一种超声初至波实时检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声初至波实时检测方法，属无损检测技术领域。

背景技术

对油井内部进行探伤检测异常重要，如今利用超声波对油井内部构件缺陷进行无损探伤检测已很普遍；现有超声回波信号处理的电压比较法的准确性不高，容易受噪声干扰，测量精度低；而基于FIR滤波器和小波阈值法的联合去噪算法、小波变换、短时傅立叶变换、魏格纳-威利分布和希尔伯特黄变换这几种时频分析方法，尽管都可以对超声回波信号作去噪处理并得到良好的回波信号，但是计算量大、实时性都不强。总之，上述几种现有超声波检测法存在的主要问题是：对超声回波信号的实时检测性不强、计算量大和空间占用率高，难以满足油井探伤实时、准确和快速的要求。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种实现实时检测超声初至波峰峰值及其所对应的时刻，有效缩减计算量，空间占用率低，提高超声检测工作效率和测量精度，应用范围广的超声初至波实时检测方法。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，包括由硬件描述语言HDL构建的整体时序控制单元、ADC采集回波信号单元、乒乓操作单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元、初至波峰峰值与时刻输出单元和时域采样判别条件架构；所述整体时序控制单元产生四个使能信号，分别是：ADC采集使能信号，控制ADC采集回波信号单元正常工作；波列检测使能信号，同时控制乒乓操作单元和窗口峰值检测单元正常工作；最大值检测使能信号，控制初至波峰峰值与时刻判别单元正常工作；保存最大值使能信号，控制初至波峰峰值与时刻输出单元正常工作；上述这四个使能信号均为高电平有效，通过整体时序控制单元的控制，实现从回波信号的采集、存储、实时检测到最终输出超声初至波峰峰值和对应时刻的全工作流程；所述时域采样判别条件为：（采样点数-误差调节参数）≦T

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，当ADC采集使能信号有效时，控制ADC采集回波信号单元采集回波数据并存入缓存区RAM0中。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，当ADC采集回波信号单元采集回波数据达到预设时间后，波列检测使能信号高电平有效时，启动乒乓操作单元工作，将存入ADC采集回波信号单元缓存区RAM0中的、长度为N的ADC实时采集数据流，等时地以窗口长度为n的数据，依次读入乒乓操作单元的缓存区RAM1或缓存区RAM2中，乒乓操作单元按照波列检测使能信号时序，在数据流存入RAM1的同时读出RAM2的数据到窗口峰值检测单元，或在数据流存入RAM2的同时读出RAM1的数据到窗口峰值检测单元；窗口峰值检测单元按照波列检测使能信号时序对窗口长度为n的数据进行判断比较，识别其中的最大值，若最大值恰好在窗口长度为n个数的中间位置，则将这个最大值及其地址寄存下来，依次交替执行，直至乒乓操作单元RAM1和RAM2中的数据全部判断识别完毕，就将满足条件的最大值及地址寄存到缓存区RAM3中，随后将RAM3中的数据送入初至波峰峰值与时刻判别单元，初至波峰峰值与时刻判别单元在ADC采样率的范围内，判断比较缓存区RAM3中最大值所对应的时刻，对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数，若满足时域采样判别条件，则将满足时域采样判别条件的对应时刻的最大值寄存到缓存区RAM3中并依次比较得到最终的最大值，此最终的最大值即为超声初至波的峰峰值。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，所述的整体时序控制单元主要由时钟分频模块和使能信号生成模块构成，产生ADC采集时钟及ADC采集使能信号、波列检测使能信号、最大值检测使能信号和保存最大值使能信号。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，所述的ADC信号采集单元、乒乓操作单元和窗口峰值检测单元分别各自设置有数据存储模块。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，所述的乒乓操作单元的输入数据流及输出数据流均连续不断、无任何停顿，实时地完成数据无缝缓冲处理，实现对超声初至波的实时检测。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，所述的初至波峰峰值与时刻判别单元、初至波峰峰值与时刻输出单元分别各自设置有峰值实时检测模块。

