专利名称：用超声波进行管线壁性能测试的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用超声波进行管线壁性能测试的系统和方法。
背景技术：
由W02008/10306已知使用超声波信号来检查管线的腐蚀损伤。使用发射器在管线的壁中激发超声波，并在超声波穿过壁行进后，使用检测器检测超声波的波达(arrival)。如此获得的信号可以用于形成作为沿壁表面的位置的函数的管壁中的损伤的图像。由行进时间(即发射和波达之间的延迟)确定壁的性能。壁充当用于被限制在壁的内外表面之间的波的超声波波导。可以把波的传播想象为与所述表面成一角度来回反射的射线，所述射线具有依赖于所述角度的、平行于所述表面的净传播速度。在管线上的具体位置处的检测器仅接收以特定的分立的角度来回反射的射线。在与壁厚比较而言较大的波长处，角度选择性可以视为相长干涉(constructive interference)效应。在较小的波长处，则视为除在分立的角度处外，射线跳过检测器位置。当使用足够的超声波频率的脉冲时，平行于所述表面的净传播造成围绕管线螺旋盘旋的射线路径，所述射线路径带有净轴向分量和净周向分量(直接沿轴向的传播或圈绕周向的传播将被视为螺旋盘旋的特例，所述特例分别具有零周向分量和零轴向分量)。典型地，在管线上的具体位置处的检测器将接收沿着与围绕管线的转数相差整数的不同螺旋盘旋射线路径到达该检测器的射线。当管壁具有均匀厚度时，螺旋比(周向分量和轴向分量之间的比率)沿着这样的射线路径保持不变。射线的发射时间和波达时间之间的行进时间依赖于射线追随的射线路径和沿射线的净声速(其随着管的壁厚变化)。
管线的局部损伤(其导致管的壁厚的局部变化)造成净声速的调制和/或具有不同螺旋比的射线之间的散射。传播速度的调制造成针对由穿过局部损伤的位置的射线路径连接起来的发射器/检测器位置的组合的行进时间的改变。可以根据这些行进时间来确定损伤的轴向位置和周向位置。事实上，可以用发射器和检测器的阵列获得作为位置的函数的壁厚变化的图像。这被称为飞行时间(TOF)断层摄影术(time of flight tomography)。W02008/10306公开了一种测试系统，具有:在管线上的用于沿管线的壁发射超声波脉冲的超声波换能器；用于检测所述超声波脉冲的波达时间的超声波换能器；以及计算机，所述计算机被配置为根据发射换能器和接收换能器之间的行进时间计算损伤的位置。该文件提到由波长依赖的超声波传播速度引起的波频散可使波达时间的检测不准确。通过对检测到的超声波信号的傅立叶变换施加频率依赖的相位修正来解决这一问题。结果得到尖脉冲，可由该尖脉冲确定行进时间。使用得到的针对不同发射超声波换能器和接收超声波换能器的行进时间，识别出沿管线的射线路径，其中行进时间因损伤而改变。为了检测管线的壁中的腐蚀损伤，高分辨率成像是可取的。在管线磨损的初期，腐蚀造成小坑，所述小坑威胁着会穿透所述壁。需要高分辨率来形成显示这样的坑的图像。为了实现这样的高分辨率，由具有在相对较高频率例如IMHz处的频率成分的超声波脉冲造成的狭窄射线是可取的。但是，已发现在这样的高频处难于计算可靠的断层图像。所述图像常常显示人为现象。已发现这些人为现象是由断层重构收敛于局部极大值造成的。W02009139627还公开了使用超声波的物体(例如管线)的表面建模。根据超声波测试获得的传播延迟时间与基于所述表面的模型的预测进行比较。迭代地适配模型的表面高度参数和温度参数。包括温度作为参数使得可以解释折射，其中所述时间延迟相应于偏离处于均匀温度下的射线路径的弯曲射线路径。使用非离散波，例如集中在单个狭窄频带内的波。通过把超声波传播当作沿射线路径的传播来对传播延迟进行建模。未考虑波矢求和或波干涉计算。使用两级模型，其中对有限数目的点的高度和温度进行适配，并通过插值法获得用于其它点的值
发明内容
除了其它方面以外，目的在于提供一种用超声波进行管壁厚度测试的系统和方法，使得可以有更可靠的收敛。提供了根据权利要求1所述的方法。本文中，使用第一和第二迭代模型拟合过程，使用一组来自第一模型拟合过程的经拟合的参数值来初始化在第二过程中将拟合的参数值。所述模型拟合过程使用至少确定所述管线的壁中的声速为沿壁表面的位置的函数的参数组。第二过程使用与第一步骤相比更高的一个或更多个声频处检测到的发射以及使用确定更高空间分辨率下的声速的位置依赖的一组参数。通过使用低声频和低空间分辨率处的初始第一迭代模型拟合过程，可以降低第二过程收敛于局域最优值的风险。将所述初始第一迭代模型拟合过程应用于低至通常不用于成像的声频(因为在该声频处，基于沿射线路径的行进时间的发射的预测不够准确)。为确保所述初始第一迭代模型拟合过程提供对于所述第二模型拟合过程可用的初始参数，所述初始第一迭代模型拟合过程使用这样的波矢值，每个所述波矢值都是使用针对围绕所述管线的在前的圈中多个周向位置的波矢值之和再乘以传播系数计算的。所述传播系数依赖于作为如所述第一组参数定义的位置的函数的声速。因此，使用描述分布在多于一个取样位置(而非个别射线路径)的宽度上的波前的波矢来计算所述预测。