基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)，尤其是一種基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺 陷識(shí)別與定位方法，屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，管道廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，已經(jīng)成為繼鐵路、公路、航空運(yùn)輸、水運(yùn)之后的 第五大運(yùn)輸工具。然而，由于管道事故頻發(fā)，對(duì)管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)變得十分必要。近年來(lái)， 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)成為長(zhǎng)距離管線檢測(cè)新穎技術(shù)。與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波 沿著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向激發(fā)，其檢測(cè)范圍是"線"而非"點(diǎn)"，檢測(cè)范圍可達(dá)50~100米，已 經(jīng)成為長(zhǎng)距離管線檢測(cè)的重要方法。
[0003] 目前，針對(duì)超聲導(dǎo)波的檢測(cè)技術(shù)有很多，主要可分為三大部分：一、超聲導(dǎo)波在管 道結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換研宄等；二、超聲導(dǎo)波的激發(fā)和接收裝置研宄，如壓電效應(yīng)，磁 致伸縮效應(yīng)及基于脈沖激光式導(dǎo)波傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研宄等；三、信號(hào)分析與缺陷特征提 取，如小波變換，快速FFT，缺陷參數(shù)識(shí)別等。相關(guān)文獻(xiàn)表明在上述三個(gè)方面已有豐富的研宄 成果。但在超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用中，仍存在一些問(wèn)題。尤其是對(duì)于一些充液管道、 埋地管道等實(shí)際管道，進(jìn)行激發(fā)，由于這些管道特征，使得接收到的信號(hào)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(hào)，還有一些長(zhǎng)距離，小缺陷下的回波信號(hào)也很難被 觀察到，因此，國(guó)內(nèi)外研宄學(xué)者越來(lái)越重視對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)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(hào)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(yīng)中可以有效的識(shí)別出弱信號(hào)，并且有效降低了信噪比門限，提高了檢 測(cè)靈敏度。因此，基于混沌系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)引起了研宄人員的重視。
[0004] 常用的混沌檢測(cè)系統(tǒng)主要有Lorenz系統(tǒng)和Duffing系統(tǒng)。有許多研宄學(xué)者基于 非共振參數(shù)激勵(lì)混沌抑制原理，利用受控Lorenz系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲背景下微弱諧和信號(hào)的 檢測(cè)。然而，近年來(lái)，基于Duffing振子的微弱周期信號(hào)檢測(cè)方法得到了深入研宄。最初是 由1992年美國(guó)Dayton大學(xué)的Donald. L. Birx博士開(kāi)展的，由于當(dāng)時(shí)有關(guān)基礎(chǔ)理論尚不完 善而缺乏深入理論研宄。隨后，研宄學(xué)者利用對(duì)非自治杜芬混沌系統(tǒng)的參數(shù)共振微擾來(lái)實(shí) 現(xiàn)檢測(cè)，并且開(kāi)展了基于混沌檢測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)特性、弱信號(hào)周期檢測(cè)、未知頻率檢測(cè)、 信號(hào)振幅估計(jì)等相關(guān)研宄，但大部分圍繞著周期和諧波信號(hào)?，F(xiàn)在也有越來(lái)越多的學(xué)者利 用杜芬混沌系統(tǒng)進(jìn)行弱超聲導(dǎo)波信號(hào)的識(shí)別。但大多集中在利用定性指標(biāo)相軌跡圖對(duì)導(dǎo)波 信號(hào)的識(shí)別，而進(jìn)一步對(duì)小缺陷管道定位顯得更為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)的缺陷，提供一種基于分?jǐn)?shù)維的管 道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，該方法可以對(duì)管道中的不同損傷程度的小缺陷進(jìn)行有 效定位，從而提高了超聲導(dǎo)波識(shí)別小缺陷的靈敏度、有效地延長(zhǎng)了檢測(cè)范圍。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：
[0007] 基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，包括以下步驟：
[0008] 1)波形發(fā)生器生成經(jīng)Hanning窗調(diào)制的信號(hào)，通過(guò)功率放大器放大，再作用于管 道一側(cè)端面的壓電環(huán)，激發(fā)經(jīng)Hanning窗調(diào)制的超聲導(dǎo)波信號(hào)，使超聲導(dǎo)波遍歷管道的所 有位置；