所述的一种超声初至波实时检测方法，其特征在于，当最大值检测使能信号有效时，通过初至波峰峰值与时刻判别单元判断窗口峰值检测单元缓存区RAM3中的最大值及其位置，识别缓存区RAM3采集队列中的最大值和对应的时刻是否为周期信号的峰峰值，与最大峰峰值对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数，若满足时域采样判别条件，则将对应时刻的最大值寄存至缓存区RAM3并依次比较对应时刻的最大值得到最终的最大值，输出到初至波峰峰值与时刻输出单元，当保存最大值使能信号有效时，初至波峰峰值与时刻输出单元输出最终的最大值以及对应的地址，即为超声初至波的峰峰值和时刻。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该超声初至波实时检测方法，通过乒乓操作单元对ADC采集回波信号单元输出的回波数据边存边读，与此同时，乒乓操作单元的输出端不停顿地输出数据流给窗口峰值检测单元，完成数据的无缝缓冲处理；所述整体时序控制单元、ADC采集回波信号单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元和初至波峰峰值与时刻输出单元的有机整体架构通过硬件描述语言HDL构建，与传统检测方法相比，本发明检测方法，从初至波峰峰值与时刻输出单元的识别结果输出到ADC采集回波信号单元采集结束的时间间隔达到

附图说明

图1为本发明的总体结构方框示意图；

图2为本发明的使能控制信号示意图；

图3为本发明的检测工作流程示意图；

图4为本发明的整体时序控制原理示意图；

图5为本发明的检测结果示意图。

图中： adc_flag为：ADC采集使能信号，detect_flag为：波列检测使能信号，max_flag为：最大值检测使能信号，save_flag为：保存最大值使能信号，clk为：系统时钟, adc_clk为：ADC采集时钟，rst_n为：系统复位信号， fre_select为：ADC采样频率选择信号，data_in为：输入带有一定噪声的回波数据；max_value[M:0]为：输出M位的最大值；time_value[L:0]为：L位输出最大值时对应的地址，K为：RAM中数据的地址位数。

具体实施方式

本发明申请人的设计思想是：超声波检测法在油井内部应用很普遍，如何高效、实时、准确地检测出油井内部缺陷的具体位置是十分重要的。现有的超声波检测法对超声回波信号处理的方法有电压比较法，其不足之处是准确性不高，易受噪声干扰，测量精度低；还有基于FIR滤波器和小波阈值法的联合去噪法、小波变换、短时傅立叶变换、魏格纳-威利分布和希尔伯特黄变换这几种时频分析方法，尽管都可以对超声回波信号进行去噪处理，得到良好的回波信号，但是计算量大、空间占用率高，实时性都不强，难以达到油井内部探伤实时、准确和快速的高标准要求。本发明申请人运用硬件描述语言HDL（HardwareDescription Language）可以描述硬件系统在不同时间的时序行为这一特性，采用硬件描述语言HDL设计搭建整体时序控制单元、ADC采集回波信号单元、乒乓操作单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元、初至波峰峰值与时刻输出单元和时域采样判别条件的有机整体架构，提出了一种超声初至波实时检测方法，与现有技术相比，完善实现了实时检测超声初至波峰峰值及其所对应的时刻，有效缩减了计算量，空间占用率低，提高了超声检测工作效率和测量精度，并拓展了应用范围。

下面结合附图对该超声初至波实时检测方法的实施方式作进一步详细说明（参见图1～5）：

实现本发明的发明目的的技术解决方案主要为：一种超声初至波实时检测方法，包括整体时序控制单元、ADC采集回波信号单元、乒乓操作单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元、初至波峰峰值与时刻输出单元。

