基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲導波檢測技術，尤其是一種基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺 陷識別與定位方法，屬于無損檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，管道廣泛應用于各個行業(yè)，已經成為繼鐵路、公路、航空運輸、水運之后的 第五大運輸工具。然而，由于管道事故頻發(fā)，對管道進行健康監(jiān)測變得十分必要。近年來， 超聲導波檢測技術成為長距離管線檢測新穎技術。與傳統(tǒng)超聲波檢測技術相比，超聲導波 沿著波導結構長度方向激發(fā)，其檢測范圍是"線"而非"點"，檢測范圍可達50~100米，已 經成為長距離管線檢測的重要方法。
[0003] 目前，針對超聲導波的檢測技術有很多，主要可分為三大部分：一、超聲導波在管 道結構中的傳播特性研宄，如不同管道特征中及不同服役條件下的頻散特性研宄、衰減特 性研宄、傳播模態(tài)與模態(tài)轉換研宄等；二、超聲導波的激發(fā)和接收裝置研宄，如壓電效應，磁 致伸縮效應及基于脈沖激光式導波傳感器設計與應用研宄等；三、信號分析與缺陷特征提 取，如小波變換，快速FFT，缺陷參數(shù)識別等。相關文獻表明在上述三個方面已有豐富的研宄 成果。但在超聲導波檢測技術的工業(yè)應用中，仍存在一些問題。尤其是對于一些充液管道、 埋地管道等實際管道，進行激發(fā)，由于這些管道特征，使得接收到的信號即使是在較大缺陷 下也大多很難看到明顯的缺陷回波信號，還有一些長距離，小缺陷下的回波信號也很難被 觀察到，因此，國內外研宄學者越來越重視對超聲導波信號的分析和研宄，并且發(fā)展了許多 有效地方法?；煦缦到y(tǒng)由于具有初值敏感性，若將弱信號作為混沌系統(tǒng)的初值輸入到系統(tǒng) 中，從混沌系統(tǒng)的響應中可以有效的識別出弱信號，并且有效降低了信噪比門限，提高了檢 測靈敏度。因此，基于混沌系統(tǒng)的微弱信號檢測技術引起了研宄人員的重視。
[0004] 常用的混沌檢測系統(tǒng)主要有Lorenz系統(tǒng)和Duffing系統(tǒng)。有許多研宄學者基于 非共振參數(shù)激勵混沌抑制原理，利用受控Lorenz系統(tǒng)實現(xiàn)強噪聲背景下微弱諧和信號的 檢測。然而，近年來，基于Duffing振子的微弱周期信號檢測方法得到了深入研宄。最初是 由1992年美國Dayton大學的Donald. L. Birx博士開展的，由于當時有關基礎理論尚不完 善而缺乏深入理論研宄。隨后，研宄學者利用對非自治杜芬混沌系統(tǒng)的參數(shù)共振微擾來實 現(xiàn)檢測，并且開展了基于混沌檢測技術的系統(tǒng)統(tǒng)計特性、弱信號周期檢測、未知頻率檢測、 信號振幅估計等相關研宄，但大部分圍繞著周期和諧波信號。現(xiàn)在也有越來越多的學者利 用杜芬混沌系統(tǒng)進行弱超聲導波信號的識別。但大多集中在利用定性指標相軌跡圖對導波 信號的識別，而進一步對小缺陷管道定位顯得更為迫切。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)超聲波檢測技術的缺陷，提供一種基于分數(shù)維的管 道超聲導波小缺陷識別與定位方法，該方法可以對管道中的不同損傷程度的小缺陷進行有 效定位，從而提高了超聲導波識別小缺陷的靈敏度、有效地延長了檢測范圍。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到：
[0007] 基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，包括以下步驟：
[0008] 1)波形發(fā)生器生成經Hanning窗調制的信號，通過功率放大器放大，再作用于管 道一側端面的壓電環(huán)，激發(fā)經Hanning窗調制的超聲導波信號，使超聲導波遍歷管道的所 有位置；
[0009] 2)通過設置在管道上的壓電片接收實測信號，并通過數(shù)字示波器記錄超聲導波在 管道中傳播的時程曲線，由數(shù)字示波器將記錄的信息傳輸給計算機；
