本發(fā)明涉及一種基于復連續(xù)小波變換的管道連接器的檢測方法，屬于管道測繪領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

管道是實現(xiàn)油、氣或水等資源運輸?shù)淖钣行?、便利和安全的方式。隨著大量先前鋪設(shè)的管道已達到或超過服役期，由管道泄漏帶來的環(huán)境污染及經(jīng)濟損失是非常嚴重的，甚至管道爆炸造成的安全威脅更是難以估量。管道測量裝置是在管道內(nèi)實現(xiàn)管道缺陷檢測及缺陷定位最有效的工具，已成為各類管道周期性檢測的首選工具。此外，泥石流、山體滑坡、凍土解凍等自然因素也會造成管道變型，采用管道測量裝置可實現(xiàn)對被檢測管道坐標的有效測量，分析管道的位移或變型對管道潛在危險預(yù)測能提供很好的幫助，預(yù)防各類管道泄漏或爆炸等危險發(fā)生。

由慣性傳感器構(gòu)成的慣性輔助管道定位系統(tǒng)是實現(xiàn)管道缺陷定位及管道變型檢測的核心組成部分。但是，慣性輔助管道定位系統(tǒng)的定位誤差和方位角誤差是隨著被檢測管道距離的增加而逐漸累積發(fā)散的。通常情況下，管道測量裝置四周對稱安裝的里程儀及其在管道內(nèi)運動的非完整性約束能為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供連續(xù)三維速度修正。同時，沿被檢測管道每隔一定距離且位置已知的地表標記可為慣性輔助管道定位系統(tǒng)提供離散三維位置修正值。但是，小體積低精度微機械慣性傳感器構(gòu)成的慣性輔助管道定位系統(tǒng)的方位角(定向)誤差發(fā)散大，除了速度和位置誤差修正外，還需要進行方位角誤差修正。傳統(tǒng)的方位角檢測傳感器在小徑管道內(nèi)受管道內(nèi)徑及管內(nèi)環(huán)境等影響誤差大，慣性輔助管道定位系統(tǒng)很難為管道開挖及維修提供足夠的精度。因此，為慣性輔助小徑管道檢測定位系統(tǒng)提供一種新的方位角誤差修正方法勢在必行。

鋪設(shè)的管道是由直管道段由管道連接器(包括彎管道、環(huán)形焊縫和法蘭等)連接而成的。一方面，管道連接處大都采用焊接或螺絲進行連接，在長期的地下環(huán)境中易于腐蝕甚至破裂。此外，管道測量裝置在直管道內(nèi)具有方位角和俯仰角不變的特性，可用于修正管道定位系統(tǒng)的方位角發(fā)散誤差，提高管道檢測定位系統(tǒng)的定位和定向精度。但是，此方法實現(xiàn)的前提就是實現(xiàn)對管道連接器的正確檢測，并確定其具體坐標位置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提出了一種基于復連續(xù)小波變換的管道連接器檢測方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案在于包括以下步驟：

步驟一、在管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測任務(wù)后，從存儲器中讀取管道定位傳感器的數(shù)據(jù)；

步驟二、采用復連續(xù)小波變換的方法，得出管道測量裝置在管道內(nèi)運行時間與不同時刻所對應(yīng)的管道連接器的關(guān)系；

步驟三、在采用管道測量時的慣性傳感器數(shù)據(jù)檢測管道連接器的同時，管道定位傳感器采用慣性輔助管道定位方法，確定管道分布坐標信息；

步驟四、將步驟二得出的管道連接器與時間的關(guān)系和步驟三得到的管道軌跡坐標與時間的關(guān)系進行時間同步操作。

步驟五、在管道連接器檢測結(jié)果與管道定位系統(tǒng)進行時間同步后，即可得到被檢測管道中管道連接器的具體坐標位置；

步驟六、通過檢測和時間同步結(jié)果，生成最終標明管道連接器及其位置的檢測報告。

進一步地、步驟四中，時間同步的基礎(chǔ)是步驟二中管道測量裝置在管道內(nèi)運行時間與不同時刻所對應(yīng)的管道連接器的關(guān)系和步驟三中管道測量裝置在管道內(nèi)運動的軌跡與時間的關(guān)系，二者的結(jié)果都是基于管道測量裝置中的同一套慣性測量數(shù)據(jù)；

