专利名称：超声建模的制作方法
超声建模本发明涉及超声建模。更具体地，本发明涉及一种利用超声波给如管道这样的物 体的表面建模的方法和装置。根据本发明建立的模型可包含温度模型、高度模型或两者。已知利用超声波获得物体(如柱子或管道)表面上的信息。通常，超声脉冲被 朝向物体传输，反射脉冲被接收，并记录脉冲的传播时间。脉冲的传播时间(“飞行时间 (times-of-flight)”)上的任何差别都指示了物体表面相对高度方面的差异(且因此指示 了壁厚方面的差异)。该已知技术的例子在美国专利US 3 930 404号中公开。美国专利US 5 965 818公开了一种利用超声拉姆(Lamb)波测量由于管支架处的 局部腐蚀导致的壁厚减小的方法。利用两个换能器使拉姆波在圆周方向沿管壁传播。通过 比较测得的飞行时间数据，可以对由腐蚀造成的飞行时间的变化进行量化。然而，这样的已知方法忽视了温度可能对超声测量具有的影响。局部温度变化可 导致超声波的折射，因为在具有不同温度的区域之间，超声波的传播速度可表现出变化。折 射导致延迟，也就是更长的传播时间，这也指示高度差异。因此，局部温度变化可被误认为 高度差异，从而导致表面的任何高度模型中的误差。美国专利US 7 286 964公开了一种利用声波(如拉姆波)来监测物体的结构健 康状态并生成层析图像的方法。这种已知方法也涉及确定环境温度调节参数。调节应用于 被监测的整个表面而非局部。因此，由于局部温度变化造成的折射没有得到补偿，且可能发
生测量误差。国际专利WO 2004/099764公开了一种利用声信号确定管道、导管、容器或其它物 体中的结构特征的方法。所述文献没有提及温度对该方法的影响。英国专利申请GB 2 300 717公开了一种对管道节段(segment)中的温度进行建 模的方法。在几个站点直接测量液体温度和环境温度。然后，利用动能、辐射和传导的影响 来计算管道区段中的温度。计算的区段温度用于确定液体和管道两者的净膨胀和收缩。该 已知方法的空间分辨率受测量站点和管线区段的数目所限制。该方法不能提供管线区段的 圆周温度分布，也不能提供具有高分辨率的纵向温度分布。本发明的目的是克服现有技术的这些和其它问题，从而提供一种用于建立表面的 温度模型的方法和装置，该模型能够以改进的空间分辨率指示表面的局部温度变化。本发明进一步的目的是提供建立表面的温度补偿高度模型的方法和装置。因此，本发明提供了一种建立物体表面的温度模型的方法，该方法特征在于·利用超声换能器，用于产生和接收基本非分散的超声波， 利用测量出的基本非分散超声波在物体表面上的传播时间与所述传播时间的基 于模型的预测值之间的任何差异，来反复地调节温度模型，以及 温度模型表示表面的局部温度。通过利用基本非分散波来建立温度模型，使得表面高度(或管厚度)的影响基本 被消除。结果，传播时间的任何差异将基本完全由温度差异所导致。与只产生整体温度信息的现有技术方法相比，通过使用表示表面的局部温度的温 度模型，可提供详细的表面信息。本发明允许确定表面上的多个点的局部温度，这些点间隔小于一米(如间隔仅几厘米或几分米)，且也允许确定管道或圆筒的圆周方向上的温度差异。优选地，基本非分散波具有有限的频率范围，或者至少有限的频率范围，从而减少 或消除频率(波长)对传播时间的影响。本领域技术人员已知，分散波分解成不同频率的 成分。由于超声波在表面上传播的速度通常是频率相关的，所以分散波有扩展(spread， 扩散)的倾向，因此具有不明确的到达时间，除非利用分散校正。非分散波不易分成组元 (constituent element)。然而，除非将波的频带保持得较窄，否则难于产生完全非分散的 波且可发生一些分散。本发明提供了一种利用超声换能器为物体表面建立温度模型的方法，其中，优选 地，温度模型包括一组表面点，每个表面点指示表面的局部温度，并且其中，优选地，通过将 超声波从第一超声换能器传输到一个或多个第二超声波换能器来测量传播时间，第一超声 换能器和每个第二超声换能器沿表面限定了相应的路径。