本發(fā)明涉及聲學(xué)成像測(cè)量，具體是一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法、裝置。

背景技術(shù)：

1、大型電力設(shè)備均存在封閉的金屬外殼中，設(shè)備關(guān)鍵部件均密封在金屬外殼中，其結(jié)構(gòu)和形狀多樣，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中易存在結(jié)構(gòu)偏移、下沉、變形甚至部件松脫，造成設(shè)備巨大安全隱患。

2、現(xiàn)有超聲手段可以通過(guò)金屬外殼實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀成像，但在運(yùn)行過(guò)程中存在的不均勻?qū)恿鲌?chǎng)會(huì)極大影響超聲波傳播速度，造成結(jié)構(gòu)形狀成像信號(hào)強(qiáng)度不一致，且位置信息有誤差，影響測(cè)量完整度和準(zhǔn)確度。

3、公布號(hào)為cn?114518470?a的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種變壓器內(nèi)部絕緣油不均勻流速場(chǎng)聲學(xué)成像檢測(cè)方法，利用分布式陣列聲學(xué)傳感器探測(cè)變壓器不同聲學(xué)路徑上的聲信號(hào)頻率偏移值，并對(duì)參量數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向求解，獲得變壓器測(cè)量截面上不同區(qū)域的頻率變化值，得出絕緣油流速的差異，通過(guò)變壓器不同位置上對(duì)應(yīng)的流速值擴(kuò)展繪制出流速圖。該發(fā)明利用超聲波多普勒頻率偏移效應(yīng)，通過(guò)多點(diǎn)、多角度掃查，以及以頻率偏移為參量的超聲層析技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部不均勻流體場(chǎng)流速探測(cè)，提出變壓器內(nèi)部不同位置絕緣油油道流速的測(cè)量和評(píng)估，提升設(shè)備精益化運(yùn)維檢修水平。但是，該發(fā)明不能對(duì)金屬外殼內(nèi)部處于不均勻?qū)恿鲌?chǎng)的電力設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)形狀的測(cè)量，不能解決上述技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供的一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，包括以下步驟：對(duì)電力設(shè)備外的金屬外殼采用聲學(xué)掃查系統(tǒng)，發(fā)射相控陣列信號(hào)，并獲得金屬外殼內(nèi)部電力設(shè)備反射的一段曲線(xiàn)的扇形反射圖像，沿著金屬外殼表面等距變換聲學(xué)掃查系統(tǒng)的位置，獲得一系列變換位置下的同一曲線(xiàn)扇形反射圖像；

3、通過(guò)對(duì)一系列聲學(xué)路徑變換位置下的同一曲線(xiàn)扇形反射圖像進(jìn)行不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)，獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)圖像。

4、進(jìn)一步地，所述不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)的方法為：利用線(xiàn)段到表面的實(shí)際物理距離不變特性，先將掃查范圍內(nèi)換分成恒聲速基本單元，測(cè)量不同路徑上聲速的與預(yù)設(shè)聲速的總偏差，聲速總偏差即為單元聲速偏差的共同作用結(jié)果，通過(guò)開(kāi)展導(dǎo)數(shù)反投影求解，獲得相關(guān)單元聲速實(shí)際值，通過(guò)實(shí)際值與聲傳播時(shí)間，得到目標(biāo)點(diǎn)與探頭間的實(shí)際距離，逐點(diǎn)計(jì)算，得到一段曲線(xiàn)的實(shí)際形狀和位置，從而實(shí)現(xiàn)不均勻流體場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的測(cè)量。

5、進(jìn)一步地，所述聲速總偏差即為單元聲速偏差的共同作用結(jié)果的測(cè)量方法為：采用陣列成像的相控陣技術(shù)，設(shè)定聲速為v0，采用扇形掃查模式，扇形圖像一次覆蓋m也可以表征為段內(nèi)圓弧線(xiàn)，測(cè)出每個(gè)弧段到傳感器的測(cè)讀距離ld，通過(guò)幾何計(jì)算，可知實(shí)際距離ls，得到平均聲速vp，即通過(guò)的w個(gè)單元內(nèi)，每個(gè)單元內(nèi)穿過(guò)的距離不同，vp＝(l1/ls)v1+(l2/ls)v2+(l3/ls)v3+...+(lw/ls)vw，一次成像可以得到m條路線(xiàn)上的平均聲速，得到m組方程，沿著外部逐點(diǎn)掃查，得到m×n個(gè)方程，且m大于w。

6、進(jìn)一步地，所述通過(guò)開(kāi)展導(dǎo)數(shù)反投影求解的方法為：通過(guò)希爾伯特變換，將扇形反射成像數(shù)據(jù)重排成平行投影數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