[0010] 3)設預先采集到的完好管道的入射波信號以及數(shù)值模擬的純噪聲信號為檢測信 號，根據該檢測信號的中心頻率、采樣頻率，以及杜芬方程特性，構造杜芬振子信號檢測系 統(tǒng)；
[0011] 4)將預先采集到的完好管道的入射波信號以及數(shù)值模擬的純噪聲信號分別輸入 到杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，通過比較無信號輸入、入射波信號及純噪聲信號時，分數(shù)維隨策 動力幅值F的變化，確定可用于識別超聲導波信號的F值；
[0012] 5)定義移動窗函數(shù)，選擇窗長度2δ =50ys、窗口移動速度τ =5ys，通過移動 窗函數(shù)掃描實測信號，計算每一段信號的分數(shù)維，若入射波和端面回波之間的分數(shù)維等于 2,則管道完好；若入射波和端面回波之間的分數(shù)維大于2,則管道有缺陷，進入步驟6);
[0013] 6)利用分數(shù)維的包絡線峰值確定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的時刻，根 據三者之間的時間比例關系，進行管道缺陷定位；
[0014] 7)利用窗口移動速度τ = 1 μ S對管道中的小缺陷進行精確定位。
[0015] 作為一種實施方案，步驟1)所述經Hanning窗調制的超聲導波信號表達式如下：
【主權項】
1. 基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征在于包括w下步驟： 1) 波形發(fā)生器生成經Hanning窗調制的信號，通過功率放大器放大，再作用于管道一 側端面的壓電環(huán)，激發(fā)經Hanning窗調制的超聲導波信號，使超聲導波遍歷管道的所有位 置； 2) 通過設置在管道上的壓電片接收實測信號，并通過數(shù)字示波器記錄超聲導波在管道 中傳播的時程曲線，由數(shù)字示波器將記錄的信息傳輸給計算機； 3) 設預先采集到的完好管道的入射波信號W及數(shù)值模擬的純噪聲信號為檢測信號，根 據該檢測信號的中屯、頻率、采樣頻率，W及杜芬方程特性，構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)； 4) 將預先采集到的完好管道的入射波信號W及數(shù)值模擬的純噪聲信號分別輸入到杜 芬振子信號檢測系統(tǒng)，通過比較無信號輸入、入射波信號及純噪聲信號時，分數(shù)維隨策動力 幅值F的變化，確定可用于識別超聲導波信號的F值； 5) 定義移動窗函數(shù)，選擇窗長度2 5 = 50ys、窗口移動速度T=5ys，通過移動窗函 數(shù)掃描實測信號，計算每一段信號的分數(shù)維，若入射波和端面回波之間的分數(shù)維等于2,則 管道完好；若入射波和端面回波之間的分數(shù)維大于2,則管道有缺陷，進入步驟6); 6) 利用分數(shù)維的包絡線峰值確定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的時刻，根據= 者之間的時間比例關系，進行管道缺陷定位； 7) 利用窗口移動速度T=lys對管道中的小缺陷進行精確定位。
2. 根據權利要求1所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟1)所述經Hanning窗調制的超聲導波信號表達式如下：
(1) 其中，n為選用的單音頻數(shù)目，Wt= 2 31f。，f。為實測信號的中屯、頻率，為70KHZ。
3. 根據權利要求1所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟3)所述構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，具體如下： a) 選取杜芬方程，它包括振蕩、分岔、混濁的復雜狀態(tài)，其表達式為：
