專利名稱：超聲波表面監(jiān)控的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波表面監(jiān)控。更具體地，本發(fā)明涉及用于使用 超聲波換能器對(duì)物體的表面進(jìn)行建模的方法和裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，使用超聲波能獲得關(guān)于物體(例如，桿或管)的表 面的信息。通常，向物體發(fā)射超聲波脈沖，所反射的脈沖被接收到 并且脈沖的傳播時(shí)間被記錄。脈沖的傳播時(shí)間("飛行時(shí)間，，)的任 何差異都表示表面的相對(duì)高度的差異，由此來表示物體的壁厚的差
異。在美國(guó)專利US 3930404中披露了這種已知技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。 這種類型的方法具有測(cè)量極其受局限的缺點(diǎn)僅在超聲波的撞擊 (和反射)點(diǎn)處探測(cè)該表面。為了獲得關(guān)于表面的剩余部分的信息， 超聲波換能器必須相對(duì)于物體移動(dòng)，并且必須在許多其他表面點(diǎn)測(cè)
量傳播時(shí)間。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO 2006/000668公開了 一種圓柱形物體的維度 表征的方法。在物體的表面上面向測(cè)量點(diǎn)的探針將脈沖超聲波發(fā)射 至這些測(cè)量點(diǎn)并接收所反射的脈沖波。為了在不需要無數(shù)多個(gè)測(cè)量 點(diǎn)的情況下獲得關(guān)于物體的整個(gè)表面的維度信息，通過內(nèi)插法獲得 該表面的特征曲線。雖然可以通過內(nèi)插法獲得關(guān)于其他表面點(diǎn)的信 息，但是此信息的詳細(xì)程度受測(cè)量點(diǎn)數(shù)量的限制。因此這種已知方 法的主要缺點(diǎn)在于，表面信息僅從少量測(cè)量點(diǎn)獲得，并且較大量的探針和/或探針相對(duì)于物體的移動(dòng)對(duì)于獲得詳細(xì)的維度信息是必須 的。
美國(guó)申請(qǐng)US 5965818公開了 一種使用超聲蘭姆波來測(cè)量由于 管架的局部侵蝕而導(dǎo)致壁厚減小的方法。兩個(gè)換能器用于使蘭姆波 在圓周方向上沿管壁傳播。通過對(duì)所測(cè)量得到的飛行時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行 比較，可以量化由于侵蝕而導(dǎo)致的飛行時(shí)間的變化。其僅在管的圓 周方向上4企測(cè)侵:蝕，而不在纟從向上4企測(cè)。
美國(guó)專利US 5767408公開了一種通過產(chǎn)生包括多個(gè)分量的寬 帶超聲瑞利波來獲得材料的近表面特性的方法。在所選的頻率處確 定瑞利波的所選分量的速度。然而，波軌跡非常受限，因此，關(guān)于 所測(cè)試的表面的信息也是有限的。
英國(guó)專利申i青GB 2383413 />開了 一種用于通過4吏用表面聲波 的速度、衰減、散射、共振和頻率吸收特性來檢測(cè)軌道缺陷的系統(tǒng)。 這種已知系統(tǒng)特定的針對(duì)4失路線并且4吏用電聲沖支術(shù)來沿軌道的纟從 向測(cè)試^九道。
日本專利申{青JP 57187609 7>開了另 一種傳統(tǒng)的方法，該方法 通過使用具有增大的頻率的表面波并檢測(cè)傳播時(shí)間來測(cè)量壁厚。表 面波具有僅一個(gè)方向上的有限軌跡，因此，僅提供有限的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的這些和其他問題，以提 供用于通過使用超聲波換能器來對(duì)物體的表面進(jìn)行建模的方法和 裝置，該方法和裝置使用有限數(shù)量的換能器提供了更多表面的細(xì) 下。
7本發(fā)明的另 一個(gè)目的在于提供用于通過使用超聲波換能器來 對(duì)物體的表面進(jìn)行建模的方法和裝置，該方法和裝置提供了關(guān)于表 面的詳細(xì)信息，同時(shí)需要進(jìn)行有限的計(jì)算。
因此，本發(fā)明提供了 一種使用安裝在物體的表面上的超聲波換
能器對(duì)表面進(jìn)行建才莫的方法，該方法包括以下步驟
*提供該表面的模型，該模型包括表示表面的高度的一 纟且表面點(diǎn)，
*將脈沖波從第一換能器發(fā)射到一個(gè)或多個(gè)第二換能 器，第 一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑，
*測(cè)量脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，
參基于表面的模型計(jì)算傳播時(shí)間，
