CN102537668B - 一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，涉及管道内检测技术领域，通过声学地面标记***采集内检测器与管壁摩擦产生的符合预设规律的摩擦声信号；通过带通滤波器、全波整形和取包络处理，获取包络信号；建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型；把地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离、在信号时段内管道内检测器的运行速度以及得到的包络信号代入所建立的数学模型中，通过最小二乘拟合，获取到地面标记时刻。经过实验证明，通过本方法获取到的地面标记时刻的误差较小，得到的地面标记时刻更精确，能满足工程的需要，进而能对管道内检测器的里程轮误差进行更准确的修正。

Description

一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法

技术领域

本发明涉及管道内检测技术领域，特别涉及一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法。

背景技术

输送管道由于材料缺陷、外力损伤、施工缺陷以及腐蚀等因素导致管道产生缺陷。这些缺陷对管道的安全运行造成潜在的危险，不及时处理，一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。为确保输送管道的安全运行，必须要对输送管道进行缺陷检测。

管道内检测技术是把装有无损检测设备及数据采集、处理和存储***的管道内检测器放置在管道中，在流体介质的推动下在管道内运行，检测管体的缺陷并对缺陷进行准确的位置定位。管道内检测器上安装有里程轮，通过记录里程轮滚过的角度就可以计算出内检测器运行的路程，定位出管道缺陷的位置。但是经过上百公里运行后定位误差会累积达数十米甚至上百米，无法满足工程需要。为了修正累积定位误差，在管道沿线每隔1-2km处放置一个地面标记器，地面标记器测得管道内检测器通过其正下方的时刻(以下简称地面标记时刻)，将该时刻内检测器记录的里程值修正到地面标记器的位置上。在进行数据处理时，以地面标记器为位置参考点，测量管道缺陷相对于地面标记器的距离。

现代管道正在向着大口径、深埋、厚壁的方向发展，传统电磁测深方式的地面标记***已经无法满足需求。因此基于声学的地面标记***开始受到重视。声学地面标记***利用内检测器在管道内行进时与管壁摩擦或与管道焊接处碰撞发出的声音信号实现检测。声学地面标记***的传感器在当内检测器接近时，检测摩擦声信号直至内检测器离开，经过后续的放大、滤波、存储和处理查找到内检测器通过地面标记器正下方的时刻。

地面标记时刻的查找方法依据的是管道内检测器通过地面标记器正下方时，声音传播距离最短，受到的衰减最小，采集到的声信号强度最强的原理，把声信号能量最强的时刻确定为地面标记时刻。地面标记时刻的查找过程是首先提取摩擦声信号的包络，然后以包络的峰值点所在的时刻作为地面标记时刻。

在包络提取中，现有的方法都是基于极值插值的原理，依赖于摩擦声信号的极值，而摩擦声信号是复杂多变的宽频带信号，基于极值插值原理的包络提取办法所得到的包络不光滑，很难精确地判断出峰值时刻，无法得到准确的地面标记时刻，进而不能对管道内检测器的里程轮误差进行准确的修正。

发明内容

为了能够得到准确的地面标记时刻，从而对管道内检测器的里程轮误差进行准确的修正，本发明提供了一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，所述方法包括以下步骤：

一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，所述方法包括以下步骤：

(1)通过声学地面标记***采集内检测器与管壁摩擦产生的符合预设规律的摩擦声信号S(t)；

(2)通过带通滤波器对所述符合预设规律的摩擦声信号S(t)进行处理，获取滤除噪声后的信号S₁(t)；

(3)对所述滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理，获取全波整形后的信号S₂(t)；

(4)对所述全波整形后的信号S₂(t)求导数，将一阶导数为零的点作为极值点，从所述全波整形后的信号S₂(t)中提取出多个极值点，再连接所有极值点，构成包络信号S₃(t)；

(5)通过查看管道建造记录获取地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h；

(6)根据地面标记器检测到内检测器经过的时间段内里程轮在单位时间内所记录的距离，确定出信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v；

(7)建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型；

(8)把所述地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h、所述在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v以及得到的所述包络信号S₃(t)代入所建立的所述数学模型中，通过最小二乘拟合，获取到地面标记时刻t₀。

所述预设规律具体为：

内检测器经过地面标记器的过程中摩擦声信号的幅度会呈现出由小变大，再由大变小的规律。

所述对所述滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理，获取全波整形后的信号S₂(t)具体为：

取所述滤除噪声后的信号S₁(t)绝对值，即所述全波整形后的信号S₂(t)＝|S₁(t)|。

所述建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型具体为：

将地面标记器附近的土壤等效成均匀黏弹性各向同性介质，得到开尔芬介质中纵波的振幅函数：

u＝u₀×e^-αz    (1)