[0009] 2)通過(guò)設(shè)置在管道上的壓電片接收實(shí)測(cè)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字示波器記錄超聲導(dǎo)波在 管道中傳播的時(shí)程曲線，由數(shù)字示波器將記錄的信息傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0010] 3)設(shè)預(yù)先采集到的完好管道的入射波信號(hào)以及數(shù)值模擬的純?cè)肼曅盘?hào)為檢測(cè)信 號(hào)，根據(jù)該檢測(cè)信號(hào)的中心頻率、采樣頻率，以及杜芬方程特性，構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系 統(tǒng)；
[0011] 4)將預(yù)先采集到的完好管道的入射波信號(hào)以及數(shù)值模擬的純?cè)肼曅盘?hào)分別輸入 到杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)比較無(wú)信號(hào)輸入、入射波信號(hào)及純?cè)肼曅盘?hào)時(shí)，分?jǐn)?shù)維隨策 動(dòng)力幅值F的變化，確定可用于識(shí)別超聲導(dǎo)波信號(hào)的F值；
[0012] 5)定義移動(dòng)窗函數(shù)，選擇窗長(zhǎng)度2δ =50ys、窗口移動(dòng)速度τ =5ys，通過(guò)移動(dòng) 窗函數(shù)掃描實(shí)測(cè)信號(hào)，計(jì)算每一段信號(hào)的分?jǐn)?shù)維，若入射波和端面回波之間的分?jǐn)?shù)維等于 2,則管道完好；若入射波和端面回波之間的分?jǐn)?shù)維大于2,則管道有缺陷，進(jìn)入步驟6);
[0013] 6)利用分?jǐn)?shù)維的包絡(luò)線峰值確定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的時(shí)刻，根 據(jù)三者之間的時(shí)間比例關(guān)系，進(jìn)行管道缺陷定位；
[0014] 7)利用窗口移動(dòng)速度τ = 1 μ S對(duì)管道中的小缺陷進(jìn)行精確定位。
[0015] 作為一種實(shí)施方案，步驟1)所述經(jīng)Hanning窗調(diào)制的超聲導(dǎo)波信號(hào)表達(dá)式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)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(jīng)Hanning窗調(diào)制的信號(hào)，通過(guò)功率放大器放大，再作用于管道一 側(cè)端面的壓電環(huán)，激發(fā)經(jīng)Hanning窗調(diào)制的超聲導(dǎo)波信號(hào)，使超聲導(dǎo)波遍歷管道的所有位 置； 2) 通過(guò)設(shè)置在管道上的壓電片接收實(shí)測(cè)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字示波器記錄超聲導(dǎo)波在管道 中傳播的時(shí)程曲線，由數(shù)字示波器將記錄的信息傳輸給計(jì)算機(jī)； 3) 設(shè)預(yù)先采集到的完好管道的入射波信號(hào)W及數(shù)值模擬的純?cè)肼曅盘?hào)為檢測(cè)信號(hào)，根 據(jù)該檢測(cè)信號(hào)的中屯、頻率、采樣頻率，W及杜芬方程特性，構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)； 4) 將預(yù)先采集到的完好管道的入射波信號(hào)W及數(shù)值模擬的純?cè)肼曅盘?hào)分別輸入到杜 芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)比較無(wú)信號(hào)輸入、入射波信號(hào)及純?cè)肼曅盘?hào)時(shí)，分?jǐn)?shù)維隨策動(dòng)力 幅值F的變化，確定可用于識(shí)別超聲導(dǎo)波信號(hào)的F值； 5) 定義移動(dòng)窗函數(shù)，選擇窗長(zhǎng)度2 5 = 50ys、窗口移動(dòng)速度T=5ys，通過(guò)移動(dòng)窗函 數(shù)掃描實(shí)測(cè)信號(hào)，計(jì)算每一段信號(hào)的分?jǐn)?shù)維，若入射波和端面回波之間的分?jǐn)?shù)維等于2,則 管道完好；若入射波和端面回波之間的分?jǐn)?shù)維大于2,則管道有缺陷，進(jìn)入步驟6); 6) 利用分?jǐn)?shù)維的包絡(luò)線峰值確定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的時(shí)刻，根據(jù)= 者之間的時(shí)間比例關(guān)系，進(jìn)行管道缺陷定位； 7) 利用窗口移動(dòng)速度T=lys對(duì)管道中的小缺陷進(jìn)行精確定位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟1)所述經(jīng)Hanning窗調(diào)制的超聲導(dǎo)波信號(hào)表達(dá)式如下：
(1) 其中，n為選用的單音頻數(shù)目，Wt= 2 31f。，f。為實(shí)測(cè)信號(hào)的中屯、頻率，為70KHZ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟3)所述構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)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(fù)雜狀態(tài)，其表達(dá)式為：