響應(yīng)于測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播時(shí)間之 間的任何差異，調(diào)節(jié)表面的模型，以及
*重復(fù)發(fā)射、測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的步驟，直到差異比預(yù) 定閾4直小，
其中，計(jì)算傳播時(shí)間的步驟包括對(duì)該一組表面點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插以獲 得擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)的子步驟，〗吏用該擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)計(jì)算傳插-時(shí)間。
通過將脈沖波從安裝在表面上的第 一換能器發(fā)射到安裝按照 在表面上的第二換能器，每個(gè)脈沖波的傳播時(shí)間取決于波在表面之 上和/或之下的路徑，并因此包含比上述基于反射而不是表面路徑的 現(xiàn)有技術(shù)中的單個(gè)點(diǎn)測(cè)量更多的信息。
重復(fù)地調(diào)節(jié)表面模型以更好地將計(jì)算得到的和測(cè)量得到的傳 播時(shí)間進(jìn)行匹配得到精確地預(yù)測(cè)脈沖波的傳播時(shí)間的最佳表面模型。這樣的才支術(shù)本身是已知的，并且通常^皮稱為層析成像反演或者 層析成像重建。所得到的模型可以顯示在合適的顯示屏幕上和/或被 分沖斤，例如以確定管壁的4交薄部分。
本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn)在于，在模型中僅僅使用了有限數(shù)量的表面 點(diǎn)，^v而限制了該方法中所涉及的計(jì)算量。由于通過內(nèi)插法來補(bǔ)償
模型中所使用的少量表面點(diǎn)，所以模型的精確度不受影響。因此， 用于調(diào)節(jié)模型的擴(kuò)展的 一組表面點(diǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際模型的 一組表面點(diǎn)。
在有益的實(shí)施例中，例如， 一組表面點(diǎn)由小于100個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu)選 i也，小于50個(gè)點(diǎn)，而擴(kuò)展的一纟且表面點(diǎn)由大于200個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu) 選地，大于500個(gè)點(diǎn)。其他數(shù)目也是可以的。例如，才莫型可以使用 僅20個(gè)表面點(diǎn)的集合，同時(shí)擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)具有超過1000個(gè)表 面點(diǎn)。
本發(fā)明所建模的表面的高度在大多數(shù)實(shí)施例中是相對(duì)于換能 器的高度。即，本發(fā)明對(duì)表面的相對(duì)高度進(jìn)行建模，將換能器的(絕 對(duì))高度作為參考點(diǎn)。由于物體的壁的表面高度與壁的厚度相關(guān)， 所以本發(fā)明還提供了物體的壁厚的模型。
可以在本發(fā)明中使用幾種類型的超聲波脈沖波。在第一實(shí)施例 中，脈沖波是瑞利波。由于瑞利波沿物體的表面?zhèn)鞑ィ云鋫鞑?時(shí)間將受到表面的(相對(duì))高度變化的影響。這樣的變化可能由例 如損壞和/或侵蝕引起。這些表面波的測(cè)量得到的傳播時(shí)間的變化使
得物體的模型被相應(yīng)調(diào)節(jié)。
在第二實(shí)施例中，脈沖波是導(dǎo)波。由于這樣的波的速度取決于 物體的壁厚，所以這些波適合于對(duì)物體進(jìn)行建模，尤其是對(duì)于中空 的物體。當(dāng)分散的脈沖波被使用時(shí)，提高了脈沖波的壁厚依賴性。一些類型的波(尤其是分散波)在沿其路徑傳播時(shí)會(huì)失真。此 失真可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的傳播時(shí)間測(cè)量。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例還 包括將相位校正應(yīng)用于脈沖波的測(cè)量得到的傳播時(shí)間的步驟。
本發(fā)明的方法可以僅使用單個(gè)第一換能器來實(shí)現(xiàn)。然而，使用 多個(gè)第一換能器是優(yōu)選的。為了有效測(cè)量脈沖波的各個(gè)傳播時(shí)間， 優(yōu)選地，連續(xù)地對(duì)于至少兩個(gè)第 一換能器執(zhí)行發(fā)射脈沖波和測(cè)量傳 播時(shí)間的步驟。通過連續(xù)地激活第一換能器，可單獨(dú)地檢測(cè)它們所 發(fā)射的波。第一換能器的連續(xù)發(fā)射之間的時(shí)間間隔將與傳播時(shí)間的 最大可能偏移有關(guān)。