通过提供包含指示表面局部温度的表面点的温度模型，可为局部温度和局部温度 差异有效地建模，每个表面点表示表面上的一个点。因此，本发明的温度模型可视为温度分 布模型，指示表面的温度分布。优选地，重复执行产生基于模型的预测值和调节的步骤，直到差异小于一阈值，该 阈值优选为预先确定的。通过反复调节温度模型，使其成功地与测量到的传播时间吻合。通 过使用阈值，当已经达到足够精确度时，重复过程终止。本发明的方法优选地进一步包括层析反演步骤。该技术本身是已知的，其非常适 于在利用超声波的传播时间的同时为物体表面建模。 优选地，超声波导波，具体为脉冲导波。进一步优选地，脉冲波是SO模式(对称型， 零级)波，因为SO模式超声波被发现非常适合温度建模。本发明的方法可包括检测这样的表面点的进一步的步骤，所述表面点的温度低于 平均温度减去阈值，该阈值优选是预先确定的。这样，可检测局部温度极值(“热点”和“冷 点”)。特别地，对于可能由于液体渗漏导致的热点或冷点的检测，允许检测到管道或其覆盖 物中的孔。优选地，平均温度是整个表面的平均温度。可替换地，平均温度可为部分表面的平 均温度。本发明也提供了用超声换能器建立物体表面的高度模型的方法，该方法包含建立 以上限定的物体的表面温度模型的方法，此方法进一步包括以下步骤·用超声换能器产生和接收基本分散的超声波，以及 通过利用测得的基本分散超声波在表面上的传播时间与所述传播时间的基于模 型的预测值之间的任何差异，反复地调节高度模型。用同样的超声换能器，可建立温度模型和高度模型。虽然基本非分散波优选用于 建立温度模型，但基本分散波优选用于建立高度模型。在建立高度模型的方法中，进一步优选的是，高度模型包括一组表面点，每个表面 点指示表面的局部高度，该方法进一步包括以下步骤·基于表面的高度模型来预测传播时间，以及·基于温度模型来校正预测的传播时间。
通过用温度模型校正高度模型，获得更精确的高度模型。更具体地，通过基于温度模型校正高度模型的预测传播时间，针对局部温度变化 而校正高度模型。换句话说，高度模型的调节和最终建立考虑了温度模型，因此补偿了任何 温度影响，如因温度差异导致的折射。因此，基于温度模型校正测得的传播时间的步骤优选 包括用于因温度梯度导致的任何折射的校正。优选地，连续地建立温度模型和高度(或形状)模型，但在一些实施例中，可基本 同时地建立温度模型和高度模型。更优选的是，重复执行产生基于模型的预测步骤、校正步骤和调节步骤，直到差异 小于一阈值，该阈值优选是预定的。有利地，除了温度校正以外，本发明的温度调节的高度建模法还可包括对测得的 基本分散脉冲波传播时间应用相位校正的进一步的步骤。在有利的实施例中，为获得表面点的扩展组，预测传播时间的步骤包括对表面点 的组进行插值的子步骤，传播时间是用扩展组计算的。本发明还提供了计算机程序产品，用于执行以上限定的方法的数据处理(如，预 测、校正、和/或调节)步骤。计算机程序产品可包括存储在数据载体(如CD或DVD)上的 计算机可执行指令集。允许可编程计算机执行上面限定的方法的计算机可执行指令集也可 从远程服务器(如经因特网)下载获得。本发明还提供了利用超声换能器为物体的表面建模的装置，该装置包括·存储器单元，其用于存储表面的温度模型，该温度模型表示表面的局部温度；·传输单元(transmission unit，传输单元)，其用于将基本非分散波从第一换能 器传输到一个或多个第二换能器；以及·处理单元，其被配置成用于利用测量到的非分散超声波在表面上的传播时间与 所述传播时间的基于模型的预测值之间的任何差异，反复地调节温度模型。在优选实施例中，根据本发明的装置可具有以下有利技术特征·存储在存储器单元中的温度模型包括一组表面点，每个表面点指示表面的局部 温度；并且·处理单元被进一步配置成ο测量脉冲波的传播时间，ο根据表面的温度模型来预测传播时间，ο响应测量到的传播时间和计算的传播时间之间的任何差异，调节存储的表面温 度模型，和/或ο重复执行预测步骤和调节的步骤，直到该差异小于一阈值，所述阈值优选为预 先确定的。