进一步地，整体时序控制单元通过系统时钟clk和寄存器产生四个作用于上述各单元正常工作的使能信号，分别是：ADC采集使能信号adc_flag，控制ADC采集回波信号单元的正常工作；波列检测使能信号detect_flag，同时控制乒乓操作单元和窗口峰值检测单元的正常工作；最大值检测使能信号max_flag，控制初至波峰峰值与时刻判别单元的正常工作；保存最大值使能信号save_flag，控制最后的初至波峰峰值与时刻输出单元的正常工作；这四个使能信号均为高电平有效，在整体时序控制单元的作用下，实现从回波信号的采集、存储、实时检测到最终输出初至波峰峰值和时刻的μs级别的全工作过程。

进一步地，一种超声初至波实时检测方法的处理过程主要是：将存入ADC采集回波信号单元缓存区RAM0、长度为N中的ADC实时采集数据流，等时地以窗口长度为n的数据依次读入乒乓操作单元的缓存区RAM1或RAM2中，即缓存区RAM1存满后，存入缓存区RAM2中，或缓存区RAM2存满后，存入缓存区RAM1中，所述乒乓操作单元一边存储一边读出，按照时序，相互配合切换，在数据流存入RAM1的同时读出RAM2的数据到窗口峰值检测单元，或在数据流存入RAM2的同时读出RAM1的数据到窗口峰值检测单元；所述窗口峰值检测单元对窗口长度为n的数据进行判断比较，识别其中的最大值，若最大值恰好在长度为n个数的中间位置，则将这个最大值及其地址寄存下来，依次交替执行，直至缓存区RAM1和RAM2中的数据全部判断识别完毕，就将满足条件的最大值及地址寄存到缓存区RAM3中，然后将RAM3中的数据送入初至波峰峰值与时刻判别单元；初至波峰峰值与时刻判别单元在ADC采样率的范围内，判断比较缓存区RAM3中最大值所对应的时刻，对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数，若满足时域采样判别条件：（采样点数-误差调节参数）≦T

进一步地，乒乓操作单元两端即：输入端、输出端的输入数据流与输出数据流均是连续不断的，没有任何停顿；因此，能实时地完成数据的无缝缓冲处理，实现对超声初至波的实时检测。

进一步地，一种超声初至波实时检测方法，由硬件描述语言HDL构建起整体时序控制单元、ADC采集回波信号单元、乒乓操作单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元和初至波峰峰值与时刻输出单元的有机整体架构，通过自上而下的模块化设计，实现实时地对超声初至波峰峰值与对应的时刻进行检测。

进一步地，整体时序控制单元通过系统时钟clk和寄存器控制产生所述的四个使能信号，完成超声初至波实时检测算法的整体时序控制，保证ADC采集回波信号单元、乒乓操作单元、窗口峰值检测单元、初至波峰峰值与时刻判别单元和初至波峰峰值与时刻输出单元的正常工作。

进一步地，当ADC采集使能信号adc_flag有效时，控制ADC采集回波信号单元将采集的回波信号数据存入缓存区RAM0中。

进一步地，当ADC采集回波信号单元采集数据达到预设的时间后，启动乒乓操作单元工作，当波列检测使能信号detect_flag有效时，将存入缓存区RAM0中的ADC实时采集数据流，等时地以窗口长度为n的数据读入乒乓缓存区RAM1或RAM2中；在数据流存入RAM1的同时读出RAM2的数据到窗口峰值检测单元，或者在数据流存入RAM2的同时读出RAM1的数据到窗口峰值检测单元，窗口峰值检测单元按照波列检测使能信号detect_flag时序，求取乒乓操作单元的数据存储模块窗口长度n中的最大值。

进一步地，通过窗口峰值检测单元判断乒乓操作单元的数据存储模块中的最大值是否在窗口长度n的中间位置处，将满足条件的最大值及其对应的地址一起寄存到窗口峰值检测单元的缓存区RAM3中。