例如第一频率可以为50kHz或更低。在一实施例中，使用一系列的预测模型，每个拟合过程的经拟合的参数值用于初始化下一拟合过程的参数值(如果有的话)。在该实施例中，相继的过程用于相继更高的相应各声频处或上至相应各声频的声频处的拟合，相应各声频和相应各空间分辨率对于所述系列中相继的进一步的预测模型而言是递增的。这样，可以封闭最后一个过程和初始第一模型拟合过程之间的较大的声频间隙和相应的空间分辨率间隙。例如，初始第一模型拟合过程的声频可以是50kHz或更低，最终模型拟合过程的声频可以是500kHz或更高，此时可能会使用五个或更多个不同频率和空间分辨率处的模型。在一实施例中，在预定频率以上的频率处的模型可以基于对沿着依赖于由模型参数确定的位置依赖的超声波速度的路径对行进时间进行积分(而不使用来自前一圈上位置的贡献之和)。在一实施例中，所述管线在所述超声波发射器之间具有弯曲的部分。在进一步的实施例中，使用来自前一圈上位置的贡献之和的模型可以被用于针对这样的弯曲部分的所有频率。此时至少对于预定频率以上的频率，可以针对笔直管线部分使用对沿路径的行进时间的积分。在一实施例中，所述发射器和接收器可分别沿所述管线的轴向横断面内的第一圆周圈和第二圆周圈被联结到所述管线上，每个所述的第一圆周圈和第二圆周圈位于互相隔开的周向位置上支撑部。这使得可以形成所述圈之间的整个管壁的图像。在一实施例中，所述管线由与所述管线有接触部的支撑部支撑，所述发射器和所述接收器沿着所述管线的轴向上的线在彼此间隔开的周向位置被联结到所述管线上，发射器和接收器分别在所述接触部的彼此相对的侧被联结到所述管线上。这使得可以检测损伤，尤其是检测所述支撑部的接触部处的损伤。在一实施例中，经发射的超声波信号是包括第一频率处和第二频率处的成分的宽带信号，将所述第一拟合过程和第二拟合过程应用于检测到的超声波响应信号的选中的频率成分。这样，单种脉冲可足以形成图像。还提供了用于进行所述方法的系统，以及包括用于可编程计算机的指令的程序的计算机程序产品(诸如包括磁盘或光盘或半导体存储器等)，所述指令当被所述计算机执行时将使所述计算机执行前述方法权利要求中任意一项所述的方法。
使用以下附图，根据示例 实施例的说明，将明了本发明的前述的以及其他的目的和有利方面。图1示出测试系统。图2示出换能器配置。图3描述作为时间的函数的理论波幅响应。图3a描述射线路径。图4示出参数适配过程的流程图。图5示出描述声速与壁厚之间的关系的图。
具体实施例方式图1示出管线壁厚测试系统，包括:管线10，具有联结到所述管线10上的各圈超声波换能器12a_d ;以及联结到所述超声波换能器12a_d上的激发和检测电路14。所述激发和检测电路14包括信号处理电路140。可替代地，可以将单独的信号处理电路(例如被编程为进行信号处理的计算机)联结到所述激发和检测电路14上。各圈在其相应轴向位置处围绕所述管线10周向延伸。所述各圈在其轴向位置处都具有位于沿周向的各自相应位置处的多个超声波换能器12a-d。如图所示，所述管线10具有弯曲部16，所述各圈超声波换能器12a-d在所述弯曲部双侧的管线部分上。在另一个实施例中，可将各圈超声波换能器12a-d中的一圈或更多圈超声波换能器布置在所述弯曲部16中。图2以横截面示出可替代的管线壁厚测试系统。所述管线10的一部分以及连接到所述管线10的管线支撑部20。在所述支撑部20的第一轴向侧的相继的不同的轴向位置处提供第一系列超声波换能器22。在所述支撑部20的与所述第一侧相对的第二轴向侧的相继的不同的轴向位置处提供第二系列超声波换能器24。
超声波换能器12a_d、22、24是能受控向所述管线10的壁发射超声波振动和/或检测所述壁中的这种振动的装置。检测可包括:产生与所述壁中因超声波引起的位移成比例的变化的电响应信号。所述激发和检测电路14被配置为控制所述超声波换能器12a-d、22以在所述管线10的壁中的选中的位置处激发超声波，并使用其它换能器12a-d、24在所述壁10中的其它位置处接收由产生的超声波的波达引起的响应信号。在图1的示例中，所述激发和检测电路14可被配置为相继控制第一圈中的各自相应的超声波换能器12a_d以激发分别来自每个所述超声波换能器12a_d在所述管线10中的明显的超声波，并从第二圈中的换能器12a_d接收产生的检测到的超声信号。从而可以检测单对换能器12a-d对之间的超声波发射(ultrasound transmission)响应函数。图3描述针对穿过均匀厚度的所述管线10的笔直部分的超声波发射的、作为时间的函数的理论波幅响应。在该示例中，波幅响应代表作为自发射具有在狭窄频带中的频率的超声波脉冲的时间开始的时间“t”的函数的超声波振动幅度“A”。可以看到，所述响应包括在明显的分立时间位置处的若干分离的峰30。在第一近似中，每个峰均相应于自所述发射换能器12a_d的位置沿所述管线10的壁中的射线路径行进至所述接收换能器12a_d的位置的声波的行进时间，所述行进时间具有相应于所述射线路径的长度和所述射线路径中的声速的延迟。图3a描述所述射线路径。