進一步地、步驟二中采用復連續(xù)小波變換的方法包括：

步驟一、由管道測量裝置內(nèi)安裝的三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內(nèi)運動時的旋轉(zhuǎn)角速率和線性加速度；

步驟二、通過三軸陀螺儀測量的旋轉(zhuǎn)角速率測量值判斷管道測量裝置是否通過彎曲管道；

步驟三、由三軸加速度計在管道測量裝置內(nèi)隨著管道運動的測量信號用于判斷環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器；

步驟四、將由陀螺儀測量值檢測的彎曲管道段與由加速度計測量值檢測的環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器結(jié)合，得到整個被檢測管道中的管道連接器與時間的對應(yīng)關(guān)系。

進一步地、步驟三中慣性輔助管道定位方法包括：

步驟一、利用三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內(nèi)運動時的旋轉(zhuǎn)角速率和線性加速度；

步驟二、在管道測量裝置檢測初始姿態(tài)、速度和位置已知的條件下，采用捷聯(lián)慣性導航算法計算出管道測量裝置在管道內(nèi)運動的姿態(tài)、速度和位置信息；

步驟三、管道測量裝置搭載的里程儀及其非完整性約束特性能提供連續(xù)的三維速度測量更新值，同時管道檢測前預(yù)設(shè)的地表標記點能提供離散的三維位置測量值。此外，由管道連接器檢測結(jié)果可為管道測量裝置在直管道段提供方位角和俯仰角。將這些信息分別與由慣性導航算法計算出來的姿態(tài)角、速度和位置進行作差可計算出系統(tǒng)測量誤差；

步驟四、以系統(tǒng)測量誤差為觀測量，在kalman濾波估計的作用下進行估算慣性傳感器誤差和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差，并進行誤差修正；

步驟五、采用數(shù)據(jù)平滑處理技術(shù)離線估計系統(tǒng)誤差并進行誤差修正，從而進一步提高管道定位系統(tǒng)精度；

步驟六、通過步驟五的數(shù)據(jù)平滑處理后，獲得精確的管道地理坐標值。

進一步地、步驟三中慣性傳感器本身的測量誤差計算是基于里程儀測量的軸向速度和管道測量裝置在管道內(nèi)的非完整性約束提供三維速度、管道連接器檢測在直管道段提供方位角和俯仰角，以及地表磁標記提供三維位置的基礎(chǔ)上進行的誤差計算。

進一步地、步驟四中kalman濾波估計的作用下估算出的慣性傳感器誤差和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差，可以反饋并修正管道定位系統(tǒng)誤差。

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明中基于復連續(xù)小波變換的管道連接器檢測是無需任何硬件成本的。管道連接器檢測的實現(xiàn)不需要在管道測量裝置中安裝其他傳感器，用于檢測的信號是對管道檢測定位用慣性傳感器數(shù)據(jù)的再次利用。此外，管道檢測中對管道缺陷的維護是在管道檢測完成之后進行的，無需實時進行，故對管道檢測數(shù)據(jù)的分析、管道連接器檢測和管道定位系統(tǒng)計算管道地理坐標都是離線進行的，不會對現(xiàn)有的管道檢測及評估系統(tǒng)產(chǎn)生影響。此外本發(fā)明還有以下特點：

1、本發(fā)明采用復連續(xù)小波變換來檢測管道連接器是離線處理的，管道連接器檢測結(jié)果可為慣性輔助管道定位系統(tǒng)在直管道段提供方位角和俯仰角誤差修正。