进一步地，当最大值检测使能信号max_flag有效时，通过初至波峰峰值与时刻判别单元，判断窗口峰值检测单元的缓存区RAM3中的最大值及其位置，识别缓存区RAM3采集队列中的最大值和对应的时刻是否为周期信号的峰峰值，与最大峰峰值对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数，若满足时域采样判别条件，则将对应时刻的最大值寄存到缓存区RAM3中。

进一步地，通过初至波峰峰值与时刻判别单元依次比较上述满足时域采样判别条件的最大值并得出最终的最大值输出至初至波峰峰值与时刻输出单元，当保存最大值使能信号save_flag有效时，通过初至波峰峰值与时刻输出单元输出该最终的最大值以及对应的地址，即为超声初至波的峰峰值和时刻。

（参见图1），图1为本发明一种超声初至波实时检测方法的总体结构方框示意图，首先，当ADC采集使能信号adc_flag有效时，ADC采集回波信号单元将采集的回波信号数据存入缓存区RAM0中；当波列检测使能信号detect_flag有效时，ADC采集回波信号单元将缓存在RAM0中的ADC实时采集数据按时序读入窗口长度n个数据，送到乒乓操作单元的缓存区之一RAM1或RAM2，同时通过窗口峰值检测单元对缓存区之二RAM1或RAM2的数据进行最大值判断与识别，交替执行；乒乓操作单元进行边存边读，乒乓操作单元两端的输入数据流与输出数据流均是连续不断的、实时的将数据送入窗口峰值检测单元，窗口峰值检测单元将乒乓操作单元的RAM1和RAM2中满足最大值、在窗口长度n的中间位置的所有值寄存到RAM3中；通过初至波峰峰值与时刻判别单元，在最大值检测使能信号max_flag有效时进行判断识别，在ADC采样率的范围内，对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数，比较判断RAM3中的所有值，若满足时域采样判别条件：（采样点数-误差调节参数）≦T

（参见图2），图2为本发明一种超声初至波实时检测方法的使能控制信号示意图；整体时序控制单元通过系统时钟clk与寄存器完成整个时序控制，分别产生ADC采集使能信号adc_flag、波列检测使能信号detect_flag、最大值检测使能信号max_flag和保存最大值使能信号save_flag。当ADC采集使能信号adc_flag为高电平有效时，ADC采集回波信号单元开始采集数据，采集数据达到预设时间后，当波列检测使能信号detect_flag为高电平有效时，启动乒乓操作单元和窗口峰值检测单元对缓存区RAM1和RAM2中的数据进行判断，当最大值检测使能信号max_flag高电平有效时，通过初至波峰峰值与时刻判别单元进行初至波峰峰值与时刻的判别，将满足时域采样条件的最大值寄存到缓存区RAM3，当检测到保存最大值使能信号save_flag为高电平有效时，通过初至波峰峰值与时刻输出单元输出初至波峰峰值与对应时刻。

（参见图3）图3为本发明一种超声初至波检测方法的检测工作流程示意图，主要是将存入缓存区RAM0中的ADC实时采集数据，按时序依次读入窗口长度n个数据到乒乓操作单元的缓存区RAM1，同时对缓存单元RAM2的数据进行最大值的判断与识别，交替执行。

为了详细说明本发明一种超声初至波检测方法的检测原理，以图3中窗口长度n=10，虚线框a为例进行说明；缓存区RAM0的长度为N，根据时序要求，读入缓存区RAM0中10个地址为2-11对应的数据到缓存区RAM1或缓存区RAM2，然后判断这10个数据中的最大值是否在虚线框的中间位置，也就是地址6处，满足条件，则将对应地址6处的数值14893寄存，否则，不寄存。依次循环，直到将所有满足条件的数值都寄存到缓存区RAM3中，然后在ADC采样率的范围内，依次判断比较缓存区RAM3中的数值，最后得出16383为超声初至波的峰峰值，对应的时刻为12；到此，即完成整个检测流程。