所述管线10上的位置的轴向坐标“z”被水平地绘制，而这些位置的周向坐标“phi”则被竖直地绘制。所述管线10的笔直部分中的射线路径的示例以虚线标示。水平虚线相应于轴向射线路径，而斜虚线相应于围绕所述管线10的轴线螺旋盘旋的射线路径。为了说明，竖直方向上的所述周向坐标被展开:周向坐标在围绕所述管线10的每次旋转后重复，但该图中以假定其延续的方式示出了重复后的相继的坐标。因此所述壁上的相同位置在·竖直地相继的(以虚线分隔的)水平条中被重复地示出。螺旋盘旋的射线路径由此可以被显示为连续的直线(尽管其周向坐标在360度循环周期中重复)。通过示例可以假定，所述图的左垂直线相应于发射超声波换能器12a_d的圈的轴向坐标，而所述图的左垂直线相应于接收超声波换能器12a_d的圈的轴向坐标。由于所述展开，同一超声波换能器12a_d的位置重复显示在相继的水平条中。图3中每个峰都相应于沿着可显示为发射和接收超声波换能器12a、b的位置之间的直线的射线路径的超声波的波达时间。由于图3a的竖直坐标的重复性，相同的发射和接收超声波换能器12a、b可以被这样的多个射线路径连接:所述多个射线路径的差异为所述射线路径在到达检测换能器前已围绕所述管线10的周长螺旋盘旋的次数。图3示出的行进时间依赖于所述射线路径的长度以及穿过管线壁的超声波传播的速度。超声波传播的速度依赖于壁厚，所述壁厚限定管线的壁的内表面和外表面之间形成的波导的波导模的性能。可出现所述超声波波导的多个不同波导模，并具有不同传播速度。结果，同一射线路径可造成多个不同行进时间。当所述壁厚度因所述管线10的损伤而局部变化时，这造成传播速度的局部变化，所述传播速度使移动由穿过具有局部地不同的壁厚的区域的射线路径连接的换能器12a_d获得的峰30的位置。如果所述管线壁的区域38中的声速与所述管线壁的其余区域中的声速不同，经由穿过区域38的射线路径的声波传播(propagation)将受到可检测地影响。图3a示出受到经由区域38的传播影响的、自一个发射超声波换能器至自接收超声波换能器的射线路径。对于这种射线路径的末端处的接收超声波换能器而言，来自发射超声波换能器的超声波脉冲的波达时间会被改变。原则所述移动使得可以由超声波换能器之间的测得的行进时间得出的不同声速来确定区域38的轴向位置和周向位置。该位置一定在显示出移动的峰的超声波换能器12a_d对之间的射线路径之间的横截面处。可以根据所述峰的移动量来确定壁厚变化的大小。以上适用于所述管线10的笔直部分。弯曲部16中的效应更为复杂。原则上，可以在类似于图3a的图中画出针对所述弯曲部16中的位置的射线路径。依赖于所述弯曲部16的几何结构，这些射线路径将是弯曲而非笔直的。可以取代应用于笔直的射线路径，而通过将测得的行进时间应用于这种弯曲的射线路径，来尝试修改用于确定笔直部分中具有偏离的声速的区域的位置的程序。可以使用行进时间断层摄影术 来形成作为所述管线上的位置的函数的声速的图像。所述图像描述壁厚、或一个或更多个依赖于作为沿所述管线的表面的位置的函数的壁厚的声波传播性能。给定图像，则可以预测用于相应各换能器对的相应的行进时间。在行进时间断层摄影术的实施例中，处理器将预测的行进时间与测得的行进时间进行比较。比较的结果可以是差异测量的计算，例如不同换能器对的测得的行进时间和预测的行进时间之间的差异的平方和，加上可选的正则项(其代表可选断层图像的先验相似度)。差异测量用于选择对降低所述差异测量的图像的更新。迭代地重复该过程，直到迭代收敛于产生最小或近于最小差异测量的图像。为了获取具有足以检测管线腐蚀损伤的分辨率的图像，高分辨率图像是可取的。腐蚀最初导致狭小的坑，其必须要被检测出来。需要具有高超声波频率(例如IMHz)的脉冲和使图像迭代适配于具有这种频率成分的脉冲的行进时间，以实现所需的分辨率。但是，已发现当使用这种高频时，至少在某些情况下，应用迭代过程自测得的行进时间来推导图像并不导致足够可靠的图像。发现这是因为迭代收敛于局域极小值，其不代表对于检测管线损伤有用的图像。弯曲部中的弯曲射线路径也可造成问题。已发现，弯曲部也造成超声波透镜效应，而这些效应影响损伤检测的可靠性。已发现，可以通过自使用这种较低超声波频率获得的初始估计开始所述迭代来克服该问题:在所述较低超声波频率处，即便在低分辨率下，射线路径的近似也并不给出精确的图像。例如可以使用50kHz超声波频率成分。图4示出参数适配过程的流程图。在第一步骤41中，激发和检测电路14的信号处理电路140 (或联结到激发和检测电路14上的信号处理电路140)通过相继控制第一圈中不同超声波换能器12b在所述管线10中激发超声波，并在相对所述激发的预定时间相对时间位置处的时间窗口中、自第二圈中的超声波换能器12c接收继激发后测得的超声波信号，来分别获得在第一圈和第二圈中的超声波换能器对12b、c之间的超声波发射响应函数。测得的超声波信号代表作为时间的函数的在所述管线10的壁中的超声波位移，即不仅是位移的发生时间，还有位移的大小。在一实施例中，例如以覆盖50kHz至IMHz范围的频率成分发射宽带超声波脉冲。