雖然可以一使用4壬意凄t量的(例:fe口， 一個(gè)，二個(gè)，三個(gè)，四個(gè)或 六個(gè))第一換能器而與第二換能器的數(shù)量無關(guān)，但是第一換能器的 數(shù)量等于第二換能器的數(shù)量是優(yōu)選的。
在以上限定的建模方法中，可以使用導(dǎo)波和/或瑞利波。發(fā)明人 已實(shí)現(xiàn)了瑞利波還可以用于在沒有進(jìn)行上述建模的情況下進(jìn)行表 面掃描和/或4企測(cè)。因此，本發(fā)明也沖是供了一種4吏用安裝在物體的表 面上的超聲波換能器來提高表面的平坦性度量(measure)的方法， 該方法包4舌以下步4聚
*將脈沖波從第 一換能器發(fā)射到一個(gè)或多個(gè)第二換能器，第一
換能器和每個(gè)第二換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑，
測(cè)量脈沖波沿每條3I4圣的4專l番時(shí)間，以及 參基于測(cè)量得到的脈沖波計(jì)算平坦性度量，其中，脈沖波是瑞利波。平坦性度量可以以表面的模型來表示，但這不是必需的，平坦 性度量可以由表示表面的相對(duì)或絕對(duì)平坦性的單個(gè)凄t字來構(gòu)成。
本發(fā)明還提供了 一種監(jiān)控管道的方法，監(jiān)控方法包括根據(jù)前述 權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的建模方法。監(jiān)控方法還可以包括當(dāng)表面 的高度降到閾值以下時(shí)和/或當(dāng)模型表示管道已變得不牢固時(shí)產(chǎn)生 警告的步驟。
本發(fā)明還提供了 一種用于執(zhí)行如上所述的方法的計(jì)算機(jī)程序
產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以包括存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)載體(諸如CD或DVD ) 上的一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。這一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令(其允許可 編程計(jì)算機(jī)執(zhí)行如上所述的方法)還可以用于例如經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)從遠(yuǎn) 處服務(wù)器進(jìn)行下載。
另外，本發(fā)明提供了 一種使用安裝在物體的表面上的超聲波換 能器對(duì)物體的表面進(jìn)行建模的裝置，該裝置包括
存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)表面的模型，該模型包括表示表面的高 度的一纟且表面點(diǎn)，
參第一換能器和至少一個(gè)第二換能器，第一換能器和每個(gè)第二 換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑，
*發(fā)射單元，用于將脈沖波沿相應(yīng)3各徑^人第一換能器發(fā)射到一 個(gè)或多個(gè)第二換能器，以及
*處理單元，帔配置用于
〇測(cè)量脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間， 〇基于表面的模型計(jì)算傳播時(shí)間，
ii〇響應(yīng)于測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播時(shí)間 之間的任何差異，調(diào)節(jié)所存儲(chǔ)的表面的模型，以及
o重復(fù)發(fā)射、測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的步驟，直到差異小于
預(yù)定閾值，
其中處理單元還被配置用于對(duì)一組表面點(diǎn)的集合進(jìn)行內(nèi) 插以獲得表面點(diǎn)的擴(kuò)展集合，并且用于使用擴(kuò)展的 一組表面點(diǎn) 計(jì)算傳播時(shí)間。
脈沖波可以是導(dǎo)波和/或瑞利波。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，瑞利 波還可以在沒有進(jìn)行上述的建模時(shí)被使用。因此，本發(fā)明還提供了 一種使用安裝在物體的表面上的超聲波換能器來提高表面的平坦
性度量的裝置，該裝置包括
參第一換能器和至少一個(gè)第二換能器，第一換能器和每個(gè)第二 換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑，