7、為了描述重排公式，引入一個(gè)和真實(shí)結(jié)構(gòu)位置平行的虛擬結(jié)構(gòu)位置，用p1(β,m,n)表示虛擬結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)，(m,n)表示在虛擬結(jié)構(gòu)上的坐標(biāo)；r和β分別表示掃查半徑和旋轉(zhuǎn)角度；

8、為了描述重排后的平行投影數(shù)據(jù)，引入另一個(gè)虛擬結(jié)構(gòu)位置，其上投影數(shù)據(jù)用p(θ,t,s)表示；p1(β,m,n)和p(θ,t,s)有如下關(guān)系：

9、

10、p1(β,m,n)被重排成平行數(shù)據(jù)p(θ,t,s)，且重排公式如下：

11、

12、用來(lái)表示反射成像數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)的圖像，表示pi線(xiàn)上任意一點(diǎn)，pi線(xiàn)為圖形重建算法中的常規(guī)定義，表示連接螺旋掃描軌跡上兩信號(hào)源之間的線(xiàn)段；如果pi線(xiàn)在中心平面(s＝0),則有

13、

14、其中，

15、對(duì)于一個(gè)任意投影p(θ,t,s)(s≠0)，

16、通過(guò)逐點(diǎn)掃查所有數(shù)據(jù)求和，得到：

17、

18、其中，

19、用表示被重建單元的聲強(qiáng)度函數(shù)，得到：

20、

21、其中，x’c是pi線(xiàn)上點(diǎn)的一種表示方法，xc1和xc2表示這條pi線(xiàn)的兩個(gè)端點(diǎn)；c為一個(gè)常數(shù)，表示希爾伯特變換。

22、進(jìn)一步地，采用相控陣線(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃查，形成檢測(cè)對(duì)象的直讀圖像，因?yàn)闄z測(cè)對(duì)象在不同橫截面的物理狀態(tài)分布規(guī)律相同，將聲速變化疊加到直讀數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)直讀圖像的修正。

23、進(jìn)一步地，所述聲學(xué)掃查系統(tǒng)為2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)，所述2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)采用雙蝸桿軌道，在金屬外殼筒體外壁上進(jìn)行軸向和周向做矩形掃查，通過(guò)夾持裝置帶動(dòng)相控陣傳感器在工件表面運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)。

24、進(jìn)一步地，所述相控陣傳感器檢測(cè)頻率范圍2-5mhz，32-64個(gè)陣列晶片，晶片尺寸為10.0mm×1.0mm，晶片間距為1.0mm。

25、本發(fā)明的另一個(gè)目的：提供一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量裝置，包括：

26、聲學(xué)掃查系統(tǒng)，配置為對(duì)電力設(shè)備外的金屬外殼發(fā)射相控陣列信號(hào)，并獲得金屬外殼內(nèi)部電力設(shè)備反射的一段曲線(xiàn)的扇形反射圖像，沿著金屬外殼表面等距變換聲學(xué)掃查系統(tǒng)的位置，獲得一系列聲學(xué)路徑變換位置下的同一曲線(xiàn)扇形反射圖像；

27、逆向解調(diào)模塊，配置為對(duì)一系列聲學(xué)路徑變換位置下的同一曲線(xiàn)扇形反射圖像進(jìn)行不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)，獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)圖像。

28、進(jìn)一步地，所述聲學(xué)掃查系統(tǒng)為2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)，所述2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)采用雙蝸桿軌道，在金屬外殼筒體外壁上進(jìn)行軸向和周向做矩形掃查，通過(guò)夾持裝置帶動(dòng)相控陣傳感器在工件表面運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

30、本發(fā)明通過(guò)采用聲學(xué)掃查系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備的金屬外殼發(fā)射相控陣列信號(hào)，獲得電力設(shè)備反射的一段曲線(xiàn)的扇形掃查圖像，然后沿著表面等距變換位置，在一系列聲學(xué)路徑下進(jìn)行同一曲線(xiàn)反射圖像測(cè)量，通過(guò)不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)，獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)圖像，實(shí)現(xiàn)了金屬外殼內(nèi)處于不均勻?qū)恿鲌?chǎng)的電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量，全面性、準(zhǔn)確性高。

31、本發(fā)明采用相控陣線(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃查，形成檢測(cè)對(duì)象的直讀圖像，并將聲速變化疊加到直讀數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)直讀圖像的修正，提高測(cè)量準(zhǔn)確性，保證電力設(shè)備安全運(yùn)行。