同理，以窗口长度n=11为例加以说明，缓存区RAM0的长度为N，根据时序要求，读入缓存区RAM0中11个地址为3-13对应的数据到缓存区RAM1或缓存区RAM2，然后判断11个地址3-13对应的11个数据中的最大值是否在虚线框b（参见图3）的中间位置，即地址8处，满足条件，则将对应地址8处的数值14397寄存，否则，不寄存。依次循环，直到将所有满足条件的数值都寄存到缓存区RAM3中，通过初至波峰峰值与时刻判别单元依次判断比较缓存区RAM3中的数值，得出最终的最大值即为超声初至波的峰峰值和对应的时刻。此处只选择了一组数据进行说明，本发明的整个检测方法原理亦是如此。从初至波峰峰值与时刻输出单元的识别结果输出到ADC采集回波信号单元采集结束的整个循环过程的时间间隔达到

（参见图4），图4为本发明的整体时序控制原理示意图，运用硬件描述语言HDL进行自上而下的模块化设计，包括时钟分频模块、使能信号生成模块、数据存储模块和峰值实时检测模块四部分。所述整体时序控制单元包括时钟分频模块和使能信号生成模块，ADC信号采集单元、乒乓操作单元和窗口峰值检测单元分别各自设置有数据存储模块，初至波峰峰值与时刻判别单元和初至波峰峰值与时刻输出单元分别各自设置有峰值实时检测模块。

其中，时钟分频模块主要是对系统时钟分频，产生ADC采集信号单元所需的ADC采集时钟adc_clk；使能信号生成模块的主要功能是产生ADC采集使能信号adc_flag、波列检测使能信号detect_flag、最大值检测使能信号max_flag和保存最大值使能信号save_flag；用于控制本发明一种超声初至波检测方法各个单元的正常工作；数据存储模块主要用于存放ADC采集信号单元的实时数据；峰值实时检测模块的主要作用是在整体时序控制单元系统时序的控制下，根据乒乓操作单元的乒乓操作处理其数据存储模块中的所有数据，经窗口峰值检测单元进行峰值检测和初至波峰峰值与时刻判别单元判断识别出初至波峰峰值后，最后得到最终的最大值及其地址，即为超声初至波的峰峰值和时刻。

所述的整体时序控制单元主要由时钟分频模块和使能信号生成模块构成，产生ADC采集时钟（adc_clk）及ADC采集使能信号（adc_flag），工作电压为3.3V；波列检测使能信号（detect_flag），工作电压为3.3V；最大值检测使能信号（max_flag），工作电压为3.3V和保存最大值使能信号（save_flag），工作电压为3.3V。

图4中，输入信号分别是：clk表示系统时钟；rst_n表示系统复位信号，低电平有效；fre_select表示ADC采样频率选择信号，低电平0表示采样频率1，高电平1表示采样频率2，采样频率1和采样频率2的关系为：采样频率2=2*采样频率1；data_in[M:0]表示输入M位的数据。

输出信号分别是：adc_clk表示ADC采集数据的时钟信号；max_value[M:0]表示输出M位的最大值；time_value[L:0]表示L位输出最大值时对应的地址；K表示RAM中数据的地址位数。其中，M、L、K均可根据实际情况进行调节。

本发明一种超声初至波检测方法，包括如下的检测步骤：

步骤一、通过系统时钟clk与寄存器，完成一种超声初至波实时检测方法的整体时序控制，得到四个使能信号，分别是ADC采集使能信号adc_flag、波列检测使能信号detect_flag、最大值检测使能信号max_flag和保存最大值使能信号save_flag；

步骤二、fre_select控制ADC的采样频率，ADC采集使能信号adc_flag控制ADC采集回波信号单元进行实时数据采集；

步骤三、ADC采集数据存入缓存区RAM0达到预设时间后，当波列检测使能信号detect_flag为高电平时，启动乒乓操作单元进行乒乓操作，波列检测使能信号detect_flag同时控制乒乓操作单元和窗口峰值检测单元，将缓存区RAM0中的数据流以窗口长度为n的数据读入乒乓缓存区RAM1或RAM2中；在数据流存入RAM1的同时读出RAM2的数据到窗口峰值检测单元，求取乒乓存储器即数据存储模块窗口长度n中的最大值；