參發(fā)射單元，用于將脈沖波沿相應(yīng)^4圣從第一換能器發(fā)射到一 個(gè)或多個(gè)第二換能器，以及
爭(zhēng)處理單元，#1配置用于
O測(cè)量脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，以及
O基于測(cè)量得到的傳播時(shí)間計(jì)算平坦性度量，其中，脈 沖波是瑞利波。
本發(fā)明還提供了 一種用于監(jiān)控管道的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如上所 限定的裝置、以及至少一個(gè)第一換能器和至少一個(gè)第二換能器。優(yōu) 選地，該裝置和這些換能器能夠進(jìn)行無線通信。


以下，將參考附圖中所示的示例性實(shí)施例進(jìn)一步i兌明本發(fā)明，
其中
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的表面被建模的物體。 圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的3維物體模型。 圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的2維物體模型。 圖4A和圖4B示例性地示出了本發(fā)明中所使用的超聲波脈沖。 圖5示例性地示出了根據(jù)本發(fā)明的表面建才莫裝置。
具體實(shí)施例方式
通過圖1的非限制實(shí)例僅示出的管2包括將被建模的表面3。 在所示的實(shí)例中，表面3具有可能由例如侵蝕引起的凹部6。通過 適當(dāng)?shù)貙?duì)表面3進(jìn)行建才莫，可以確定凹部6的寬度和(相對(duì))高度。
第一換能器單元4和第二換能器單元5在表面3的任一側(cè)上被 安裝在管2上。雖然第一換能器單元和第二換能器單元能夠發(fā)射和 接收超聲波，但是在本發(fā)明中，第一換能器單元4用于發(fā)射超聲脈 沖波，同時(shí)第二換能器單元5用于接收這些波。換能器單元本身是 已知的，并且可以是壓電單元。
由第一4奐能器4產(chǎn)生的3永沖波或脈沖具有所限定的例如幾ps (微秒)的持續(xù)時(shí)間。該實(shí)際持續(xù)時(shí)間取決于特定應(yīng)用，例如換能 器單元的維度和相互距離。換能器的數(shù)量可以變化。應(yīng)該提供至少 一個(gè)第一換能器4和至少一個(gè)第二換能器5,雖然優(yōu)選的是使用多個(gè)第二換能器5,例如，兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、八個(gè)第二換能器5。 使用多個(gè)第二傳感器5產(chǎn)生脈沖波所傳播的多條路徑并因此改進(jìn)了 表面的建模。類似地，優(yōu)選的是使用多于一個(gè)的第一換能器4。在 圖2和圖3的實(shí)例中，使用了八個(gè)第一換能器4和八個(gè)第二換能器 5，盡管本發(fā)明并不限于這些具體凄t目。雖然這不是必須的，但是 多個(gè)第一和/或第二傳感器中的傳感器優(yōu)選地被均勻隔開。
圖2中示出了示例性三維模型，同時(shí)通過圖3中的二維模型示 出了根據(jù)本發(fā)明的脈沖波所傳播的路徑和表面點(diǎn)的減少。圖2的三 維模型基于圖3的二維模型72。
圖2的模型70代表管(例如，圖1的管2 )的(外)表面。x 軸和y軸在管狀才莫型的;f黃截面上延伸，而z軸在其》從向上延伸。此 實(shí)例的維度被設(shè)置為以米(m)為單位。圖2的三維模型實(shí)際上是 圖1的物體的重建。三維重建本身在層析成像領(lǐng)域是已知的。
圖2中建模的表面在一組第一換能器4與一組第二換能器5之 間延伸。路徑71在每個(gè)第一換能器4與每個(gè)第二換能器5之間延 伸。脈沖沿這些路徑的傳播時(shí)間與路徑的長(zhǎng)度成比例。沿平坦、筆 直的表面延伸的路徑會(huì)比穿過圖1的凹部6的路徑短。因此，沿這 些3各徑的傳4番時(shí)間將不同，并且脈沖將在不同的時(shí)間到達(dá)。
該模型將計(jì)算脈沖沿相應(yīng)路徑的到達(dá)時(shí)間。如果該模型最初假 定所有的路徑具有相等的長(zhǎng)度，則對(duì)于穿過凹部6的路徑，將出現(xiàn) 測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播時(shí)間之間的差異。此差異可 以通過調(diào)節(jié)模型來補(bǔ)償。模型的初始值可以基于實(shí)際物體(諸如管) 的測(cè)量和/或基于理論研究。
在圖3的二維實(shí)例中，水平軸沿管狀模型的圓周R延伸，而z 軸在其縱向上延伸。維度被設(shè)置為以米(m)為單位。
14如在圖3中可以看到的，第一換能器4和第二換能器5沿模型 的圓周均勻地隔開。由第 一換能器所產(chǎn)生的脈沖將被第二換能器檢 測(cè)。到達(dá)時(shí)間以及由此而4尋到的傳纟番時(shí)間將至少大約地只于應(yīng)于在每 個(gè)第一換能器4與多個(gè)第二換能器5之間延伸的一組路徑71。為了 附圖的清楚性，圖3中僅示出了一組這樣的路徑71。