式(1)中u₀为声源振幅，α为空间衰减系数，z为波的传播方向；

把摩擦声信号的传播等效为球面传播模型，令球面半径r＝z，则开尔芬介质中球面波纵波的振幅函数：

$u=\frac{u_0}{r}\×e^{-\mathrm{\αr}}---\left(2\right)$

地面标记的传感器与管道内检测器的位置关系式为：

$r=\sqrt{h^2+l^2}=\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)，获取所述地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型：

$u\left(t\right)=\frac{u_0}{\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}\×e^{-\mathrm{\α}\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}---\left(4\right)$

其中h为地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离，v为在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度，t为内检测器在管道内运行的某一时刻，t₀是管道内检测器到达地面标记器正下方的时刻。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，本方法通过从摩擦声信号中截取出符合预设规律的摩擦声信号；再对符合预设规律的摩擦声信号做滤波、全波整形以及取包络的预处理；最后根据本发明所建立的数学模型以及包络信号S₃(t)确定出地面标记时刻；经过实验证明，通过本方法获取到的地面标记时刻的误差较小，平均误差为0.0074s，最大误差不超过0.018s，精度得到了提高，所得到的地面标记时刻更精确，能满足工程的需要，进而能对管道内检测器的里程轮误差进行更准确的修正。

附图说明

图1为本发明提供的一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法的流程图；

图2为本发明提供的摩擦声信号与管道内检测器位置的对应关系示意图；

图3为本发明提供的截取出的原始摩擦声信号S(t)；

图4为本发明提供的原始摩擦声信号滤波后的信号S₁(t)；

图5为本发明提供的对S₁(t)全波整形后的信号S₂(t)；

图6为本发明提供的对S₂(t)提取包络后的信号S₃(t)；

图7为本发明提供的地面标记器的传感器与管道内检测器的位置关系示意图；

图8为本发明提供的地面标记时刻的误差对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了能够得到准确的地面标记时刻，从而对管道内检测器的里程轮误差进行准确的修正，本发明实施例提供了一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，参见图1，首先用声原理地面标记***采集内检测器与管壁摩擦产生的摩擦声信号，由于内检测器通过地面标记器时产生的摩擦声信号的幅值会呈现出由小变大，再由大变小的规律，根据此特点，从摩擦声信号中截取出符合该规律的信号部分；再对截取到的摩擦声信号做预处理，包括滤波、全波整形以及取包络；最后根据本发明实施例所建立的地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型和预处理后的摩擦声信号，确定出地面标记时刻，详见下文描述：

101：通过声学地面标记***采集内检测器与管壁摩擦产生的符合预设规律的摩擦声信号S(t)；

其中，参见图2，预设规律具体为：内检测器经过地面标记器的过程中摩擦声信号的幅度会呈现出由小变大，再由大变小的规律。从地面标记器记录的摩擦声信号中截取出符合该预设规律的一段信号，如图3所示，将此信号记为S(t)。

102：通过带通滤波器对符合预设规律的摩擦声信号S(t)进行处理，获取滤除噪声后的信号S₁(t)；

其中，通过带通滤波器的处理，滤除掉了S(t)中的噪声成份，得到去噪后的信号如图4所示，记为S₁(t)。

其中，具体实现时，本实施例中所用的带通滤波器带宽为50-600Hz，也可以根据实际应用中的需要选取其他参数的带通滤波器，本发明实施例对此不做限制。

103：对滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理，获取全波整形后的信号S₂(t)；

其中，参见图5，对滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理具体为：取滤除噪声后的信号S₁(t)绝对值，即全波整形后的信号S₂(t)＝|S₁(t)|。

104：对全波整形后的信号S₂(t)求导数，将一阶导数为零的点作为极值点，从全波整形后的信号S₂(t)中提取出多个极值点，再连接所有极值点，构成包络信号S₃(t)；

参见图6，可以清楚的看出包络信号S₃(t)和极值点之间的关系。

105：通过查看管道建造记录获取地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h；

106：根据地面标记器检测到内检测器经过的时间段内里程轮在单位时间内所记录的距离，确定出在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v；

107：建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型；

其中，管道摩擦声信号的传播主要依靠土壤介质，小范围内土壤介质特性相差很小，可以将地面标记器附近的土壤等效成均匀黏弹性各向同性介质，得到开尔芬介质中纵波的振幅函数是：

u＝u₀×e^-αz    (1)

式(1)中u₀声源振幅，α为空间衰减系数，z为波的传播方向。实际地面标记***中，内检测器与管壁某处摩擦的声音可以视为点声源，声源位于地面标记器的近场，声音的传播可以等效成球面传播模型，令球面半径r＝z。则开尔芬介质中球面波纵波的振幅函数是：

$u=\frac{u_0}{r}\×e^{-\mathrm{\αr}}---\left(2\right)$

根据图7所示的地面标记器的传感器与内检测器的位置关系，可以得到地面标记的传感器与管道内检测器的位置关系式为：

$r=\sqrt{h^2+l^2}=\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}---\left(3\right)$