优选地，所述频率范围包括:所述管线10的壁中的超声波波长大于壁厚的频率、上至波长小于所述厚度的频率。结果得到一组作为时间的函数的超声波振动幅度的响应函数(各响应函数分别针对第一圈和第二圈中相应各对超声波换能器12b、C)。可以对所述响应函数做傅立叶变换，以获得不同频率处的分量。例如可以使用FFT。在另一个实施例中，可以用该范围中相应各频率处的频率成分来发射一系列更狭窄带的超声波脉冲。在该实施例中，可以测量接收换能器12c处的这些脉冲中的每个脉冲的响应的相位和幅度，并且可选地，可采用所述脉冲响应测量行进时间。在第二步骤42中，所述信号处理电路140设定初始带宽设置W以及壁厚参数的初始值。在一实施例中，所述初始带宽选择例如50kHz的单个测试频率(分量)。在一实施例中，所述壁厚参数可代表具有相应于沿所述管线10的取样位置的2维组处的“像素”的厚度图像，所述“像素”在第一维度上分布在自第一圈到第二圈的位置范围上，并在第二维度上分布在围绕所述管线10的圆周的位置范围上。例如可以使用定义了均匀厚度的值作为初始值，或之前测得的厚度。在一实施例中，使用带宽设置W来指示定义子取样位置处的所述取样位置的组的子集的子取样率。在该实施例中，可以在用于子取样位置的值之间插补用于其余取样点的参数的值。第三步骤43至第五步骤45相应于计算阶段，在该阶段中进行在选中的带宽设置W下的拟合过程。所述在选中的带宽设置W下的拟合过程包括更新步骤的迭代。在第三步骤43中，所述信号处理电路140根据壁厚参数计算用于具有位置依赖的壁厚的管线的第一圈和第二圈中的换能器对12b、c之间的预测的响应函数。对于所述计算，可以通过在取样位置之间插值来定义取样位置之间的壁厚。此外在第三步骤43中，所述信号处理电路140计算所述预测的响应函数和测得的响应函数之间的差异。在一实施例中，依赖带宽设置W来计算预测的响应函数。在一个实施例中，针对带宽W的最高点处的单个频率计算预测的响应，并用该频率处的测得的响应计算所述差异。在另一个实施例中，针对上至所述带宽的频率的组合计算预测的响应，并用上至所述带宽的响应的组合计算所述差并。在一实施例中，可以使用射线路径近似来计算针对频率高于预定最小频率的换能器对之间的预测的响应， 选择换能器对之间的路径，并对厚度的效应沿所述路径进行积分(如厚度图像中定义的)。以下将更详细地描述针对更低频率的预测的计算的实施例。在该实施例(其至少用于最低频率例如50kHz处)中，使用厚度依赖的传播算子(而不是仅使用沿换能器对之间的射线路径的行进时间)来进行所述预测的计算。在所述计算的该实施例中，定义沿所述管线10的取样位置的相继的虚拟圈。每个所述虚拟圈均包括沿所述管线10的周向的多个取样位置。相继的虚拟圈处于相继的轴向取样坐标处。在弯曲部16中，虚拟圈的方向发散，自弯曲部16概念上的曲率的中心放射。因此所述弯曲部外侧的相继的虚拟圈中的取样位置较所述弯曲部里侧的分得更开。在该实施例中，针对第一圈中的给定的发射换能器12b的位置计算所述计算频率(例如50kHz)处的波矢(幅度和相位)，并针对第一圈和第二圈的超声波换能器12b、c之间的第一虚拟圈上的取样位置计算一组波矢。随后针对距离第二圈超声波换能器12c相继更近的取样位置的虚拟圈上的取样位置，来确定其它圈中针对所述计算频率的相继的波矢。对于下一(例如虚拟)圈中每个相应各取样位置，由前一(例如虚拟)圈上不同源取样点的贡献之和乘以一系数来确定相继的波矢，所述系数是根据模型参数(例如根据厚度图像)，依赖于下一圈中相应各取样位置的周向位置处、下一圈和前一圈之间或前一圈处、下一圈处的声速C (r)来选择的。这适用于当仅使用管线壁中的一个传播模时。当壁中的传播支持具有不同声速的多个模时，可以分别以与针对单模的方式相同的方式来计算针对这些模中的每个模的相应各波矢。在这种情况下，可以从用不同模的预定的相对输入耦合因子来确定初始圈中不同波矢的相对幅度。可以使用用于不同模的预定的相对输出耦合因子来计算接收器处的总输出。可以使用用于标准管线部分的校准测量来确定用于不同模的相对输入I禹合因子和输出I禹合因子。使用依赖于前一圈上的不同源取样点的以及针对其确定波矢的下一圈中相应各取样位置的周向位置的系数。沿所述管线10的笔直部分，所述系数仅依赖于所述源取样点的周向位置以及用于确定波矢的取样点的周向位置之间的差异。但在弯曲部16中，例如由于相继的圈上的取样点之间的距离在所述弯曲部的里侧比在外侧�。识鱿凳挂览涤谡庑┑愕母霰鸬闹芟蛭恢�(而不仅是其相对位置)。系数F对前一圈上的周向位置的依赖可通过该依赖的傅立叶变换表示。该周向位置依赖的傅立叶变换定义周向空间频率处的傅立叶变换系数Fe = 2* π *R//L，其中R是管线的半径，L是周向波长。原则上，对于所使用单个超声波模的给定的声速“C”，所述系数的该傅立叶变换F可具有如下值F (L, c) = exp (_i*2* π *k*h)其中 k = sqrt ((f/c) 2-1/L2)这里，i为-1的方根:i2 = -1, h为相继的取样点的圈之间(在弯曲部情况下，则为在取样点的周向位置处)的距离，f为针对其频率来计算波矢的声频。
