高斯带通滤波器的设计及其在管道超声检测中的应用

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摘要:本文分析了本文分析了由超声换能器,耦合剂,石油管道组成超声检测系统,得出了超声回波信号的数学模型,依据超声回波信号的数学模型,并利用最大信噪比原理设计出高斯带通滤波器,应用所设计的高斯带通滤波器对超声信号处理,大大提高了信噪比,有效的提取出缺陷信息。滤波后超声回波的包络的峰值对应着各个回波到达的时间。

关键词:高斯带通滤波器;超声回波;缺陷

中图分类号:TN713 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 04-0000-02

Design of Gaussian Band-pass Filter&Application In Ultrasonic Testing of Oil Pipeline

Xu Hupeng, Xue Dedong, Lu Chenglang

(Oujiang College, Wenzhou University,Wenzhou325035,China)

Abstract:Ultrasonic non-destructive evaluation (NDE) is widely use for detection flaws in oil pipeline.For improving the signal to noise ratio (SNR) and extracting flaw echo corrupted by noise,Gaussian band-pass filter is designed based on the model of ultrasonic echo signal.The analysis results show that it is effective to use Gaussian band-pass filter extracting the information of small flaw in pipeline NDE.The amplitude envelope of the processed ultrasonic signal after envelope detection obtains a notable SNR enhancement.

Keywords:Ultrasonic Echo;Gaussian Band-pass filter;Flaw

一、引言

目前,我国在役长距离油气输送管道总长达两万公里左右,其中多数石油管道已经使用了数十年,由于腐蚀导致的油气泄漏事故时有发生,不仅造成了经济损失、能源浪费,而且严重污染环境,危及人身安全。因此对管道进行检测及评估,以确保管道网络安全运输是非常重要的[1]。当前我国正在进行的长达4000Km 耗资将近200亿美元的“西气东送”项目和即将进行的“中俄石油管道”项目,使得我国拥有自主知识产权的管道检测装置显得犹为紧迫。石油管道缺陷超声检测系统一般由超声探头、发射接收电路、数据采集电路、数据分析处理系统、石油管道和石油(耦合介质)组成。材料噪声、仪器噪声和超声信号数字化有限字长效应等引起的噪声是海底石油管道缺陷超声检测不可避免的,而且使得超声检测信号信噪比较低,影响缺陷的定性和定量评价。因此缺陷信号的去噪处理对于海底石油管道缺陷的超声检测具有重要意义。对于超声信号的去噪处理国内已经进行了大量的研究[3][4],并且已经积累了一些成功的经验。但是对于海底石油管道缺陷超声检测信号的去噪尚无系统、细致的研究。本文从分析超声回波信号的数学模型出发,利用最大信噪比原理设计出高斯带通滤波器,以达到有效提取缺陷信息,提高信噪比的目的。通过实验验证了用高斯带通滤波器提取缺陷信息的有效性。

二、超声回波信号模型分析与高斯带通滤波器的设计

在超声检测中,超声信号可以模型化为:

(1)

其中(2)

系统的冲击响应,系统由超声换能器,耦合剂,石油管道组成。超声信号模型化为以超声换能器固有中心频率的信号,因此,超声换能器对超声信号的模型起着支配作用。 为回波信号, 为对应回波信号的幅值, 为白噪音,来源于测量系统, 为冲击信号[5][6]。

现设计一具有冲击响应为 的滤波器对测量到的超声回波信号进行滤波,则滤波器的输出响应为: (3)

上式频域的形式为:

(4)(5)

, , , 分别为关于 , , 和 的傅立叶变换。

别一方面,超声信号的信噪比可用下式表示:

(6)

当 , 为常数时,上式等号成立,可以得到最大的信噪比。

于是得到(7)

是 .傅立叶变换。

了得到最大的信噪比,我们可以设计一个以超声换能器的中心频率为中心频率,带宽决定于回波信号与超声传路径的滤波器,而超声回波信号可以模型化为高斯回波的叠加,

如下式表示:(8)