如上所述，本发明还设想了利用表面温度模型和高度模型两者。因此，该装置的另 一优选实施例具有以下特征·将存储器单元进一步设置为用于存储表面的高度模型， 将传输单元进一步设置为用于将基本分散脉冲波从第一换能器传输到一个或多 个第二换能器，以及 将处理单元进一步设置为用于使用测量到的基本分散的超声波在表面上的传播时间与所述传播时间的基于模型的预测值之间的任何差异，反复调节高度模型。本发明的装置提供与如上所述方法相同的优点。本发明还进一步提供了用于监测管道或储罐的系统，其包括至少一个第一换能 器、至少一个第二换能器以及如上限定的装置。有利地，该换能器和该装置能够无线通信。下面将参照附图中示出的示例性实施例来进一步解释本发明，附图中
图1示意性示出了根据本发明对其表面建模的物体。图2示意性示出了根据本发明的三维物体模型。图3示意性示出了根据本发明的二维物体模型。图4A和图4B示意性示出了本发明中使用的超声脉冲。图5示意性示出了根据本发明的表面建模装置。图1中仅以非限制性实例方式示出了管道2，管道2包括将要建模的表面3。在所 示例子中，表面3具有例如可能由于腐蚀导致的凹陷部6。通过对表面3合理地建模，可确 定凹陷部6的程度和(相对)高度。第一换能器单元4和第二换能器单元5都安装在管道2上，位于表面3的任一侧。 虽然第一换能器单元和第二换能器单元都能够传输和接收超声波，但是本发明中，第一换 能器4用于传输超声脉冲波，而第二换能器单元5用于接收这些波。换能器单元本身可以 是已知的并可以是压电单元。由第一换能器4产生的脉冲波或脉冲有确定的持续时间，例如，数μ s(微秒)。实 际持续时间可取决于具体应用，例如，取决于换能器单元的尺寸和相互距离。换能器的数目 可改变。应提供至少一个第一换能器4和至少一个第二换能器5，但优选的是使用多个第二 换能器5，例如，二、三、四、八个或更多个第二换能器5。使用多个第二换能器5可产生脉冲 波传播的多个路径且因此具有改进的表面建模。类似地，优选的是，使用一个以上的第一换 能器4。在图2和图3的例子中，使用了八个第一换能器4和八个第二换能器5，但本发明 不局限于这些具体数目。多个第一和/或第二换能器中的换能器优选地均勻隔开，但这不 是必须的。图2中示出了示例性的三维模型，而根据本发明的脉冲波传播路径和表面点的减 少是通过图3中的二维模型的方式示出的。图2中的三维模型基于图3的二维模型72。每 种模型都可为温度模型或高度模型。图2中的模型70代表管道(例如，图1中的管道2)的(外)表面。χ轴线和y轴 线沿管模型的横截面延伸，而ζ轴线沿其纵向延伸。本实例中的尺寸单位为米(m)。图2中 的三维模型实际上是图1中物体2的重建。三维重建本身在层析成像领域中是已知的。图2中建模的表面在一组第一换能器4和一组第二换能器5之间延伸。路径71 在每个第一换能器4与每个第二换能器5之间延伸。脉冲沿这些路径的传播时间与路径长 度成比例。沿平滑直表面延伸的路径比跨越图1中凹陷6的路径更短。相应地，沿这些路 径的传播时间将不同，且脉冲将在不同时间到达。模型将计算(即预测)脉冲沿不同路径的到达时间。如果模型初始假设所有的路 径具有相等的长度，则对于跨越凹陷6的路径来说，在测得的传播时间与计算的传播时间 之间会出现差异。该差异可通过调节模型来补偿。模型的初始值可基于实际物体(如管 道)的测量值和/或基于理论考量。
