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基于稀疏表示的管道缺陷超声复合阵列成像研究

李迎雪  
【摘要】:管道作为石油和天然气等能源输送方式之一,长时间遭受腐蚀、压力和温度等多种环境应力的作用,极易产生各种类型的缺陷,从而导致泄漏事故的发生,造成环境污染、经济损失,甚至火灾或爆炸等安全事故。因此,开展管道缺陷的检测与成像研究对管道缺陷量化评估具有重要意义。超声成像技术可以根据超声回波信号中携带的声场特征参量来构建管道内部结构的声学图像,为管道缺陷的量化与评估提供直观、可靠的可视化判断依据。由于3D超声成像技术可以显示更加丰富和直观的量化信息,逐渐引入到管道缺陷检测领域中。但是,目前管道超声3D成像技术一般通过2D平面切片图像合成3D图像,存在运算复杂程度高,时间效率低的不足,限制了该项技术在管道缺陷可视化检测中的应用。论文采用超声传感器复合阵列结构获取管道缺陷的超声回波信号,并应用稀疏表示方法直接从超声回波信号中提取缺陷的3D声场特征参量,提高了特征参量提取的抗干扰性能,避免了从2D图像中合成3D信息的复杂运算过程。为了提高特征参量提取的运算效率,针对稀疏表示方法分别提出了自适应Gabor原子字典构建方法和基于CSO(Chicken Swarm Optimization)的原子搜索算法。然后,将提取的缺陷3D声场特征参量投影到由扇形体素划分的管道空间模型中,构建了管道缺陷超声复合阵列的3D成像模型,实现了管道缺陷的3D成像,为后续的缺陷量化与评估提供了参考依据。论文的具体研究内容如下:(1)分析了管道缺陷超声复合阵列检测原理,根据超声复合阵列几何结构和声束传播特性,给出了缺陷空间位置求解算法。搭建了超声复合阵列管道缺陷检测试验系统。(2)分析了信号稀疏表示的基本原理及其关键技术问题,并针对超声回波信号的特性,研究了传统Gabor原子字典构建方法及超声回波信号稀疏表示的具体流程。(3)针对传统Gabor原子字典规模大、运算效率低的问题,研究了自适应Gabor原子字典的构建方法。通过仿真分析和实测实验结果分析,表明该字典具有良好的抗噪性能,能够显著提高稀疏表示的运算效率,其运行时间仅为传统Gabor原子字典的19%左右。(4)针对遍历式原子搜索方法复杂度高、耗时长的不足,研究了基于CSO的原子搜索算法。实验结果表明,该方法在保持与遍历式原子搜索方法同等计算精度的条件下,运行时间仅为后者的20%左右。(5)研究了基于稀疏表示方法的管道缺陷3D声场特征参量提取方法,建立了管道缺陷超声复合阵列3D成像模型。在搭建的试验系统上对不同走向和大小的内外表面裂纹和孔状缺陷进行了3D成像实验。成像结果表明,该方法可显示缺陷的位置、大小等量化信息,可为缺陷的量化与评估提供直观的判断依据。


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