式(3)中h为地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离，t为内检测器在管道内运行的某一时刻，t₀是内检测器到达传感器正下方的时刻，将式(3)代入式(2)，得地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型：

$u\left(t\right)=\frac{u_0}{\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}\×e^{-\mathrm{\α}\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}---\left(4\right)$

108：把地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h、在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v以及得到的包络信号S₃(t)代入所建立的数学模型中，通过最小二乘拟合，获取到地面标记时刻t₀。

其中，该步骤具体为将公式(4)中的数学模型表示成关于包络信号S₃(t)的数学模型，参见公式(5)：

$S_3\left(t\right)=\frac{u_0}{\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}\×e^{-\mathrm{\α}\sqrt{h^2+v^2\×{(t-t_0)}^2}}---\left(5\right)$

将获得的地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h，在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v代入到式(5)中，通过最小二乘拟合，获取到地面标记时刻t₀。

下面以一个具体的实验来验证本发明实施例提供的一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法的可行性，详见下文描述：

参见图8，为本方法与现有技术得到地面标记时刻t₀的误差对比图。其中，纵坐标中的地面标记时刻误差Δt是绝对误差，通过地面标记时刻t₀与地面标记时刻的真实值作差得出。Δt₁是现有技术经15次重复实验得出的地面标记时刻误差曲线，Δt₂是本方法经15次重复实验得出的地面标记时刻误差曲线。从图8中可以看出，现有技术获取到的地面标记时刻误差很大，平均误差为0.1028s，最大达到0.25s；本方法获取到的地面标记时刻误差较小，平均误差为0.0074s，最大误差不超过0.018s，精度得到了显著地提高。因此可见，本方法所得到的地面标记时刻更精确，能满足工程的需要，进而对管道内检测器的里程轮误差进行准确的修正。

综上所述，本发明实施例提供了一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，本方法通过从摩擦声信号中截取出符合预设规律的摩擦声信号；再对符合预设规律的摩擦声信号做滤波、全波整形以及取包络的预处理；最后根据本发明实施例所建立的数学模型以及包络信号S₃(t)确定出地面标记时刻；经过实验证明，通过本方法获取到的地面标记时刻的误差较小，平均误差为0.0074s，最大误差不超过0.018s，精度得到了显著地提高，所得到的地面标记时刻更精确，能满足工程的需要，进而能对管道内检测器的里程轮误差进行更准确的修正。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种管道内检测器地面标记时刻的确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

(1)通过声学地面标记***采集内检测器与管壁摩擦产生的符合预设规律的摩擦声信号S(t)； 

(2)通过带通滤波器对所述符合预设规律的摩擦声信号S(t)进行处理，获取滤除噪声后的信号S₁(t)； 

(3)对所述滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理，获取全波整形后的信号S₂(t)； 

(4)对所述全波整形后的信号S₂(t)求导数，将一阶导数为零的点作为极值点，从所述全波整形后的信号S₂(t)中提取出多个极值点，再连接所有极值点，构成包络信号S₃(t)； 

(5)通过查看管道建造记录获取地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h； 

(6)根据地面标记器检测到内检测器经过的时间段内里程轮在单位时间内所记录的距离，确定出在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v； 

(7)建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型； 

(8)把所述地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离h、所述在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度v以及得到的所述包络信号S₃(t)代入所建立的所述数学模型中，通过最小二乘拟合，获取地面标记时刻t₀;

其中，所述预设规律具体为： 

内检测器经过地面标记器的过程中摩擦声信号的幅度会呈现出由小变大，再由大变小的规律； 

其中，所述对所述滤除噪声后的信号S₁(t)进行全波整形处理，获取全波整形后的信号S₂(t)具体为： 

取所述滤除噪声后的信号S₁(t)绝对值，即所述全波整形后的信号S₂(t)=|S₁(t)|； 

其中，所述建立地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型具体为： 

将地面标记器附近的土壤等效成均匀黏弹性各向同性介质，得到开尔芬介 质中纵波的振幅函数： 

u=u₀×e^-αz     (1) 

式(1)中u₀为声源振幅，α为空间衰减系数，z为波的传播方向； 

把摩擦声信号的传播等效为球面传播模型，令球面半径r＝z，则开尔芬介质中球面波纵波的振幅函数： 

地面标记的传感器与管道内检测器的位置关系式为： 

将式(3)代入式(2)，获取所述地面标记器接收到内检测器摩擦声信号的幅值随时间变化的数学模型： 

其中h为地面标记器的传感器到管道中心的垂直距离，v为在信号S(t)时段内管道内检测器的运行速度，t为内检测器在管道内运行的某一时刻，t₀是内检测器到达地面标记器正下方的时刻。 

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