作为沿着前一圈的周向位置Rs的函数的系数F(Rs，c)可以通过计算逆傅立叶变换来确定。但是精确地使用自逆傅立叶变换获得的所述系数具有如下缺点:对于要确定波矢的每个取样点，都需要使用前一圈中所有的源取样点。在进一步的实施例中，通过使除了距离要针对其确定波矢的取样点的周向位置的距离小于预定距离的周向位置Rs处的源取样点外的所有源取样点的系数F(Rs，c)为零，而降低了计算量。换言之，对前一圈中不同周向位置处的源位置的求和仅在周向位置的预定的有限范围中延伸，所述范围包括下一圈中要针对其计算波矢的点的周向位置以及两侧中任意一侧的前一圈中的至少一个进一步的周向位置。例如使用针对至少三个(优选地，更多个)周向位置处的源取样点的非零系数。在这种情况下，可以适配其余的非零系数F(Rs，c)，以便改进数值稳定性。用于这样做的技术本身是已知的。数值稳定性可以如下判定:在使部分所述系数为零后更新所述系数的傅立叶变换，并确定得到的傅立叶变换系数的绝对值是否超过一。优选地，禁止绝对值超过一，或至少使得超过量较小。可以使用如下优化方法:非零系数被选择为最小化随着与以上因子F的偏差量的增加而增加的目标函数，在目标函数中，对使绝对值超过一以上的偏差(与不是这样的偏差相比而言)赋予更高的权重。所述因子的表可以预先存储，并在计算中使用。一旦已经针对相继的虚拟圈重复波矢计算直到抵达第二圈超声波换能器12b的位置，则响应函数的预测就可供使用。总之，在第三步骤43中，所述信号处理电路140根据壁厚参数计算用于具有位置依赖的壁厚的管线的第一圈和第二圈中的换能器对12b、c之间的预测的响应函数。至少对于最低频率(例如50Hz)，所述预测的响应函数的计算包括计算针对沿着管线的相继的虚拟圈的相继的系列周向位置中的取样点组的波矢(幅度和相位)。第一圈包括发射换能器的位置，最后一圈包括接收换能器的位置。将第一圈中波矢的值在除发射换能器的周向位置外的所有周向位置处取为零。在相继的虚拟圈中，针对第一圈中的给定的发射换能器12b的位置计算波矢，并针对第一圈和第二圈的超声波换能器12b、c之间的第一圈12b上的取样位置计算波矢组。随后由针对距离第二圈超声波换能器相继更近的取样位置的虚拟圈上的取样位置来确定相继的波矢。对于下一圈中每个相应各取样位置，由前一圈上不同源取样点的贡献之和乘以一系数来确定相继的波矢，所述系数是根据模型参数(例如根据厚度图像)，依赖于下一圈中相应各取样位置的周向位置处、下一圈和前一圈之间或前一圈处、下一圈处的声速c(r)来选择的。重复该过程，直到确定了第二圈12c中接收换能器的位置处的波矢。针对所有发射换能器(且需要的话，针对所有有贡献的传播模)完成该过程。对于阈值频率以上的频率，可以通过选择发射换能器和接收换能器之间的射线路径、并对沿所述射线路径的厚度图像确定的行进时间求和，来计算所述预测。此外在第三步骤43中，所述信号处理电路140计算预测的响应函数和测得的响应函数之间的差异。取代直接确定差异，可以使用其它类型的比较。例如可以对响应函数的对数做减法，或者将预测的响应函数和测得的响应函数的比值与参考值进行比较。如果发射换能器和接收换能器的信号与管壁中超声波位移相联系的输出耦合因子和输入耦合因子的绝对值是未知的，则可以在应用使整体差异最小化的修正因子后计算所述差异。一般而言，这种比较的结果将被称为差异。在第四步骤44中，所述信号处理电路140确定所述差异是否满足收敛标准。所述收敛标准可依赖于带宽设置W。在第一实施例中，仅确定针对在所述带宽处或其下的最高频率分量的测得的波矢和预测的波矢之间的差异。在另一个实施例中，通过对用于不同频率的差异测量求和，仅确定在所述带宽处或其下的频率分量(例如所有频率分量)的组合的测得的波矢和预测的波矢之间的差异。所述带宽设置W外的差异的较高频率分量在收敛标准的计算中至少相对于所述带宽设置W内的差异的频率分量被禁止。如果所述差异不满足收敛标准，则所述信号处理电路140执行第五步骤45，基于差异来选择参数的适配值，并自第三步骤43重复。可以依赖于带宽设置W来控制适配值的选择。在具有取样点和子取样的实施例中，仅取样点的子取样集合被直接更新，用于其余取样点的参数的值则可以通过插值插补。如果所述差异满足收敛标准，则所述信号处理电路140执行第六步骤46，在第六步骤46中确定带宽设置W是否低于最大值Wmax。是的话，则所述信号处理电路140执行第七步骤47，在第七步骤47中增加带宽设置W，并从第三步骤43开始重复，在新带宽设置W下进行新一轮拟合。在这种情况下，以旧带宽设置W计算的参数值(例如厚度图像)在第三步骤43中用作初始参数值。在一实施例中，至少在最低带宽设置下，所述初始参数值(例如厚度图像)是使用传播子而不是射线路径计算的。在具有取样点和子取样的实施例中，带宽设置W的增加，增加了子取样的取样点的数目，通过插值确定用于新的子取样的取样点的参数的初始值。如果所述信号处理电路140在第六步骤46中确定带宽设置W已经达到或超过最大值Wmax，则所述信号处理电路140执行第八步骤48，输出由参数的值推导出的信息。例如可以展示图像， 将计算出的作为沿所述管线10的位置的函数的壁厚表示为图像中位置的函数。
