中激发出扭转波的同时常常伴随着纵波的出现,导致超声导波检测信号难以识别和分析处理。针对这一问题,计算管道中超声导波传播频散曲线,通过控制扭转波激励频率在纵波的截止频率区范围内选取的方法,抑制纵波的产生。为了验证该方法的有效性和正确性,利用磁致伸缩导波无损检测装置对管道进行一系列不同激励频率的试验。研究结果表明：试验结果与理论结论相吻合,该方法为导波无损检测信号识别和工程应用提供了十分重要的理论依据和指导作用。