32、另外，在開(kāi)展導(dǎo)數(shù)反投影求解時(shí)采用希爾伯特變換，能夠快速獲得目標(biāo)點(diǎn)與探頭間的實(shí)際距離，逐點(diǎn)計(jì)算，可以得到一段曲線(xiàn)的實(shí)際形狀和位置，從而實(shí)現(xiàn)不均勻流體場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的測(cè)量。

技術(shù)特征：

1.一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于，所述不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)的方法為：利用線(xiàn)段到表面的實(shí)際物理距離不變特性，先將掃查范圍內(nèi)換分成恒聲速基本單元，測(cè)量不同路徑上聲速的與預(yù)設(shè)聲速的總偏差，聲速總偏差即為單元聲速偏差的共同作用結(jié)果，通過(guò)開(kāi)展導(dǎo)數(shù)反投影求解，獲得相關(guān)單元聲速實(shí)際值，通過(guò)實(shí)際值與聲傳播時(shí)間，得到目標(biāo)點(diǎn)與探頭間的實(shí)際距離，逐點(diǎn)計(jì)算，得到一段曲線(xiàn)的實(shí)際形狀和位置，從而實(shí)現(xiàn)不均勻流體場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的測(cè)量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于，所述聲速總偏差即為單元聲速偏差的共同作用結(jié)果的測(cè)量方法為：采用陣列成像的相控陣技術(shù)，設(shè)定聲速為v0，采用扇形掃查模式，扇形圖像一次覆蓋m也可以表征為段內(nèi)圓弧線(xiàn)，測(cè)出每個(gè)弧段到傳感器的測(cè)讀距離ld，通過(guò)幾何計(jì)算，可知實(shí)際距離ls，得到平均聲速vp，即通過(guò)的w個(gè)單元內(nèi)，每個(gè)單元內(nèi)穿過(guò)的距離不同，vp＝(l1/ls)v1+(l2/ls)v2+(l3/ls)v3+...+(lw/ls)vw，一次成像可以得到m條路線(xiàn)上的平均聲速，得到m組方程，沿著外部逐點(diǎn)掃查，得到m×n個(gè)方程，且m大于w。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于，所述通過(guò)開(kāi)展導(dǎo)數(shù)反投影求解的方法為：通過(guò)希爾伯特變換，將扇形反射成像數(shù)據(jù)重排成平行投影數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于：采用相控陣線(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃查，形成檢測(cè)對(duì)象的直讀圖像，將聲速變化疊加到直讀數(shù)據(jù)中，實(shí)現(xiàn)直讀圖像的修正。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于：所述聲學(xué)掃查系統(tǒng)為2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)，所述2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)采用雙蝸桿軌道，在金屬外殼筒體外壁上進(jìn)行軸向和周向做矩形掃查，通過(guò)夾持裝置帶動(dòng)相控陣傳感器在工件表面運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法，其特征在于：所述相控陣傳感器檢測(cè)頻率范圍2-5mhz，32-64個(gè)陣列晶片，晶片尺寸為10.0mm×1.0mm，晶片間距為1.0mm。

8.一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量裝置，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量裝置，其特征在于：所述聲學(xué)掃查系統(tǒng)為2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)，所述2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)采用雙蝸桿軌道，在金屬外殼筒體外壁上進(jìn)行軸向和周向做矩形掃查，通過(guò)夾持裝置帶動(dòng)相控陣傳感器在工件表面運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種不均勻?qū)恿鲌?chǎng)干擾下的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量方法、裝置，屬于聲學(xué)成像測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其包括以下步驟：對(duì)電力設(shè)備外的金屬外殼采用2軸聲學(xué)掃查系統(tǒng)，發(fā)射相控陣列信號(hào)，并獲得金屬外殼內(nèi)部電力設(shè)備結(jié)構(gòu)反射的一段曲線(xiàn)的扇形掃查圖像；沿著金屬外殼表面等距變換位置，獲得一系列聲學(xué)路徑下的同一曲線(xiàn)反射圖像；通過(guò)不均勻聲學(xué)路徑逆向解調(diào)，獲得結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)圖像。實(shí)現(xiàn)了金屬外殼內(nèi)處于不均勻?qū)恿鲌?chǎng)的電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀聲學(xué)成像測(cè)量，測(cè)量全面性、準(zhǔn)確性高。

技術(shù)研發(fā)人員：杜君莉,王朝華,趙永峰,李超,夏中原,朱華,張卓,劉澤輝,胡潤(rùn)閣,湯會(huì)增,王朝樂(lè),田鳳蘭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19