测试信号代表(至少针对所述管线10的弯曲部分的)行进时间以及因多个频率的超声波引起的所述管线10的壁中的测得的位移(波幅)。即，不仅使用行进时间，还使用波幅。作为时间的函数的响应信号在连续波激发的情况下将是正弦信号。在脉冲激发的情况下，所述响应信号是针对所述管线10的壁中不同波长的正弦信号的和(积分)。对于笔直部分的应用，也可以使用这些超声波位移幅度，但在这种情况以及在更高的频率下，仅使用与激发脉冲造成的响应脉冲相关的行进时间就足够了。在图1的实施例中，所述信号处理电路140处理超声波换能器12a_d的相继的圈中单个换能器对之间的超声波发射响应函数，以形成作为所述管线10上位置的函数的管线壁厚的图像。使用超声波频率的较宽的带(例如从50kHz至IMHz)上的超声波发射响应函数。优选地，所述频率范围包括:所述管线10的壁中的超声波波长大于壁厚的频率、上至波长小于所述厚度的频率。所述信号处理电路140被配置为使用用于参数组的值的参数拟合过程，所述参数组(例如以管线壁厚)描述作为所述管线10上的位置的函数的声波传播速度。在迭代拟合过程中，所述参数组用于计算所述超声波发射响应函数(包括超声波振动幅度)的预测。所述信号处理电路140将这些预测与检测到的超声波发射响应函数(包括超声波振动幅度)进行比较。比较的结果用于适配所述参数的值。重复所述预测、t匕较和适配，直到满足收敛标准。所述参数的最终值作为对估计的管线壁厚的描述被输出。至少在一个或更多个最低频率处使用传播子计算所述预测。这使得可以确保收敛。通过使用极低的频率，可以得到初始的低分辨率图像。在低频处，通过与使用传播子计算出的预测进行比较来增加图像的可靠度。在包括弯曲管线部分时尤其如此。在一实施例中，使用用于弯曲管线部分的传播子计算针对所有频率的预测。即，针对被弯曲部分16分隔开的第一圈和第二圈的超声波换能器12b、c，所述拟合过程将超声波位移(而不仅是脉冲的波达时间的移动)拟合为频率或时间的函数。这样，用于适配所述参数的值的比较包括了对于仅行进时间信息的比较而言是冗余的发射波幅信息的比较。因此可以进行更准确的检测。对于预测的响应函数和测得的响应函数之间的差异的计算，可以计算针对每对超声波换能器12b、c的测得的响应函数时间傅立叶变换。其结果得到针对不同频率的傅立叶系数组，所述傅立叶系数组可以与计算出的针对超声波换能器12b、c的轴向位置和周向位置的波矢进行比较。可以计算差异的测量值，该测量值是对总计上至所述带宽设置的频率的、傅立叶系数和计算出的波矢之间的差异的绝对值的平方和。在一实施例中，可以根据频率对所述差异进行加权。等价地，可以使用测得的超声波振动幅度和预测的超声波振动幅度之间的差异的平方和，在求所述差异之前和/或之后与根据带宽设置W的时间依赖的波幅的时间低通滤波结合。所述收敛标准可以是该差异的测量值是否超过预定的阈值。第五步骤45的参数适配涉及对厚度参数值应用位置依赖的更新。选择影响带宽设置内的所述预测和所述检测之间的差异来更新单个参数或针对不同参数的大小的组合。可以使用所述差异对于针对所述带宽设置的可用的模型参数的导数来识别这种更新或更新大小的组合(当这些导数可以从 模型推导出来时)。现有技术拟合过程提供这样的选择。典型地，壁厚的更新选择在超声波换能器对12b、c之间存在的预测和检测之间的差异的螺旋盘旋的射线路径处或附近。所述更新可以根据任何适合的优化技术(例如根据Levenberg Marquardt 算法)来选择。第五步骤45的参数适配可以集中在具有对所述带宽设置中的预测的最大影响的参数或参数组的适配上。可以计算所述差异测量对所述参数的相应各参数的导数，以选择这种参数。例如可以仅针对取样位置的子取样子集来更新厚度值，而对这些位置之间的厚度作插值。当所述带宽设置增加时，用较小的带宽设置W获得的参数值用作计算针对增加了的带宽设置的参数值时的初始值。这样，使用在递增地更宽的响应频带上的相应各比较可获得空间细节递增地更高的空间分辨率。用较小的带宽设置W获得的初始值的使用降低了该过程收敛于仅为局域最优的参数组的风险。可以以任何方便的方式进行用于所述管线10上不同位置的参数的插值。例如可以使用以参数值可得的位置之间的线性函数的插值。可以使用其它插值函数，例如使用从所述壁上三个或更多个以上的位置处的参数值推导出的多项式系数的多项式插值函数。其它插值函数包括周向角度的正弦和余弦函数之和乘以整数。这相应于傅立叶级数。在一实施例中，使用多项式或傅立叶级数或其它函数展开的系数取代分立位置处的厚度值作为参数。在这种情况下，拟合过程中使用的傅立叶系数的个数可以根据所述带宽设置而变化。在图2的实施例中，一系列换能器在沿着所述管线的轴向的线上的周向位置处，处在围绕所述管线的相继的虚拟圈中，换能器组在附接于所述管线的支撑部的彼此相对的侧上。用所述支撑部彼此相对的侧上的换能器的发射和接收来确定在所述支撑部处的管线损伤。