(2) 其中，k為阻巧比，（-x3+x5)為非線性恢復力項；Fcosot為策動力項，F(xiàn)是策動力幅值， ?為策動力角頻率； b) 設預先采集到的完好管道的入射波信號W及數(shù)值模擬的純噪聲信號為檢 測信號噸)，且其中屯、頻率為70KHZ，采樣頻率為50M次/秒，然后設定杜芬方程的 ? > 0. 439823rad/yS，積分步長h= 0. 02yS，阻巧比k= 0. 5,將？(0輸入系統(tǒng)（1)后得：
(3) 杜芬振子信號檢測系統(tǒng)即構造完成。
4. 根據權利要求3所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟5)所述分數(shù)維的定義具體如下： a)對于n維連續(xù)動力系統(tǒng)X=F(x)，在t= 0時亥Ij，WX。為中心II5x(x。，0川為半 徑做一個n維的球面；隨著時間的演化，在t時刻該球面即變形為n維的楠球面，設該楠球 面的第i個坐標軸方向的半軸長為，則該系統(tǒng)第i個Lyapunov指數(shù)為：
(4) n維系統(tǒng)，對應n個Lyapunov指數(shù)值，只要存在一個Lyapunov指數(shù)大于0,就說明系統(tǒng) 處于混濁狀態(tài)，將式（3)表示的二維非自治杜芬振子信號檢測系統(tǒng)改寫為S維自治系統(tǒng)， 如下式：
利用式（4)分別計算出杜芬振子信號檢測系統(tǒng)對應的S個Lyapunov指數(shù)A1、A2和 入3; b)根據上述將計算出的Lyapunov指數(shù)，得到了一種分數(shù)維的定義，如下：
其中，滿足
再定義周期運動及準周期運動對應的分數(shù)維為2。
5. 根據權利要求1所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟5)所述移動窗函數(shù)的定義如下： S*=g(t-nT)S (7)
其中，S表示記錄下的全時域信號，表示截取信號，N表示信號長度，2 5表示窗長度， T表示窗口移動速度。
6. 根據權利要求1所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟6)所述進行管道缺陷定位采用下式計算：
C9) 其中，屯表示管中缺陷離激發(fā)端的距離，d表示管道長度，ti、t2和t3分別表示入射波、 缺陷回波和端面回波接收到的時刻。
7. 根據權利要求1所述的基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，其特征 在于；步驟7)所述利用窗口移動速度T=lys對管道中的小缺陷進行精確定位，具體如 下： 先利用分數(shù)維峰值給出窗口移動速度T=lys時，中間位置的回波時刻，再根據頻散 曲線計算出的傳播速度，結合下式對管道中的小缺陷進行精確定位： 2d=ct (10) 其中，C為根據頻散曲線計算出的傳播速度，t表示接收到的波的時刻，d表示t時刻管 道位置離激發(fā)端的距離。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分數(shù)維的管道超聲導波小缺陷識別與定位方法，所述方法包括：通過波形發(fā)生器、功率放大器放大和壓電環(huán)，激發(fā)超聲導波信號，然后通過壓電片接收實測信號，并通過數(shù)字示波器記錄超聲導波在管道中傳播的時程曲線；構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)；根據分數(shù)維隨策動力幅值F的變化，確定可用于識別超聲導波信號的F值；定義移動窗函數(shù)，通過移動窗函數(shù)掃描實測信號，計算每一段信號的分數(shù)維，若分數(shù)維等于2，則管道完好；若分數(shù)維大于2，則管道有缺陷，利用分數(shù)維的包絡線峰值和窗口移動速度τ＝1μs進行缺陷定位。本發(fā)明方法可以對管道中的不同損傷程度的小缺陷進行有效定位，從而提高了超聲導波識別小缺陷的靈敏度、有效地延長了檢測范圍。
【IPC分類】F17D5-06, G01N29-04
【公開號】CN104792865
【申請?zhí)枴緾N201510145418
【發(fā)明人】馬宏偉, 武靜, 張偉偉, 楊飛
【申請人】暨南大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月30日