如以上所說明的，模型包含關(guān)于物體的表面(圖1中的3)的 信息。此信息可以包括在多個(gè)點(diǎn)中表示表面的(相對(duì)或絕對(duì))高度 的一組值。如圖1所示，在凹部6處的表面高度小于在第一換能器 4處的高度。為了精確地對(duì)表面進(jìn)行建模，需要大量的表面點(diǎn)，例 如幾百個(gè)或甚至上千個(gè)表面點(diǎn)。然而，通過測(cè)量得到的傳4番時(shí)間直 接確定表面點(diǎn)需要大量的計(jì)算。由于這個(gè)原因，本發(fā)明提供了僅包 含有限數(shù)量的表面點(diǎn)的更有效的模型，從而顯著減少了計(jì)算量。
根據(jù)本發(fā)明，模型僅包含有限的一組表面點(diǎn)73。這些"核心" 表面點(diǎn)被存儲(chǔ)在才莫型中，并且在需要與所觀察的傳播時(shí)間進(jìn)行匹配 的情況下被調(diào)節(jié)。在所示的實(shí)例中，僅24個(gè)表面點(diǎn)被用在該模型 中，/人而與上述的成百或上千個(gè)點(diǎn)相比，提供了明顯的節(jié)省。應(yīng)該 理解，"核心，，表面點(diǎn)的數(shù)碼可以根據(jù)所建模的表面的維度以及所 需要的精確度而變化，并且該數(shù)量可以正好大于或小于24，例如， 16、 30或50。
為了精確地對(duì)表面進(jìn)行建模并計(jì)算傳播時(shí)間，通常需要大量的 表面點(diǎn)。才艮據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，通過內(nèi)插法而獲得擴(kuò)展的一組 表面點(diǎn)。即，如果需要，對(duì)模型的該組表面點(diǎn)("核心"表面點(diǎn)) 進(jìn)行內(nèi)插，以提供用于計(jì)算傳播時(shí)間并提供更詳細(xì)的表面信息的擴(kuò) 展的一組表面點(diǎn)。以此方式，24個(gè)表面點(diǎn)的示例性凄t目可以^皮擴(kuò)展 為例3。 1024個(gè)表面點(diǎn)。因此，本發(fā)明中所使用的模型可以被認(rèn)為是兩級(jí)模型。在基本
級(jí)上，有限的一組(例如，24個(gè))表面點(diǎn)被確定并存儲(chǔ)。4艮據(jù)測(cè)量 得到的傳播時(shí)間調(diào)節(jié)這些"核心"表面點(diǎn)。在更高級(jí)上，擴(kuò)展的一 組(例如，1024個(gè))表面點(diǎn)通過內(nèi)插法而4皮確定并(臨時(shí)或7JC久:l也) 被存儲(chǔ)。因此，這些"擴(kuò)展"表面點(diǎn)間接通過測(cè)量得到的傳播時(shí)間 得到，這不同于直接得到的"核心"表面點(diǎn)。
4吏用擴(kuò)展組，可以<吏用本身已知的多種技術(shù)來4青確地確定根招-該模型的傳播時(shí)間。通常，每條路徑71被分為多個(gè)部分。對(duì)于每 條路徑，使用在通過該模型得到的擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)中所包含的高 度信息，計(jì)算所有路徑部分的傳播時(shí)間。然后，通過將特定路徑的 各部分的傳，播時(shí)間相加來確定每條^各徑的傳播時(shí)間，從而計(jì)算得到 傳#番時(shí)間。
測(cè)量得到的傳播時(shí)間是通過從脈沖的傳播時(shí)間減去脈沖的發(fā) 射時(shí)間來確定的。發(fā)射時(shí)間通常通過記錄激活信號(hào)^皮發(fā)送至第一換 能器單元的時(shí)間點(diǎn)來確定，而到達(dá)時(shí)間通常通過記錄乂人第二換能器 單元接收到^r測(cè)信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)來確定。
然后，將計(jì)算得到的傳播時(shí)間與測(cè)量得到的傳播時(shí)間進(jìn)行比 較，并且記錄任何差異。本身已知的優(yōu)化程序接著被用于優(yōu)化該模 型以^使差異^皮消除。適合的已知優(yōu)化程序是Levenberg-Marquardt 和Guass-Newton程序。
在本發(fā)明的方法中，〗吏用了表面波。表面波的有點(diǎn)在于，每個(gè) 脈沖均獲得路徑(而不僅是一個(gè)點(diǎn))的信息。已發(fā)現(xiàn)，由于瑞利波 沿著表面前進(jìn)，所以瑞利波是非常適合的表面波。從而，瑞利波的 傳播時(shí)間提供了非常精確的關(guān)于表面結(jié)構(gòu)的信息。然而，導(dǎo)波也是非常適合的，尤其是當(dāng)不僅需要關(guān)于表面的信 息，而且還需要關(guān)于物體的壁厚的信息時(shí)。具體地，利用了導(dǎo)波的
有利的分散特性(dispersive behaviour):假定波的頻率、傳播速度
