海底管道是近海油、气输送安全、便捷和高效的手段。但是,管道在运行过程中不可避免地会出现各种类型的缺陷,比如,管壁腐蚀、裂纹和渗漏等。这些缺陷会随着时间的推移而进一步扩展。一旦出现事故,将会带来巨大的财产损失和生态灾难。为此,开展管道检测相关技术、方法和手段的研究意义重大。国家立法规定应对主干管道进行定期检测,以避免事故的发生。论文依托国家“十五”863项目“海底管道内爬行器及其检测技术”,根据海底管道的特点,为管道超声检测提供相关的关键技术。 超声检测技术在工业领域有着广泛的应用,是材料与设备无损检测的主要手段之一。本论文采用水浸式线聚焦脉冲超声传感器实现对管道中缺陷的检测。根据传感器的声场特点和在管道中的传输特性,设计了三种类型的传感器阵列方案,分别是径向直探头阵列、轴向斜置直探头阵列和径向(周向)斜置直探头阵列。给出了阵列结构参数、传感器数目及测量参数的确定方法。为了使检测结果便于观察,将测量数据可视化,该方法根据阵列上各个传感器的测量信息,绘制出管道截面的二维图像,可直观地看出管径的变化及管壁中缺陷的分布范围。同时,为了减少由于阵列偏心和经过弯道时造成的缺陷误判,提出了一种自适应算法,可自动校正这种误判.为了提高重构管径及缺陷的精度,研究了管道检测中超声回波信号时延的精确估计方法。 为了从不同的角度充分认识和理解缺陷超声回波信号,给超声信号的检测与特征信息提取提供新的方法和手段。论文还探索和研究了超声信号中的非线性特性,这种非线性是由系统本身产生的。论文还进一步探索了超声回波信号中是否存在混沌特性,发现其Lyapunov指数尽管出现正值,但是非常接近于零,不存在混沌现象.同时在研究中也发现,尽管不存在混沌现象,可是不同的缺陷回波信号有着不同的Lyapunov指数分布曲线,可用于对超声信号的检测。通过研究超声信号状态轨迹在相空间的演化规律,重建了其相空间,发现噪声与缺陷超声回波信号有着明显不同的相空间结构。同时,在其相空间平面上,可以明显看出这个信号中的噪声水平,可为信号中信噪比的分析与降噪提供参考。 论文探索和研究了将分形信号处理的理论和方法应用到超声信号处理上,分析和研究了超声回波信号中的分形特性。通过对分形维数的计盒方法和R/S法的算法分析,并结合四种分形信号,探索了这些算法的特点和性能,为在超声信号处理中应用该方法作了铺垫。结合对实测超声信号的大量分析,采用归一化尺度计盒维数方法来估算超声信号的分形维数,用分段R/S方法来估算超声信号的mitst指数。在对大量超声信号统计分析的基础上,发现超声信号中存在分形特性,即信号间存在统计自相似特性。这些特性在缺陷回波信号和噪声信号中有明显的区别。在对其进行分形特性分析的过程中,为了克服使用最小二乘法的不足,采用了衡量分形特性的线性度指标。将分形维数和Hurst指数与线性度指标相结合,并应用到超声信号的自动检测上,可实现对超声信号的在线自动检测与大量无缺陷信号的实时剔除。 论文中对两类难检缺陷的检测方法进行了研究。一类是近表面缺陷,一类是小贯穿孔类缺陷,这两类缺陷的超声回波信号都叠加在管道界面回波中,在管道内、外表面回波间没有明显的缺陷回波存在,易造成漏检.针对这种情况,给出了一种适用于这类缺陷信号分离的方法,通过对这种方法的理论建模和对实测的信号进行了处理,从中有效地分离出了缺陷回波信号。论文最后探索了两类缺陷的识别方法。