(2) 其中，k為阻巧比，（-x3+x5)為非線性恢復(fù)力項(xiàng)；Fcosot為策動(dòng)力項(xiàng)，F(xiàn)是策動(dòng)力幅值， ?為策動(dòng)力角頻率； b) 設(shè)預(yù)先采集到的完好管道的入射波信號(hào)W及數(shù)值模擬的純?cè)肼曅盘?hào)為檢 測(cè)信號(hào)噸)，且其中屯、頻率為70KHZ，采樣頻率為50M次/秒，然后設(shè)定杜芬方程的 ? > 0. 439823rad/yS，積分步長(zhǎng)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)即構(gòu)造完成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟5)所述分?jǐn)?shù)維的定義具體如下： a)對(duì)于n維連續(xù)動(dòng)力系統(tǒng)X=F(x)，在t= 0時(shí)亥Ij，WX。為中心II5x(x。，0川為半 徑做一個(gè)n維的球面；隨著時(shí)間的演化，在t時(shí)刻該球面即變形為n維的楠球面，設(shè)該楠球 面的第i個(gè)坐標(biāo)軸方向的半軸長(zhǎng)為，則該系統(tǒng)第i個(gè)Lyapunov指數(shù)為：
(4) n維系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)n個(gè)Lyapunov指數(shù)值，只要存在一個(gè)Lyapunov指數(shù)大于0,就說(shuō)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(hào)檢測(cè)系統(tǒng)改寫為S維自治系統(tǒng)， 如下式：
利用式（4)分別計(jì)算出杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的S個(gè)Lyapunov指數(shù)A1、A2和 入3; b)根據(jù)上述將計(jì)算出的Lyapunov指數(shù)，得到了一種分?jǐn)?shù)維的定義，如下：
其中，滿足
再定義周期運(yùn)動(dòng)及準(zhǔn)周期運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)維為2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟5)所述移動(dòng)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(shí)域信號(hào)，表示截取信號(hào)，N表示信號(hào)長(zhǎng)度，2 5表示窗長(zhǎng)度， T表示窗口移動(dòng)速度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟6)所述進(jìn)行管道缺陷定位采用下式計(jì)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(zhǎng)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(shí)刻。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，其特征 在于；步驟7)所述利用窗口移動(dòng)速度T=lys對(duì)管道中的小缺陷進(jìn)行精確定位，具體如 下： 先利用分?jǐn)?shù)維峰值給出窗口移動(dòng)速度T=lys時(shí)，中間位置的回波時(shí)刻，再根據(jù)頻散 曲線計(jì)算出的傳播速度，結(jié)合下式對(duì)管道中的小缺陷進(jìn)行精確定位： 2d=ct (10) 其中，C為根據(jù)頻散曲線計(jì)算出的傳播速度，t表示接收到的波的時(shí)刻，d表示t時(shí)刻管 道位置離激發(fā)端的距離。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于分?jǐn)?shù)維的管道超聲導(dǎo)波小缺陷識(shí)別與定位方法，所述方法包括：通過(guò)波形發(fā)生器、功率放大器放大和壓電環(huán)，激發(fā)超聲導(dǎo)波信號(hào)，然后通過(guò)壓電片接收實(shí)測(cè)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字示波器記錄超聲導(dǎo)波在管道中傳播的時(shí)程曲線；構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；根據(jù)分?jǐn)?shù)維隨策動(dòng)力幅值F的變化，確定可用于識(shí)別超聲導(dǎo)波信號(hào)的F值；定義移動(dòng)窗函數(shù)，通過(guò)移動(dòng)窗函數(shù)掃描實(shí)測(cè)信號(hào)，計(jì)算每一段信號(hào)的分?jǐn)?shù)維，若分?jǐn)?shù)維等于2，則管道完好；若分?jǐn)?shù)維大于2，則管道有缺陷，利用分?jǐn)?shù)維的包絡(luò)線峰值和窗口移動(dòng)速度τ＝1μs進(jìn)行缺陷定位。本發(fā)明方法可以對(duì)管道中的不同損傷程度的小缺陷進(jìn)行有效定位，從而提高了超聲導(dǎo)波識(shí)別小缺陷的靈敏度、有效地延長(zhǎng)了檢測(cè)范圍。
【IPC分類】F17D5-06, G01N29-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104792865
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510145418
【發(fā)明人】馬宏偉, 武靜, 張偉偉, 楊飛
【申請(qǐng)人】暨南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月30日