基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声导波检测技术，尤其是一种基于分数维的管道超声导波小缺 陷识别与定位方法，属于无损检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，管道广泛应用于各个行业，已经成为继铁路、公路、航空运输、水运之后的 第五大运输工具。然而，由于管道事故频发，对管道进行健康监测变得十分必要。近年来， 超声导波检测技术成为长距离管线检测新颖技术。与传统超声波检测技术相比，超声导波 沿着波导结构长度方向激发，其检测范围是"线"而非"点"，检测范围可达50~100米，已 经成为长距离管线检测的重要方法。
[0003] 目前，针对超声导波的检测技术有很多，主要可分为三大部分：一、超声导波在管 道结构中的传播特性研宄，如不同管道特征中及不同服役条件下的频散特性研宄、衰减特 性研宄、传播模态与模态转换研宄等；二、超声导波的激发和接收装置研宄，如压电效应，磁 致伸缩效应及基于脉冲激光式导波传感器设计与应用研宄等；三、信号分析与缺陷特征提 取，如小波变换，快速FFT，缺陷参数识别等。相关文献表明在上述三个方面已有丰富的研宄 成果。但在超声导波检测技术的工业应用中，仍存在一些问题。尤其是对于一些充液管道、 埋地管道等实际管道，进行激发，由于这些管道特征，使得接收到的信号即使是在较大缺陷 下也大多很难看到明显的缺陷回波信号，还有一些长距离，小缺陷下的回波信号也很难被 观察到，因此，国内外研宄学者越来越重视对超声导波信号的分析和研宄，并且发展了许多 有效地方法。混沌系统由于具有初值敏感性，若将弱信号作为混沌系统的初值输入到系统 中，从混沌系统的响应中可以有效的识别出弱信号，并且有效降低了信噪比门限，提高了检 测灵敏度。因此，基于混沌系统的微弱信号检测技术引起了研宄人员的重视。
[0004] 常用的混沌检测系统主要有Lorenz系统和Duffing系统。有许多研宄学者基于 非共振参数激励混沌抑制原理，利用受控Lorenz系统实现强噪声背景下微弱谐和信号的 检测。然而，近年来，基于Duffing振子的微弱周期信号检测方法得到了深入研宄。最初是 由1992年美国Dayton大学的Donald. L. Birx博士开展的，由于当时有关基础理论尚不完 善而缺乏深入理论研宄。随后，研宄学者利用对非自治杜芬混沌系统的参数共振微扰来实 现检测，并且开展了基于混沌检测技术的系统统计特性、弱信号周期检测、未知频率检测、 信号振幅估计等相关研宄，但大部分围绕着周期和谐波信号。现在也有越来越多的学者利 用杜芬混沌系统进行弱超声导波信号的识别。但大多集中在利用定性指标相轨迹图对导波 信号的识别，而进一步对小缺陷管道定位显得更为迫切。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决传统超声波检测技术的缺陷，提供一种基于分数维的管 道超声导波小缺陷识别与定位方法，该方法可以对管道中的不同损伤程度的小缺陷进行有 效定位，从而提高了超声导波识别小缺陷的灵敏度、有效地延长了检测范围。
[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0007] 基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，包括以下步骤：
[0008] 1)波形发生器生成经Hanning窗调制的信号，通过功率放大器放大，再作用于管 道一侧端面的压电环，激发经Hanning窗调制的超声导波信号，使超声导波遍历管道的所 有位置；
[0009] 2)通过设置在管道上的压电片接收实测信号，并通过数字示波器记录超声导波在 管道中传播的时程曲线，由数字示波器将记录的信息传输给计算机；
[0010] 3)设预先采集到的完好管道的入射波信号以及数值模拟的纯噪声信号为检测信 号，根据该检测信号的中心频率、采样频率，以及杜芬方程特性，构造杜芬振子信号检测系 统；
[0011] 4)将预先采集到的完好管道的入射波信号以及数值模拟的纯噪声信号分别输入 到杜芬振子信号检测系统，通过比较无信号输入、入射波信号及纯噪声信号时，分数维随策 动力幅值F的变化，确定可用于识别超声导波信号的F值；
[0012] 5)定义移动窗函数，选择窗长度2δ =50ys、窗口移动速度τ =5ys，通过移动 窗函数扫描实测信号，计算每一段信号的分数维，若入射波和端面回波之间的分数维等于 2,则管道完好；若入射波和端面回波之间的分数维大于2,则管道有缺陷，进入步骤6);
[0013] 6)利用分数维的包络线峰值确定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的时刻，根 据三者之间的时间比例关系，进行管道缺陷定位；
[0014] 7)利用窗口移动速度τ = 1 μ S对管道中的小缺陷进行精确定位。
[0015] 作为一种实施方案，步骤1)所述经Hanning窗调制的超声导波信号表达式如下：
【主权项】