在该实施例中，可以使用提供厚度函数的模型，所述厚度函数将管线壁的厚度定义为沿着轴向上的换能器的线的位置的函数，并且可选地，所述模型还包括进一步的厚度函数，所述进一步的厚度函数定义沿着与该线相邻的多个平行线的厚度。除此以外，可以使用类似的测试过程，比较相继更高带宽下的迭代，每个迭代使用来自前一更低带宽下的迭代的厚度函数(以及可选·的进一步的厚度函数)作为初始的厚度函数(以及可选的进一步的厚度函数)。反过来，每个迭代包括将所述厚度函数(以及可选的进一步的厚度函数)适配于基于所述厚度函数(以及可选的进一步的厚度函数)的预测，所述预测粗略估计所述带宽处或以下的最近频率(或上至所述带宽的频率的组合)处的测得的波矢。至少在针对最低频率的迭代中，使用前述类型的传播子计算所述预测。尽管描述了使用以作为位置函数的管壁厚(由其可推导出针对不同频率的声速)表达的模型的实施例，但是应理解，可替代地，所述模型可以直接定义声速。在这种情况下，相继的拟合过程的初始化可包括根据在先的声速(例如通过将其临时转换为厚度)来确定用于下一频率的不同位置处的声速。给定的声波的体(bulk)速度、将厚度和作为频率的函数的声速联系起来的近似公式和表格本身是已知的。图5示出作为壁厚的函数的壁模的声速(相速度)的示例(d为壁厚度除以二，并且kt = 2* π *频率/体切向波速)。所述信号处理电路可以作为与程序存储器组合起来的可编程计算机电路实现，所述程序存储器包含使所述可编程计算机进行所述步骤的指令。可替代地，所述所有或部分的步骤可以由设计为进行所述步骤的专用电路进行。如本文所使用的，信号处理电路配置为执行所述步骤而涵盖了以专用电路和可编程计算机二者来实现。用于这种计算机的程序用诸如半导 体存储器、磁盘或光盘、以信息表征指令调制的信号、磁带等计算机程序产品来提供。
权利要求
1.一种用超声波进行管线壁性能测试的方法，所述方法包括: -提供在管线上彼此不同的位置处联结到所述管线上的一组超声波发射器和一组超声波接收器； -从所述超声波发射器发射超声波信号到所述管线的壁中； -检测因所述超声波信号穿过所述壁进行传播而在所述超声波接收器处引起的超声波响应信号； -提供第一预测模型和第二预测模型，将所述超声波响应信号的预测定义为第一组参数和第二组参数的函数，所述第一组参数和第二组参数分别在第一声频和第二声频处或在上至所述第一声频和第二声频的声频处、在第一空间分辨率和第二空间分辨率处决定所述壁中位置依赖的超声波波速，所述第二声频高于所述第一声频，所述第二空间分辨率高于所述第一空间分辨率，至少所述第一模型使用依赖于所述第一组参数的传播系数、将作为围绕所述管线的相继的圈中的周向位置的函数的波矢值的预测定义为针对所述圈中的一个在前的圈中多个周向位置的波矢值的和乘以传播系数；以及 -执行第一迭代拟合过程和第二迭代拟合过程，分别根据所述第一预测模型和第二预测模型，将所述第一组参数和第二组参数的值的组合拟合到检测到的超声波响应信号，使用经拟合的所述第一组的值的组合来初始化用于所述第二迭代拟合过程的所述第二组。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括一系列的预测模型，所述系列中包括作为所述系列中的初始预测模型的所述第二预测模型，所述系列中的每个预测模型均将所述超声波响应信号 的预测定义为相应各组参数的函数，所述相应各组参数在相应各声频处或上至所述相应各声频的声频处、在相应各空间分辨率处决定所述壁中位置依赖的超声波波速，所述相应各声频和所述相应各空间分辨率对于所述系列中相继的进一步的预测模型而言是递增的；并且 -执行相继的迭代拟合过程，每个迭代拟合过程分别根据所述进一步的预测模型中相继的预测模型，将所述进一步的预测模型中相继的预测模型的相应各组参数的值的组合拟合到检测到的超声波响应信号上，使用经拟合的来自所述相继的拟合过程中在前的拟合过程的值的组合来初始化用于每个下一相继的拟合过程的值。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述第二预测模型通过定义发射器和换能器之间的射线路径，并沿着依赖于由所述第二组参数确定的位置依赖的超声波波速的所述路径对行进时间积分，来定义所述超声波响应信号的预测。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述第一拟合过程和第二拟合过程包括:最小化预测的超声波响应的超声波波幅和检测到的超声波响应的超声波波幅之间的差异。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述管线在所述超声波发射器之间具有弯曲的部分。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述发射器和接收器分别沿所述管线的轴向横断面内的第一圆周圈和第二圆周圈被联结到所述管线上，每个所述的第一圆周圈和第二圆周圈位于互相隔开的周向位置上。