步骤四、判断乒乓存储器中的最大值是否在窗口长度n的中间位置，将满足条件的最大值及其对应的地址一起寄存到缓存区RAM3中，并送入初至波峰峰值与时刻判别单元；

步骤五、通过初至波峰峰值与时刻判别单元判断缓存区RAM3中的最大值及其位置，识别采集队列中的最大值和对应的时刻是否为周期信号的峰峰值，最大峰峰值对应的采样点顺序上相差一个周期信号的采样点数；当最大值检测使能信号max_flag为高电平有效，并且满足时域采样判别条件：（采样点数-误差调节参数）≦T

步骤六、依次比较步骤五中满足条件的最大值，当检测到保存最大值使能信号save_flag为高电平时，初至波峰峰值与时刻输出单元输出最终的最大值和对应的地址，即为超声初至波的峰峰值和时刻。

（参见图5），图5为本发明一种超声初至波检测方法输入超声回波信号之后的检测结果图，其中：

clk是系统时钟；rst_n是系统复位信号，低电平有效；fre_select是ADC采样频率选择信号，根据实际需求设计选择采样频率；data_in是带有一定噪声的输入数据；adc_flag是ADC采集使能信号，当其为高电平时ADC采集信号单元开始采集数据；detect_flag是波列检测使能信号，当其为高电平时开始检测缓存区RAM1或RAM2中的数据；max_flag是最大值检测使能信号，当其为高电平时检测到最大值；save_flag是保存最大值使能信号，当其为高电平时保存检测到的最大值；adc_clk是ADC采集数据的时钟信号；max_value是通过检测之后输出的最大峰峰值；time_value是输出最大值时对应的地址。

如图5所示，图5左边表示的是所有输入和输出信号，图5下面表示的是时间刻度，单位为us；fre_select为低电平，表示ADC采样频率选择采样频率1；data_in是输入的超声初至波数据，adc_flag在10us时置为高电平，ADC开始采集数据存入缓存区RAM0，采集40us之后，detect_flag置为高电平，控制乒乓操作单元和窗口峰值检测单元开始检测，接着在后面四次detect_flag为高电平时加入单脉冲噪声干扰信号，（这是由于无论是在无损检测技术领域，还是在超声波测井方面，虽然对回波信号进行了处理，但不可避免的还是会有其他噪声信号的干扰，波列检测使能信号detect_flag为高电平时加入单脉冲噪声干扰信号，目的在于检测和验证本发明方法能否在有噪声干扰信号时实现准确检测。）如图5所示，在300us时，最大值检测使能信号max_flag变为高电平，说明检测到了最大值，当保存最大值使能信号save_flag为高电平时，保存最大值及其地址。从波列检测使能信号detect_flag为高电平时开始检测，到保存最大值使能信号save_flag为高电平时输出最大值及其地址结束操作，用时为300us-50us=250us，表明本发明方法实现了快速高效的实时性检测。

如图5所示，输入的的超声初至波数据data_in的最大峰峰值为16383，地址为114，在有噪声干扰信号的情况下，通过本发明一种超声初至波检测方法，仍然可以准确地检测到实际输入信号的最大峰峰值和地址。将本发明一种超声初至波检测方法运用于实际检测，实现准确、实时检测超声初至波信号的峰峰值及其对应的时刻，对油井内部探伤作出了贡献。

以上所述只是本发明的较佳实施例而已，上述举例说明不对本发明的实质内容作任何形式上的限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了本说明书后依据本发明的技术实质对以上具体实施方式所作的任何简单修改或变形，以及可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，均仍属于本发明技术方案的范围内，而不背离本发明的实质和范围。