耳又決于壁厚。因此，任何測(cè)量得到的速度變化表示壁厚變^b。
還可以使用瑞利(脈沖)波和表面(脈沖)波的結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，瑞利波可以用于提供表面的平坦性度 量，同樣在缺乏如圖2所示的重建模型時(shí)。 一種通過使用在物體的 表面上安裝的超聲波換能器來提供表面的平坦性度量的方法可以 包括以下步驟將脈沖波從第 一換能器發(fā)射到 一個(gè)或多個(gè)第二換能 器，第一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑；測(cè)量脈 沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間；以及基于測(cè)量得到的傳播時(shí)間計(jì)算平 坦性度量，這些脈沖波是瑞利波。因此，瑞利波可以與或者不與表 面的模型一起使用。(不)平坦性度量可以是合適的數(shù)字(例如， 在從1至10的范圍內(nèi))或者任何其他的適合度量。
平坦性度量可以是例如與(相對(duì))傳播時(shí)間成反比例，即，與 由不平坦性而引起的延遲反比例。短的延遲將表示高度平坦性(因 此，為較高值的平坦性度量)，而較長(zhǎng)的延遲表示較低的平坦性。 因此，瑞利波的相對(duì)時(shí)間延遲可以用于確定平坦性度量。代表"理
表面的實(shí)際測(cè)量來確定。
才艮據(jù)本發(fā)明的另一方面，相位才交正可以用于才交正分散波。這在 圖4A和圖4B中示意性示出，其中，圖4A示出了原始^c沖81 (粗— 線)及其失真的對(duì)應(yīng)部分(counterpart) 82 (細(xì)線)，而圖4B示出 了重建3永沖83。
17在圖4A中，脈沖82 ^皮示出為由于分散而失真與原始脈沖 81相比，該脈沖的原始相位關(guān)系損失，并且脈沖在時(shí)間上展開。這 就確定了脈沖的到達(dá)時(shí)間，并因此確定了不太精確的其傳播時(shí)間。
精確度的損失可以通過應(yīng)用(可選)相位校正X來避免。在示 例性實(shí)施例中，相位校正X可以表示為
其中，co是(角)頻率，v(w)是取決于頻率的脈沖傳播速度，以及 x是在表面上沒有^f壬^T凹部或凸部時(shí)的^各徑長(zhǎng)度。
可以通過乂于失真3永沖(畸變a永沖)82進(jìn)^f于快速j粵立葉變換: (FFT)、將所得到的頻i普乘以相位4交正X、然后應(yīng)用傅立葉反變換 (IFFT )來應(yīng)用這種校正，以獲得校正脈沖83。在進(jìn)行校正之后， 脈沖的相位以及本來形狀被恢復(fù)，如圖4B所示。此恢復(fù)后的脈沖 波83允許對(duì)其傳播時(shí)間的精確檢測(cè)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到， 可以例如4吏用預(yù)測(cè)誤差濾波器來應(yīng)用其他相位4交正4支術(shù)。
圖5中示出了一種用于對(duì)物體的表面進(jìn)行建^^莫的裝置。裝置1 包括處理單元(PU) 10、存儲(chǔ)單元(11)、發(fā)射單元(TU) 12和顯 示單元(DU) 13。優(yōu)選地，處理單元10包括纟效處理器，其能夠才丸 行具體化本發(fā)明方法的軟件程序的指令。存儲(chǔ)單元11可以存儲(chǔ)此
軟件程序以及該模型的參數(shù)，模型參數(shù)包括表面點(diǎn)值的集合。優(yōu)選 地，顯示單元13包括能夠顯示模型(尤其是圖2中所示的類型的 重建)的顯示屏幕。發(fā)射單元12能夠在處理單元10的控制下產(chǎn)生 被供給(多個(gè))第一換能器4的脈沖發(fā)射信號(hào)。另外，發(fā)射單元12 能夠接收由(多個(gè))第二換能器5產(chǎn)生的脈沖檢測(cè)信號(hào)并將適當(dāng)?shù)?脈沖4企測(cè)信號(hào)供纟會(huì)處理單元10。發(fā)射單元12可以;故配置用于例如〗吏用射頻(RF)通信或紅外 線通信來與換能器4和5進(jìn)4于無線通信。另外，處理單元10可以 被配置用于應(yīng)用如上所述的相位校正。用于相位校正的適合程序可 以被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元11中。
用于才是供表面的平坦性度量的裝置還可以具有如圖5所示的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于管或庫欠管，而是還可以應(yīng)用在其4也 物體(例如，船體、飛機(jī)機(jī)身、車身、坦克裝曱中的零件)的表面 或壁、或其他表面或壁結(jié)構(gòu)(例如，儲(chǔ)油罐、桿、鋼橋、和建筑中 的金屬結(jié)構(gòu))上。
