管道缺陷电磁超声螺旋导波层析成像方法（清华大学优秀博士学位论文丛书）

为在管道中激发出螺旋导波，《管道缺陷电磁超声螺旋导波层析成像方法》提出了一种检测金属管道缺陷用螺旋Lamb波电磁超声换能器结构，确立了它的设计原则，阐述了它的工作原理，定义了声场分析用圆周角度分布图。

为辨识并分离时域重叠的多模态导波信号，提出了一种基于多项式Chirplet变换的多模态导波分离方案，形成了不同模态导波信号的走时和幅度特征提取算法。

为定性评估管道缺陷的严重程度，提出了一种快速多螺旋Lamb波层析成像方法。具体地，基于对导波的直射线近似，建立了螺旋Lamb波缺陷检测概率性重构方法。

为定量评估管道缺陷的深度和轮廓，提出了一种基于超声衍射的高分辨率层析成像方法。具体建立了跨孔层析傅里叶衍射定理，提出了有限投影下的压缩感知层析成像模型。

王哲，2012至2016年就读于重庆大学电气工程学院，获得电气工程学士学位；2016至2021年就读于清华大学电机工程与应用电子技术系，获得电气工程博士学位。在校期间，获得清华大学优秀博士论文等荣誉。

　　现代工业使用了大量金属管道，其在服役过程中，大多处于严苛的运行环境或复杂的运行工况，面临腐蚀、高温、高压等环境，且缺乏有效的维护，极易发生部件失效和安全事故等，从而威胁人们正常的生产生活。

　　目前对管道缺陷进行检测的方法主要有涡流法、超声波检测法、漏磁检测法等。超声检测技术具有穿透能力强、缺陷定位准确度高、灵敏度高、检测速度快等优点，但常规超声体波逐点扫描的工作方式检测效率低，而且不能检测探头无法直接接触到的部位。

　　超声导波是在规则物体中，由于边界的作用而产生的稳定向前传播的波。超声导波检测具有长距离、大范围、高效率的优势。一方面，超声导波沿传播路径衰减小，传播距离远，回波信号包含部件整体性的信息； 另一方面，导波传播是介质中所有质点共同振动的结果，因此导波既可以检测部件的表面缺陷，也可以检测部件的内部缺陷。目前，超声导波检测方法越来越受到关注。然而，超声导波相比于超声体波，具有更加复杂的特性。导波呈现频散和多模态的特征，对其应用带来挑战； 超声导波的建模分析和有效应用也一直是学术界广泛关注的难点问题。

　　本书作者王哲是重庆大学本科优秀毕业生，免试直读清华大学博士，论文工作基于管道缺陷电磁超声螺旋导波检测方法展开，取得了较突出的研究成果，获清华大学2021年优秀博士学位论文。本书基本内容来自于王哲的博士学位论文。

　　本书内容包括螺旋导波电磁超声换能器、导波多模态分解和特征提取方法、超声导波缺陷检测概率性重构方法和压缩感知超声波动层析成像方法。本书为管道缺陷检测提供了新思路和新方法，具有重要的学术价值。

　　超声导波除了可在管道中传播并被利用外，还可用于杆状和板状结构件的缺陷检测，已应用在储罐底板、电缆、铁轨、钢丝绳和飞机机翼等构件缺陷检测中。随着人们对金属构件结构健康监测越来越重视，利用嵌入式超声导波传感器进行原位检测以及实时在线监测将体现其应用价值。本书是相关专业研究生的重要参考资料，也可作为无损检测从业人员的参考书。

黄松岭

清华大学电机工程与应用电子技术系

第1章绪论

1.1选题背景和意义

1.2管道电磁超声导波检测的研究现状

1.2.1电磁超声导波激发机理

1.2.2管道中的超声导波

1.3导波投影数据提取方法研究现状

1.3.1导波与缺陷的相互作用

1.3.2导波信号分析与投影数据提取

1.4管道缺陷导波成像方法研究现状

1.5本书研究内容

第2章管道螺旋兰姆波电磁超声换能器研究

2.1本章引论

2.2螺旋兰姆波电磁超声换能器结构设计

2.2.1兰姆波的基础理论

2.2.2螺旋兰姆波换能器设计

2.3管道螺旋兰姆波洛伦兹力理论模型

2.4螺旋兰姆波换能器性能仿真验证

2.5螺旋兰姆波换能器试验验证和比较分析

2.5.1平台搭建和试验验证

2.5.2与传统换能器的比较

2.6本章小结

第3章超声导波重叠信号分离和特征提取

3.1本章引论

3.2重叠信号分离识别和特征提取

3.2.1导波的频散和多模特性

3.2.2多项式Chirplet变换

3.2.3基函数的构建

3.2.4非平稳信号的瞬时频率

3.3重叠导波信号分离和特征提取步骤

3.4仿真信号试验验证

3.4.1边界反射案例

3.4.2变距离缺陷下的稳健性验证

3.5复杂反射试验验证和比较

3.5.1考虑缺陷和边界带来的重叠

3.5.2进一步比较和分析

3.6本章小结

第4章基于直射线近似的快速螺旋导波层析成像

4.1本章引论

4.2管道多螺旋角度导波直线传播模型

4.3概率性重构成像方法

4.3.1基于信号差异系数的成像模型

4.3.2概率性重构方法步骤

4.4基于概率性重构的层析成像仿真试验验证

4.4.1单缺陷案例

4.4.2双缺陷案例

4.5实际复杂缺陷试验验证

4.5.1平台搭建和成像验证

4.5.2进一步比较和分析

4.6本章小结

第5章基于超声衍射的高分辨率螺旋导波层析成像

5.1本章引论

5.2针对跨孔层析的傅里叶衍射定理

5.3压缩感知波动层析成像模型

5.3.1非均匀快速傅里叶变换

5.3.2有限投影下的层析重建

5.3.3压缩感知求解模型

5.4基于超声衍射的层析成像方法与步骤

5.5阶梯状缺陷波动层析成像仿真试验验证

5.6复杂缺陷波动层析成像试验验证

5.6.1实际复杂缺陷成像验证

5.6.2进一步比较和分析

5.7本章小结

第6章总结与展望

6.1结论

6.2进一步工作的建议

参考文献