2、本發(fā)明中的管道連接器檢測結(jié)果是不依賴于任何額外的傳感器的，只是采用了慣性輔助管道檢測定位系統(tǒng)已裝備的慣性傳感器。

3、本發(fā)明中的管道連接器檢測適用于各類油、氣、水、化學物質(zhì)等運輸用各種管徑管道，所采用的管道測量裝置外型為圓柱型或類魚雷型。

附圖說明

圖1是復連續(xù)小波變換管道連接器檢測示意圖；

圖2是慣性輔助管道定位系統(tǒng)定位原理圖；

圖3是基于復連續(xù)小波變換的管道連接器檢測流程圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細地描述，需要說明的是該方法中涉及的陀螺儀、加速度計和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)均為典型慣性器件和導航定位系統(tǒng)，管道測量裝置為典型的管道檢測系統(tǒng)，故本發(fā)明不再對其原理進行詳細描述：

圖1所示，復連續(xù)小波變換檢測管道連接器示意圖。由管道測量裝置內(nèi)安裝的三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內(nèi)運動時的旋轉(zhuǎn)角速率和線性加速度。三軸陀螺儀測量的旋轉(zhuǎn)角速率測量值用于判斷管道測量裝置是否通過彎曲管道。其中，靜止狀態(tài)下陀螺儀輸出角速率的平方和作為閾值，當三軸陀螺儀任意軸測量的旋轉(zhuǎn)角速率測量值大于閾值，則判定管道測量裝置正通過彎曲管道段，否則判定管道測量裝置正通過直管道段。同時，由加速度計在管道測量裝置內(nèi)隨著管道運動的測量信號用于判斷環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器。采用復連續(xù)小波變換將加速度計測量信號進行變換得到其時頻特性曲線，并提取出其小波系數(shù)的極大模值，當極大模值大于預(yù)設(shè)的閾值時即管道測量裝置正通過環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器部位，否則管道測量裝置正通過直管道段。最后，將由陀螺儀測量值檢測的彎曲管道段與由加速度計測量值檢測的環(huán)形焊縫和法蘭等管道連接器結(jié)合，即可得到整個被檢測管道中的管道連接器與時間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2所示，慣性輔助管道定位系統(tǒng)原理圖。三軸陀螺儀和三軸加速度計分別敏感管道測量裝置在管道內(nèi)運動時的旋轉(zhuǎn)角速率和線性加速度。在初始條件已知的狀況下，采用捷聯(lián)慣性導航算法可以計算出管道測量裝置在管道內(nèi)運動的姿態(tài)、速度和位置信息。由于慣性傳感器本身的測量誤差，會導致純捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)輸出誤差隨著管道檢測距離的增長而增大。由里程儀測量的軸向速度和管道測量裝置在管道內(nèi)的非完整性約束提供三維速度，管道連接器檢測在直管道段提供方位角和俯仰角，以及地表磁標記提供三維位置，在kalman濾波估計的作用下可估計出慣性傳感器誤差和捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)誤差，這些誤差可以反饋并修正管道定位系統(tǒng)誤差。此外，由于管道檢測與維護的非實時性特性，可以采用數(shù)據(jù)平滑處理技術(shù)離線估計系統(tǒng)誤差，再次。最終，得出精確的管道地理坐標值。

圖3所示，給出了整個基于復連續(xù)小波變換的管道連接器檢測流程圖。在圖1和圖2的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)管道檢測結(jié)果與慣性輔助管道檢測定位系統(tǒng)在時間上的同步性是實現(xiàn)管道連接器坐標位置的重要前提。整個系統(tǒng)的運行流程如下：

步驟1，在管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測任務(wù)后，從存儲器中讀取管道定位傳感器的數(shù)據(jù)，進入步驟2；

步驟2，根據(jù)圖1中采用復連續(xù)小波變換的方法，可得出管道測量裝置在管道內(nèi)運行時間與不同時刻所對應(yīng)的管道連接器的關(guān)系，進入步驟3；

步驟3，在采用管道測量時的慣性傳感器數(shù)據(jù)檢測管道連接器的同時，管道定位傳感器采用慣性導航解算、kalman濾波估計技術(shù)及數(shù)據(jù)平滑濾波技術(shù)可得到管道測量裝置在管道內(nèi)運動的軌跡與時間的關(guān)系，并進入步驟4；

步驟4，將步驟2得出的管道連接器與時間的關(guān)系和步驟3得到的管道軌跡坐標與時間的關(guān)系進行時間同步操作。時間同步的前提就是二者的結(jié)果都是基于管道測量裝置中的同一套慣性測量數(shù)據(jù)，進入步驟5；

