[发明专利]超声相控阵检测油气管道环焊缝缺陷类型自动识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声相控阵检测油气管道环焊缝缺陷类型自动识别方法，特别是涉及一种支持向量机的超声相控阵检测油气管道环焊缝缺陷类型自动识别方法，属于管道环焊缝缺陷类型的识别技术。

背景技术

大口径长输管道在焊接过程中可能会形成各种缺陷，给油气资源的运输带来安全隐患。目前，在管道焊接完成后，普遍采用超声相控阵探伤仪对环焊缝内部的缺陷进行快速的定位和定量分析。中国发明专利申请号03115222.8及01131937.2对相控阵超声波无损检测的系统结构及其用于大口径环焊缝缺陷检测的原理作了详尽的阐述。但是，系统只能检测到缺陷的位置及其当量大小，不能识别缺陷的类型。由于不同类型的缺陷对管道环焊缝的安全影响不同，所以，缺陷类型判断的准确率对于管输的安全运行非常重要。目前主要根据仪器采集到的超声缺陷信号的形状，依赖检测人员的探伤经验进行人工判定。这样会不可避免地引入误差。

超声相控阵探伤系统使用近似于δ函数的窄脉冲激励相控阵换能器，所以发射声波的频谱相当丰富，可以看作是由无限多个频率的谐波组成。而具有不同边界条件的缺陷可以看作是不同的系统函数，对输入超声缺陷信号的各种特性有不同的抑制或增强作用。因此，本发明采用模式识别技术，提出一种缺陷类型自动识别的方法，主要由缺陷特征提取、特征优化及缺陷类型识别三部分组成。其中，能否从超声缺陷信号中提取出各种缺陷的代表性特征是影响最后识别准确率的重要因素之一。常用的特征提取方法有时域法、频域法和联合时频分析法，特征量主要包括缺陷信号的振幅、相位、均方根、标准差、偏斜度、峭度及能量等。中国发明专利申请号97109099.8采用傅立叶变换得到超声缺陷信号的频谱。中国发明专利申请号200410011403.2通过提升小波包变换对超声缺陷信号进行滤波，然后利用希尔伯特(Hilbert)变换和正交解调方法对滤波信号进行联合时频分析，提取缺陷信号在不同频段中的能量特征。另外有文献报道，采用小波变换的方法提取缺陷的能量特征，能在一定程度上解决缺陷分类难的问题。但是以上这些特征提取方法都是基于希尔伯特变换和傅立叶变换。所以，特征提取的速度慢。而超声缺陷信号是一种非稳态的时变信号，在数学上不满足傅立叶分析的条件。因此，以上方法不能准确地反映缺陷信号的本质特征。

如何从众多特征量中提取最能代表缺陷本质的特征作为识别依据也是一个难点。另外，模式识别方法中有很多种分类器，常用的是人工神经网络。但是，这类方法是建立在传统统计学理论基础上，当训练样本数目趋向于无穷大时才有很高的识别正确率。如何确定一种适合于具有有限样本的管道环焊缝缺陷检测的分类器是另一个难点。

因此，发明一种能快速、准确地进行缺陷自动识别的方法，将超声缺陷信号的采集、分析与评价融为一体，有利于智能化超声相控阵探伤仪的研制，可对均质和非均质的金属和非金属复合材料进行无损检测，能广泛应用于石油、航空航天、核电站及铁路运输等关系到国民经济的众多领域，具有重要的实用价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种超声相控阵检测油气管道环焊缝缺陷类型自动识别方法，该方法具有识别速度快、准确率高的特点。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种超声相控阵检测管道环焊缝缺陷类型自动识别方法。该方法所采用的超声相控阵探伤仪其结构包括相控阵探头、爬行器械、下位机、上位机。其中相控阵探头主要负责向被测物体内发射超声波、接收来自缺陷的超声信号并转换成电压模拟信号。爬行器械是系统的动力机械部分，携带相控阵探头沿管壁移动。下位机可接收上位机发射控制参数并控制相控阵探头发射超声波，同时将来自于相控阵探头各通道的模拟电压信号进行数字化处理和信号合成。上位机通过与下位机通信，显示合成信号、进行缺陷类型的识别；另外采用人机交互界面，接受键盘输入命令和系统参数，生成检测方案传送给下位机。其中所述管道环焊缝的缺陷类型包括未焊透、未熔合、纵向裂纹和气孔。为了识别上述四类缺陷，用人工缺陷方槽、平底孔、通孔和圆孔分别模拟环焊缝中的未焊透、未熔合、纵向裂纹和气孔。自动识别管道环焊缝缺陷类型的方法，其特征在于包括以下过程：

(一)支持向量机模型的建立

1、将超声相控阵探伤仪下位机采集的四类人工缺陷信号中的每一个缺陷信号定义为：f(t)＝{x₀，x₁，...，x_M-1}，其中M为缺陷信号长度。对每一个缺陷信号均采用下述步骤2和步骤3的信号处理方法。

2、利用提升小波变换(LWT)对缺陷信号f(t)进行多层提升小波分解，设置小波分解层数R。其步骤如下：