在图3的二维实例中，水平轴线沿管模型的圆周R延伸，而ζ轴线沿其纵向延伸。 尺寸单位为米(m)。如图3所示，第一换能器4和第二换能器5沿模型的圆周均勻隔开。由第一换能 器产生的脉冲将被第二换能器检测。到达时间(以及进而的传播时间)至少近似地与在每 个第一换能器4和每个第二换能器5之间延伸的一组路径71对应。为了绘图清晰，图3仅 示出了这样的一组路径71。如上所述，模型包括关于物体表面(图1中的3)的信息。在高度模型的情形中， 该信息可包括一组数值，所述数值代表表面的多个点的(相对或绝对)高度。类似地，在温 度模型的情形中，该信息通常一组数值，所述数值包括代表表面的多个点(“取样点”)的 (相对或绝对)温度。如图1所示，凹陷6处的表面高度比在第一换能器4处的小。为给表面精确建模， 需要大量表面点，例如，数百个甚至数千个表面点。然而，从测得的传播时间直接确定表面 点将要求大量的计算。因此，本发明的实施例提供了一种更有效的模型，其仅包含有限数量 的表面点，所以可显著减少计算量。在所述实施例中，模型仅包含有限组的表面点73。这些“核心”表面点存储于模型 中，且如果需要，可被调节，从而与观察的传播时间匹配。在所示实例中，模型中仅使用了 M 个表面点，因此，与上述数百个或数千个点相比，明显节省了计算量。应该理解，“核心”表面 点的数目可根据建模的表面尺寸和要求的精度而改变，且该数目在大于或小于M时效果 同样好，例如16、30或50。在某些区域，模型的一部分的“核心”表面点的数目可增加以提 供更高分辨率。这种“核心”表面点数目的局部增加可动态调节。为了精确地给表面建�：驮げ獯ナ奔洌ǔＰ枰罅康谋砻娴�。根据本发明 进一步的方面，通过插值法得到表面点的扩展组。即，如果需要，可对模型的一组表面点 (“核心”表面点)进行插值，从而提供用于计算传播时间和提供更详细的表面信息的表面 点扩展组。这样，示例性数目的M个表面点可以扩展到例如IOM个表面点。因此，用于所述实施例的模型可视为二级模型。在基本级上，确定并存储有限的 (如对个)表面点的组。这些“核心”表面点是根据测量的传播时间而调节的。在较高级 上，用插值法确定且(暂时或永久)存储表面点(如IOM个)的扩展组。因此，与直接获 得的“核心”表面点不同，这些扩展表面点是从测量的传播时间中间接获得的。利用扩展点组，根据模型的传播时间可用本身已知的数值技术精确确定。通常，每 个路径71都被分成大量区段。对每一路径，使用从模型获得的表面点扩展组中包含的高度 信息，计算所有路径区段的传播时间。然后通过计算特定路径区段的传播时间的总和来确 定每个路径的传播时间，得到计算的传播时间。在大部分实施例中，测得的传播时间是通过从脉冲的到达时间中减去其传播时间 来确定的。通常通过记录激活信号发送至第一换能器单元的时间的点来确定发送时间，而 通常通过记录从第二换能器单元接收到检测信号的时间点来确定到达时间。然后比较计算的(即预测的)传播时间与测量的传播时间并记录任何差异。然 后，利用可能本身已知的优化方法对模型进行优化，以便消除差异。合适的已知优化方法是 Levenberg-Marquardt 禾口高斯-牛顿(Gauss-Newton)方法。在本发明的方法中，可用表面波。表面波的优势在于，每个脉冲都获得路径(而不仅仅是一点)的信息。已发现，瑞利波(Rayleigh wave)是非�：鲜实谋砻娌ǎ蛭溲匚� 体表面传播。因此，其传播时间提供了表面结构的非常精确的信息。然而，优选是导波，尤其是当不仅需要关于表面的信息而且还需要关于物体壁厚 的信息时。具体地，利用导波的有利的分散行为当给定频率时，波的传播速度取决于壁厚。 因此，假设物体的温度均勻，则任何测量的速度的改变都指示壁厚的变化。因此，根据本发明，温度模型被提供来为物体的温度分布建模。优选反复进行建 模，在随后的重复中调节初始模型，直到由模型预测的超声脉冲传播时间与实际测量的超 声传播时间之间的任何差异小于阈值为止。该模型允许确定由于温度差(也就是由于温度 的任何不均勻分布)导致的任何传播时间校正(或延迟校正)。这样的温度差可导致折射， 且因此延迟，并且如果不考虑在内的话，可导致不准确的高度测量值。 本发明中的温度模型建立方法不仅允许建立精确的温度模型，还允许通过利用温 度模型校正任何计算的和/或测量的传播时间来改进表面(高度)建模法。即，可考虑由 于局部温度差导致的任何折射，从而校正测量的和/或预测的传播时间。因此，所得到的高 度模型精确得多。本发明建立两类表面模型表示表面温度分布的温度模型和表示表面高度(或相 反，物体的厚度)的高度模型。