1. 基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征在于包括w下步骤： 1) 波形发生器生成经Hanning窗调制的信号，通过功率放大器放大，再作用于管道一 侧端面的压电环，激发经Hanning窗调制的超声导波信号，使超声导波遍历管道的所有位 置； 2) 通过设置在管道上的压电片接收实测信号，并通过数字示波器记录超声导波在管道 中传播的时程曲线，由数字示波器将记录的信息传输给计算机； 3) 设预先采集到的完好管道的入射波信号W及数值模拟的纯噪声信号为检测信号，根 据该检测信号的中屯、频率、采样频率，W及杜芬方程特性，构造杜芬振子信号检测系统； 4) 将预先采集到的完好管道的入射波信号W及数值模拟的纯噪声信号分别输入到杜 芬振子信号检测系统，通过比较无信号输入、入射波信号及纯噪声信号时，分数维随策动力 幅值F的变化，确定可用于识别超声导波信号的F值； 5) 定义移动窗函数，选择窗长度2 5 = 50ys、窗口移动速度T=5ys，通过移动窗函 数扫描实测信号，计算每一段信号的分数维，若入射波和端面回波之间的分数维等于2,则 管道完好；若入射波和端面回波之间的分数维大于2,则管道有缺陷，进入步骤6); 6) 利用分数维的包络线峰值确定入射波、端面回波及缺陷回波接收到的时刻，根据= 者之间的时间比例关系，进行管道缺陷定位； 7) 利用窗口移动速度T=lys对管道中的小缺陷进行精确定位。
2. 根据权利要求1所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤1)所述经Hanning窗调制的超声导波信号表达式如下：
(1) 其中，n为选用的单音频数目，Wt= 2 31f。，f。为实测信号的中屯、频率，为70KHZ。
3. 根据权利要求1所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤3)所述构造杜芬振子信号检测系统，具体如下： a) 选取杜芬方程，它包括振荡、分岔、混浊的复杂状态，其表达式为：
(2) 其中，k为阻巧比，（-x3+x5)为非线性恢复力项；Fcosot为策动力项，F是策动力幅值， ?为策动力角频率； b) 设预先采集到的完好管道的入射波信号W及数值模拟的纯噪声信号为检 测信号吨)，且其中屯、频率为70KHZ，采样频率为50M次/秒，然后设定杜芬方程的 ? > 0. 439823rad/yS，积分步长h= 0. 02yS，阻巧比k= 0. 5,将？(0输入系统（1)后得：
(3) 杜芬振子信号检测系统即构造完成。
4. 根据权利要求3所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤5)所述分数维的定义具体如下： a)对于n维连续动力系统X=F(x)，在t= 0时亥Ij，WX。为中心II5x(x。，0川为半 径做一个n维的球面；随着时间的演化，在t时刻该球面即变形为n维的楠球面，设该楠球 面的第i个坐标轴方向的半轴长为，则该系统第i个Lyapunov指数为：
(4) n维系统，对应n个Lyapunov指数值，只要存在一个Lyapunov指数大于0,就说明系统 处于混浊状态，将式（3)表示的二维非自治杜芬振子信号检测系统改写为S维自治系统， 如下式：
利用式（4)分别计算出杜芬振子信号检测系统对应的S个Lyapunov指数A1、A2和 入3; b)根据上述将计算出的Lyapunov指数，得到了一种分数维的定义，如下：
其中，满足
再定义周期运动及准周期运动对应的分数维为2。
5. 根据权利要求1所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤5)所述移动窗函数的定义如下： S*=g(t-nT)S (7)
其中，S表示记录下的全时域信号，表示截取信号，N表示信号长度，2 5表示窗长度， T表示窗口移动速度。
6. 根据权利要求1所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤6)所述进行管道缺陷定位采用下式计算：
C9) 其中，屯表示管中缺陷离激发端的距离，d表示管道长度，ti、t2和t3分别表示入射波、 缺陷回波和端面回波接收到的时刻。
7. 根据权利要求1所述的基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，其特征 在于；步骤7)所述利用窗口移动速度T=lys对管道中的小缺陷进行精确定位，具体如 下： 先利用分数维峰值给出窗口移动速度T=lys时，中间位置的回波时刻，再根据频散 曲线计算出的传播速度，结合下式对管道中的小缺陷进行精确定位： 2d=ct (10) 其中，C为根据频散曲线计算出的传播速度，t表示接收到的波的时刻，d表示t时刻管 道位置离激发端的距离。
【专利摘要】本发明公开了一种基于分数维的管道超声导波小缺陷识别与定位方法，所述方法包括：通过波形发生器、功率放大器放大和压电环，激发超声导波信号，然后通过压电片接收实测信号，并通过数字示波器记录超声导波在管道中传播的时程曲线；构造杜芬振子信号检测系统；根据分数维随策动力幅值F的变化，确定可用于识别超声导波信号的F值；定义移动窗函数，通过移动窗函数扫描实测信号，计算每一段信号的分数维，若分数维等于2，则管道完好；若分数维大于2，则管道有缺陷，利用分数维的包络线峰值和窗口移动速度τ＝1μs进行缺陷定位。本发明方法可以对管道中的不同损伤程度的小缺陷进行有效定位，从而提高了超声导波识别小缺陷的灵敏度、有效地延长了检测范围。
【IPC分类】F17D5-06, G01N29-04
【公开号】CN104792865
【申请号】CN201510145418
【发明人】马宏伟, 武静, 张伟伟, 杨飞
【申请人】暨南大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年3月30日