本發(fā)明基于以下觀點(diǎn)對(duì)表面進(jìn)行建模的計(jì)算負(fù)載可以通過使 用具有有限數(shù)目的表面點(diǎn)的模型而顯著地降低，并且模型的精確度 可以通過對(duì)在模型中所使用的表面點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插來保持。本發(fā)明受益 于瑞利波非常適合于收集表面信息這一觀點(diǎn)。
應(yīng)該注意，在此文檔中所使用的任何術(shù)語不應(yīng)被解釋為限制本 發(fā)明的范圍。具體地，詞語"包括"和"包含"并不是指排除任何 沒有具體i兌明的元件。單個(gè)元件可以用多個(gè)it/f?；蚱涞韧颺,^換。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施例， 并且可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行 各種變型和增加。
權(quán)利要求
1.一種使用安裝在物體(2)的表面(3)上的超聲波換能器(4，5)對(duì)所述表面進(jìn)行建模的方法，所述方法包括以下步驟●提供所述表面的模型，所述模型包括表示所述表面的高度的一組表面點(diǎn)，●將脈沖波從第一換能器(4)發(fā)射至一個(gè)或多個(gè)第二換能器(5)，所述第一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿所述表面的相應(yīng)路徑，●測(cè)量所述脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，●基于所述表面的所述模型計(jì)算傳播時(shí)間，●響應(yīng)于測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播時(shí)間之間的任何差異，調(diào)節(jié)所述表面的所述模型，以及●重復(fù)發(fā)射、測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的步驟，直到所述差異比預(yù)定閾值小，其中，計(jì)算傳播時(shí)間的步驟包括對(duì)所述一組表面點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插以獲得擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)的子步驟，使用所述擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)計(jì)算所述傳播時(shí)間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一組表面點(diǎn)由小于 100個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu)選地，由小于50個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，同時(shí)所述擴(kuò)展 的一組表面點(diǎn)由多于200個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，優(yōu)選地，由多于500個(gè)點(diǎn) 構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述脈沖波為導(dǎo)波。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述脈沖波為瑞利波。
5. 才艮據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括將相位校正 應(yīng)用于測(cè)量得到的所述脈沖波的傳l番時(shí)間的步驟。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，連續(xù)地對(duì)至 少兩個(gè)所述第一換能器(4)執(zhí)行發(fā)射脈沖波以及測(cè)量傳播時(shí) 間的步-驟。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一換能器(4)的 數(shù)量等于所述第二換能器(5)的數(shù)量。
8. —種管道的監(jiān)控方法，所述監(jiān)控方法包括根據(jù)前述權(quán)利要求中 4壬一項(xiàng)所述的建才莫方法。
9. 一種使用安裝在物體(2)的表面(3)上的超聲波換能器(4， 5)才是供所述表面的平坦性度量的方法，所述方法包括以下步 驟*第一換能器(4)和至少一個(gè)第二換能器(5),所述第 一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿所述表面的相應(yīng)路徑，攀沿所述相應(yīng)路徑將脈沖波從所述第一換能器(4)發(fā)射到所述一個(gè)或多個(gè)第二換能器(5),*測(cè)量所述脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，以及*基于測(cè)量得到的傳播時(shí)間計(jì)算所述平坦性度量，其中，所述力永沖波是瑞利波。