7.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中所述管线由与所述管线有接触部的支撑部支撑，所述发射器和所述接收器沿着所述管线的轴向上的线在彼此间隔开的周向位置被联结到所述管线上，所述发射器和所述接收器分别在所述接触部的彼此相对的侧被联结到所述管线上。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中经发射的超声波信号是包括第一频率处和第二频率处的成分的宽带信号，所述第一拟合过程和第二拟合过程被应用于检测到的超声波响应信号的选中的频率成分。
9.一种用超声波进行管线壁性能测试的系统，所述系统包括: -用于在管线上彼此不同的位置处联结到所述管线上的一组超声波发射器和一组超声波接收器； -联结到所述发射器和所述接收器上的激发电路和检测电路； -信号处理电路，所述信号处理电路联结到所述激发电路和检测电路上，以接收因发射器和接收器对之间的超声波发射而引起的响应信号，所述信号处理电路配置为进行第一迭代拟合过程和第二迭代拟合过程，分别将第一预测模型和第二预测模型的第一组和第二组的值的组合拟合到检测到的超声波响应信号，使用经拟合的所述第一组的值的组合来初始化用于所述第二迭代拟合过程的所述第二组，其中所述第一预测模型和所述第二预测模型将所述超声波响应信号的预测定义为第一组参数和第二组参数的函数，所述第一组参数和所述第二组参数分别在第一声频和第二声频处或在上至所述第一声频和第二声频的声频处、在第一空间分辨率和第二空间分辨率处决定所述壁中位置依赖的超声波波速，所述第二声频高于所述第一声频，所述第二空间分辨率高于所述第一空间分辨率，至少所述第一模型使用依赖于所述第一组参数的传播系数、将作为围绕所述管线的相继的圈中的周向位置的函数的波矢值的预测定义为针对所述圈中的一个在前的圈中多个周向位置的波矢值的和乘以传播系数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述信号处理电路配置为使用一系列的预测模型，所述系列中包括作为所述系列中的初始预测模型的所述第二预测模型，所述系列中的每个预测模型均将所述超声 波响应信号的预测定义为相应各组参数的函数，所述相应各组参数在相应各声频处或上至所述相应各声频的声频处、在相应各空间分辨率处决定所述壁中位置依赖的超声波波速，所述相应各声频和所述相应各空间分辨率对于所述系列中相继的进一步的预测模型而言是递增的，所述信号处理电路被配置为执行相继的迭代拟合过程，每个迭代拟合过程分别根据所述进一步的预测模型中相继的预测模型，将所述进一步的预测模型中相继的预测模型的相应各组参数的值的组合拟合到检测到的超声波响应信号上，使用经拟合的来自所述相继的拟合过程中在前的拟合过程的值的组合来初始化用于每个下一相继的拟合过程的值。
11.根据前述系统权利要求中任意一项所述的系统，其中所述第二预测模型通过定义发射器和换能器之间的射线路径，并沿着依赖于由所述第二组参数确定的位置依赖的超声波波速的所述路径对行进时间积分，来定义所述超声波响应信号的预测。
12.根据前述系统权利要求中任意一项所述的系统，其中所述发射器和所述接收器位于所述管线上，所述管线在所述超声波发射器之间具有弯曲的部分。
13.根据前述系统权利要求中任意一项所述的系统，其中所述发射器和所述接收器分别沿所述管线的轴向横断面内的第一圆周圈和第二圆周圈被联结到所述管线上，每个所述的第一圆周圈和第二圆周圈位于相互隔开的周向位置上。
14.根据前述系统权利要求中任意一项所述的系统，其中所述管线由与所述管线有接触部的支撑部支撑，所述发射器和所述接收器沿着所述管线的轴向上的线在彼此间隔开的周向位置被联结到所述管线上，发射器和接收器分别在所述接触部的彼此相对的侧被联结到所述管线上。
15.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括用于可编程计算机的指令的程序，所述指令当被所述 计算机执行时将使所述计算机进行根据前述方法权利要求中任意一项所述的方法。
全文摘要
使用超声波传播来测试作为位置的函数的管线壁厚。使用一系列预测模型，其将超声波响应信号的预测定义为不同参数组的函数。所述不同参数组在不同声频和不同空间分辨率处决定位置依赖的超声波波速。执行相继的迭代拟合过程，每个迭代拟合过程根据相应各预测模型将相继的参数组的值的组合拟合到检测到的超声波响应信号，使用来自在前的拟合过程的经拟合的值来初始化用于迭代拟合的下一参数组。至少第一模型使用依赖于第一组参数的传播系数、将作为围绕所述管线的相继的圈中的周向位置的函数的波矢值的预测定义为针对所述圈中的一个在前的圈中多个周向位置的所述波矢值之和乘以所述传播系数。
文档编号G01B17/02GK103238065SQ201180058080
公开日2013年8月7日 申请日期2011年10月7日 优先权日2010年10月7日
发明者阿尔诺·威廉·弗雷德里克·佛尔克, 游斯特·赫拉尔德斯·皮德勒斯·布罗姆 申请人:荷兰应用自然科学研究组织Tno
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