管道脉冲超声回波信号压缩采样方法研究

摘要

管道运输是随着石油和天然气产量的增长而发展起来的，具有运输量大、运输工程量小、可实现封闭运输等优点。然而，管道泄漏事故风险随着油气工业的发展而逐渐增加。管道在运行期间可能会产生微孔、腐蚀坑、壁厚减薄、横向裂纹与纵向裂纹等缺陷。因此，加强在役油气输送管道的检测具有重大的意义。超声内检测法是一种高效的管道缺陷检测方法，几乎可以实现各种类型管道缺陷的检测。目前在管道超声内检测中存在着一些尚未解决的实际问题:管道超声内检测数据量大，无法实现全部数据的存储和实时处理。针对长距离能源输送管道在役超声检测数据量大的问题，本论文提出了一种基于压缩感知理论的管道超声脉冲回波信号压缩采样方法。
　　论文对管道脉冲超声回波信号的压缩采样理论进行了探讨和研究。首先，研究了稀疏信号压缩采样实现的条件，包括信号的稀疏性，测量矩阵的特性以及信号重构算法。其次，建立了管道脉冲超声回波信号的参数模型，分析了其在冗余字典下的稀疏表示原理，并对实际测试得到的管道脉冲超声回波信号进行了稀疏分解实验，验证了其在Gabor字典下的稀疏特性。在此基础之上阐述了管道脉冲超声回波信号的压缩采样原理。
　　论文对压缩采样技术在管道超声检测中的应用进行了研究。首先，分析了模拟信息转换器(Analog-to-Information convertor,AIC)的基本结构，构建了基于Gabor字典的单通道AIC压缩采样系统。针对Gabor字典的冗余特性，构造了规模较小的包络字典，实现了检波后管道脉冲超声回波信号的压缩采样。其次，为实现未检波的射频管道脉冲超声回波信号的压缩采样，构建了多通道AIC压缩采样系统，并分析了其与单通道AIC压缩采样系统在工作原理与压缩性能上的差异。实验结果表明:多通道AIC压缩采样系统可实现未检波的射频管道脉冲超声回波信号的压缩采样，对于检波后的脉冲超声回波信号，多通道AIC的压缩性能优于单通道AIC。最后，针对影响多通道AIC压缩采样系统性能的测量矩阵的多样性，采用直方图统计分析方法，以优质原子比为衡量测量矩阵性能优劣的指标，揭示了测量矩阵对压缩采样系统的影响过程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景和意义

1．3 相关领域的国内外研究现状

1．3．1 信号采样理论的发展现状

1．3．2 超声检测信号的压缩采样研究现状

1．4 本文研究内容及结构安排

第二章 管道超声检测技术基础

2．1 管道检测技术

2．2 超声检测技术基础

2．2．1 超声波概述

2．2．2 超声波的分类

2．2．3 超声检测技术

2．3 管道缺陷脉冲超声检测原理

2．4 本章小结

第三章 管道脉冲超声回波信号压缩采样原理

3．1 压缩感知理论概述

3．1．1 压缩感知理论

3．1．2 信号稀疏性

3．1．3 测量矩阵特性分析

3．1．4 压缩采样

3．1．5 约束等距性

3．1．6 信号重构算法

3．1．7 压缩感知理论的应用

3．2．超声检测信号模型

3．2．1 管道脉冲超声回波的参数模型

3．2．2 管道脉冲超声回波中的噪声

3．3 管道脉冲超声回波信号采集平台

3．4 管道脉冲超声回波信号的稀疏性验证

3．4．1 基分解

3．4．2 稀疏表示

3．4．3 稀疏分解算法

3．4．4 管道脉冲超声回波信号在Gabor字典下的稀疏分解实验

3．5 管道脉冲超声回波信号压缩采样原理

3．6 本章小结

第四章 压缩采样技术在管道超声检测中的应用研究

4．1 单通道AIC压缩采样在管道脉冲超声回波信号采集中的应用

4．1．1 单通道AIC压缩采样框架

4．1．2 单通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样与重构系统

4．1．3 基于Gabor字典的单通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样实现

4．1．4 基于包络字典的单通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样实现

4．2 多通道AIC压缩采样在管道脉冲超声回波信号采集中的应用

4．2．1 多通道AIC压缩采样框架

4．2．2 多通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样系统的影响因素分析

4．2．3 基于Gabor字典的多通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样实现

4．2．4 基于包络字典的多通道AIC管道脉冲超声回波信号压缩采样实现

4．2．5 测量矩阵对压缩采样系统的影响验证

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作的总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果