式中, 和 分别为中心频率和带宽, 为幅值, 为初始相位。

因此所设计的滤波器具有上式的形式,如下式表示:

(9)

在实际应用中可设初始相位 为0,幅值 为1。因为该带通滤波器包络是高斯型的,在本文称其为高斯带通滤波器。

由以上分析可以看出,带通滤波器设计的关键是如何估计中心频率 与带宽 。而中心频率 可以取超声换能器的中心频率。

式(8)的功率谱为:

(10)

对上式在 范围内积分得超声回波的能量:

(11)

由于中心频率远远大于带宽,则超声回波的能量可简写为:

(12)

从而可以得带宽 的表达式:(13)带通滤波器的冲击响应如图1所示,滤波器的参数 , , , 。

图1.带通滤波器的冲击响应

三、实验

试验采用半剖结构管道,管道壁厚为12mm,管道上刻有 的缺陷,超声传感器探头为Φ6mm的直探头,中心频率为5MHz,采样频率为100MHz。耦合剂为水。实验装置如图2所示。

图2 测量示意图

按图2所示的实验装置测得的超声信号应该包含三个回波:内表面回波,外表面回波和缺陷回波。但噪音污染的情况下,测得的缺陷超声信号如图3所示,从图3中可以看到内表面回波,外表面回波非常明显,然而缺陷回波乎湮没在噪声中,从时域很难识别其有无,根本无法确定其到达时刻,计算出所测得的超声信号的信噪比为11.896dB。我们用本文设计的高斯型带通滤波器对原始超声信号进行滤波所得到的信号如图4所示,三个回波都很明显,这说明高斯型带通滤波器能有效的滤除噪音提取出缺陷信息。对图4所示信号进行希耳伯特变换得到滤波后超声回波的包络,包络的峰值对应着各个回波到达的时间,信号的信噪比为SNR=23.524dB,可见利用高斯带通滤波器对超声信号处理可以大大提高信号的信噪比。

图3 原始超声回波信号(SNR=11.896dB)图4滤波后的信号

图5 滤波后超声回波的包络(SNR=23.524dB)

四、结论

本文分析了由超声换能器,耦合剂,石油管道组成超声检测系统,得出了超声回波信号的数学模型,利用最大信噪比原理设计出以超声换能器固有中心频率为中心频率,检测系统所决定的带宽的高斯带通滤波器,应用所设计的高斯带通滤波器对超声信号处理,大大提高了信噪比,有效的提取出缺陷信息。滤波后超声回波的包络的峰值对应着内表面回波,外表面回波和缺陷回波到达的时间。

本文的创新点:从分析超声回波信号的数学模型出发,利用最大信噪比原理设计出高斯带通滤波器,以达到有效提取缺陷信息,提高信噪比的目的。

参考文献:

[1]李建新,金印彬.小波变换在心电信号滤波器中的应用研究.微计算机信息.2006,7,1:294-295

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[3]金涛,阙沛文.基于小波理论的漏磁检测的噪声消除[J].测试技术学报,2003,17,4:395-362

[4]张广明,马宏伟,王裕文,谭玉山.超声无损检测中的缺陷识别与噪声抑制[J]中国机械工程,1999,2:1389-1391

[5]顾向华,郑祥明,雷永平.改进的自适应滤波方法及其在粗晶材料超声检测中的应用[J].无损检测,2003,10:504-506

[6]Demirli,R. Saniie,J. Model-based estimation of ultrasonic echoes. Part I: Analysis and algorithms Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,IEEE Transactions onVolume 48,Issue 3,May 2001 Page(s):787C802 Digital Object Identifier 10.1109/58.920713

作者简介:

徐湖鹏(1982-),男,浙江永嘉人,温州大学瓯江学院助理实验师,硕士,现在从事控制系统建模和仿真的研究.