步驟5，在管道連接器檢測結(jié)果與管道定位系統(tǒng)進行時間同步后，即可得到被檢測管道中管道連接器的具體坐標位置，進入步驟6；

步驟6，通過檢測和時間同步結(jié)果，生成最終標明管道連接器及其位置的檢測報告。

本發(fā)明中基于復連續(xù)小波變換的管道連接器檢測方法。主要采用安裝在圓柱型或類魚雷型管道測量裝置中心的捷聯(lián)慣性測量單元在管道內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，以離線處理的方式提取出管道連接器部分在管道內(nèi)對應(yīng)的位置。主要以復連續(xù)小波變換對慣性傳感器測量數(shù)據(jù)進行小波變換，得出采集信號的時頻特性曲線，通過小波系數(shù)的極大模值來判斷整個被檢測管道中的直管道段和管道連接器所對應(yīng)的時間段。同時，結(jié)合慣性輔助管道定位系統(tǒng)輸出的管道坐標位置和時間的關(guān)系，并將管道連接器檢測的時間與管道位置計算中的時間進行時間同步運算，即可得出管道位置與管道連接器之間的對應(yīng)關(guān)系。從而，最終將被檢測管道中的管道連接器和直管道段的位置在地理坐標系統(tǒng)中分別表示出來。

復連續(xù)小波變換是這樣實現(xiàn)管道連接器檢測的。首先，當管道測量裝置完成整個被檢測管道的檢測并回到管道接收器后，從管道測量裝置的數(shù)據(jù)存儲單元中下載并保存管道檢測數(shù)據(jù)和管道定位傳感器數(shù)據(jù)。接下來，由管道測量裝置內(nèi)加速度計在管道內(nèi)的測量數(shù)據(jù)采用小波工具中的復連續(xù)小波變換進行分析，得出對應(yīng)的小波變換系數(shù)的極大模值。并采用閾值的方法判斷環(huán)形焊縫或法蘭等對應(yīng)的時間段，當小波變換系數(shù)的極大模值大于預(yù)設(shè)閾值時，對應(yīng)的時間段為環(huán)形焊縫或法蘭，而當小波變換系數(shù)的極大模值小于設(shè)定閾值時，對應(yīng)的時間段即為直管道段。與此同時，管道測量裝置內(nèi)陀螺儀測量數(shù)據(jù)用來判斷管道測量裝置是否通過某段彎曲管道，將彎曲管道從整個被檢測管道中分離出來。最后，將陀螺儀檢測的彎管道段與加速度計檢測出來的環(huán)形焊縫或法蘭等進行合并，實現(xiàn)整個管道連接器的檢測。

被檢測管道連接器的地理坐標位置是這樣確定的。管道內(nèi)安裝的慣性測量數(shù)據(jù)不僅用于管道連接器的檢測，同時還用于被檢測管道地理坐標位置的計算。由于二者采用了同一套慣性傳感器在管道內(nèi)的數(shù)據(jù)，由此檢測出的管道連接器和管道定位系統(tǒng)具有時間同步特性。管道連接器檢測的輸出是時間和管道連接器的關(guān)系，而管道檢測定位系統(tǒng)的輸出是時間和管道坐標位置的關(guān)系，通過時間同步即可得到管道連接器在地理坐標中的位置。

管道連接器檢測結(jié)果可為所鋪設(shè)管道在開挖和維修時提供便利。常年埋藏在地下或水下的管道由于其管道連接器處大部分為焊接等進行連接的，連接處與附近的泥土和水中的化學物質(zhì)容易發(fā)生腐蝕，甚至破裂。因此，管道連接器成了管道泄漏的高危區(qū)域。此外，管道測量裝置上搭載的管道檢測傳感器能有效的檢測出直管道及管道連接器處的腐蝕及破裂狀況。這樣，管道連接器檢測結(jié)果能為管道維修和開挖時提供便利。

本實施方式只是對本專利的示例性說明，并不限定它的保護范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以對其局部進行改變，只要沒有超出本專利的精神實質(zhì)，都在本專利的保護范圍內(nèi)。