10. —種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng) 所述的方法。
11. 一種使用安裝在物體的表面上的超聲波換能器對(duì)所述表面進(jìn)行建模的裝置(1)，所述裝置包括*存儲(chǔ)單元(11),用于存儲(chǔ)所述表面的模型，所述模型 包括表示所述表面的高度的一組表面點(diǎn)，*第一換能器(4)和至少一個(gè)第二換能器(5),所述第 一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿所述表面的相應(yīng)路徑，*發(fā)射單元(12)，用于將脈沖波沿所述相應(yīng)^各徑從所述 第一換能器(4)發(fā)射到一個(gè)或多個(gè)所述第二換能器(5)，以 及*處理單元(10),纟皮配置用于〇測(cè)量所述脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，O基于所述表面的所述模型計(jì)算所述傳播時(shí)間，〇響應(yīng)于測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播 時(shí)間之間的任何差異，調(diào)節(jié)所存儲(chǔ)的所述表面的模型，以及O重復(fù)發(fā)射、測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的步驟，直到所 述差異小于預(yù)定閾值，其中，所述處理單元(10)還凈皮配置用于對(duì)所述一組表 面點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插以獲得擴(kuò)展的 一組表面點(diǎn)，并且用于使用所述擴(kuò) 展的一組表面點(diǎn)計(jì)算所述傳播時(shí)間。
12. —種用于使用安裝在物體的表面上的超聲波換能器提供所述 表面的平坦性度量的裝置(1 )，所述裝置包括參第一換能器(4)和至少一個(gè)第二換能器(5)，所述第 一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿所述表面的相應(yīng)路徑，*發(fā)射單元(12 ),用于將脈沖波沿所述相應(yīng)路徑從所述 第一換能器(4)發(fā)射到一個(gè)或多個(gè)所述第二換能器(5)，以 及*處理單元(5),凈皮配置用于〇測(cè)量所述脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，以及〇基于測(cè)量得到的傳播時(shí)間計(jì)算所述平坦性度量， 其中，所述脈沖波是瑞利波。
13. 沖艮據(jù);f又利要求11或12所述的裝置，其中，所述處理單元(IO) 和所述換能器(4, 5)能夠進(jìn)行無線通信。
14. 一種用于監(jiān)控管道的系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求11、 12或13 所述的裝置(11)。
全文摘要
一種使用安裝在物體(2)的表面(3)上的超聲波換能器(4，5)對(duì)該表面進(jìn)行建模的方法，該方法包括以下步驟提供表面的模型，該模型包括表示表面的高度的一組表面點(diǎn)，將脈沖波從第一換能器(4)發(fā)射至一個(gè)或多個(gè)第二換能器(5)，第一換能器和每個(gè)第二換能器限定沿表面的相應(yīng)路徑，測(cè)量脈沖波沿每條路徑的傳播時(shí)間，基于表面的模型計(jì)算傳播時(shí)間，響應(yīng)于測(cè)量得到的傳播時(shí)間與計(jì)算得到的傳播時(shí)間之間的任何差異，調(diào)節(jié)表面的模型，以及重復(fù)發(fā)射、測(cè)量、計(jì)算和調(diào)節(jié)的步驟，直到差異比預(yù)定閾值小。計(jì)算傳播時(shí)間的步驟包括對(duì)一組表面點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插以獲得擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)的子步驟，使用擴(kuò)展的一組表面點(diǎn)計(jì)算傳播時(shí)間。因此，基本上減少了要確定的表面點(diǎn)的數(shù)量。
文檔編號(hào)G01B17/02GK101632002SQ200880005368
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月19日
發(fā)明者托馬斯·海特勒伊達(dá)·亨利克斯·巴斯滕, 阿爾諾·威廉·福雷德里克·福爾克爾 申請(qǐng)人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(huì)(Tno)