温度模型可单独使用，以提供温度信息，但也可用于通过考 虑任何折射延迟来校正高度模型(例如，通过确定在某一超声波路径中由于折射引起的预 期延迟，并从测量的延迟中减去预期延迟，以确定温度补偿的延迟)。本发明使用基本非分散(脉冲)波来建立温度模型，并使用基本分散(脉冲)波来 建立高度(厚度)模型。这是基于这样的认识，即，非分散波不取决或者基本不取决材料的 厚度(即材料的高度)。因此任何传播时间差异都因此由于温度变化所导致(假定超声波 的频率恒定)。另一方面，分散波取决于材料的厚度，也取决于温度(再次假设频率恒定)。 通过首先用非分散波确定温度影响并且进而用分散波确定高度影响并补偿温度影响，可获 得非常精确的高度测量值，因此可获得非常精确的高度模型。在使用SO模式时，能够基于其频率容易地选择非分散波和分散波较低频率范围 产生非分散波，而高频率范围产生分散波。根据本发明的另一方面，相位校正可用于校正分散波。这在图4A和4B中示意性 示出，其中，图4A示出了原始脉冲81 (粗线)和其相应的失真脉冲82 (细线)，图4B示出重 建的脉冲83。在图4A中，所示的脉冲82因散射而失真与原始脉冲81相比，脉冲的原始相位关 系丧失，且脉冲在时间上(时域)展开。这就使得脉冲到达时间及其传播时间的确定的精 度较低。可通过应用(可选的)相位校正X来避免这种精度损失。在示例性实施例中，相 位校正X可表达为
权利要求
1.一种建立物体O)的表面(3)的温度模型的方法，所述方法的特征在于使用超声换能器G、5)，用于产生和接收基本非分散的超声波；利用测量的基本非分散超声波在所述表面C3)上的传播时间与所述传播时间的基于 模型的预测值之间的任何差异，反复调节温度模型；并且所述温度模型表示所述表面(3)的局部温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度模型包括一组表面点，每个表面点都指 示所述表面的局部温度，并且其中，通过将超声波从第一超声换能器(4)传输到一个或多 个第二超声波换能器( 来测量所述传播时间，所述第一换能器和每个第二换能器沿所述 表面限定了相应的路径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，重复所述产生基于模型的预测值的步骤和所 述调节的步骤，直到所述差异小于一阈值，所述阈值优选是预先确定的。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，进一步包括层析反演的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述超声波是导波，优选是SO模式 波，更优选是脉冲SO模式波。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括检测其温度低于平均温度减去阈值的 表面点的进一步的步骤，所述阈值优选是预先确定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述平均温度是整个表面(3)的平均温度。
8.—种通过使用超声换能器(4、幻建立物体O)的表面(3)的高度模型的方法，所述 方法包括根据前述权利要求中任一项所述的建立物体O)的表面(3)的温度模型，所述方 法进一步包括以下步骤使用所述超声换能器G、5)，用于产生和接收基本分散的超声波，以及利用测量的基本分散的超声波在所述表面C3)上的传播时间与所述传播时间的基于 模型的预测值之间的任何差异，反复调节高度模型。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述高度模型包括一组表面点，每个表面点都指 示所述表面的局部高度，所述方法进一步包含以下步骤基于所述表面的高度模型，预测传播时间，以及基于所述温度模型校正预测的传播时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，重复所述产生基于模型的预测值的步骤、所述 校正的步骤和所述调节的步骤，直到所述差异小于一阈值，所述阈值优选是预先确定的。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，基于所述温度模型校正传播时间的步骤包 括对于由于温度梯度造成的任何折射的校正。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括如下进一步的步骤除了温度校 正外，还对测量的基本分散波的传播时间进行相位校正。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，产生传播时间的基于模型的预测值 的步骤包括对所述一组表面点进行插值以获得表面点扩展组的子步骤，所述传播时间是 利用所述扩展组而计算的。
14.一种计算机程序产品，其用于执行根据权利要求1-13中任一项所述的方法的数据 处理步骤。
15.一种用超声换能器G、5)为物体O)的表面C3)建模的装置(1)，所述装置包括存储器单元(11)，其用于存储所述表面的温度模型，所述温度模型表示所述表面(3) 的局部温度，传输单元(12)，其用于将基本非分散的波从第一换能器(4)传输至一个或多个第二换 能器(5)，以及处理单元(10)，其布置为用于利用测量的基本非分散的超声波在所述表面C3)上的传 播时间与所述传播时间的基于模型的预测值之间的任何差异，反复调节温度模型。
16.根据权利要求15所述的装置，其中存储在所述存储器单元(11)中的温度模型包含一组表面点，每个表面点都指示所述 表面的局部温度，并且所述处理单元(10)被进一步设置为用于测量脉冲波的传播时间，根据所述表面的温度模型预测所述传播时间，响应于测量的传播时间与计算的传播时间之间的任何差异，调节存储的所述表面的温 度模型，和/或重复所述预测的步骤和所述调节的步骤，直到所述差异小于一阈值，所述阈值优选是 预先确定的。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其中所述存储器单元(11)被进一步设置为用于存储所述表面的高度模型，所述传输单元(1 被进一步设置为用于将基本分散的脉冲波从所述第一换能器(4) 传输到一个或多个第二换能器( ，以及所述处理单元(10)被进一步设置为用于利用测量的基本分散的超声波在所述表面 (3)上的传播时间与所述传播时间的基于模型的预测值之间的任何差异，反复调节所述高 度模型。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述高度模型包括一组表面点，每个表面点都 指示所述表面的局部高度。
19.一种用于监测管线或储罐的系统，其包括至少一个第一换能器G)、至少一个第二 换能器(5)和根据权利要求15-18中任一项所述的装置(1)。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述装置(1)和所述换能器(4、幻能够无线通
全文摘要
一种用超声波换能器(4、5)建立物体(2)的表面(3)的温度模型的方法，其包括通过利用测量的超声波的传播时间和其基于模型的预测值来反复调整温度模型的步骤。用于建立温度模型的超声波优选是基本非分散的超声波。该方法可进一步包括表面(3)的高度模型，使用基本分散的超声波来建立该高度模型，并用温度模型校正该高度模型。
文档编号G01N29/44GK102089652SQ200980127340
公开日2011年6月8日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者彼得·雅各布斯·吉斯伯托斯·范贝克, 约斯特·赫拉尔杜斯·彼得鲁斯·布洛姆, 阿尔诺·威廉·福雷德里克·福尔克尔, 阿简·马斯特 申请人:荷兰应用科学研究会(Tno)
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