利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的超声导波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及管道损伤检测技术领域，特别是涉及一种利用三次范德玻尔混沌系统 识别管道裂纹的超声导波方法。
【背景技术】
[0002] 管道运输被誉为继铁路、公路、航空、海运之后的第五大运输工具，是城市生命线 工程的重要组成部分，然而由于腐蚀、埋设(或架设)地区环境以及人为破坏等因素对管道 的安全服役形成了潜在威胁，因此有必要对管道的损伤状况进行检测识别。
[0003]为防止管道恶性事故的发生，我国每年用于油气管道维修方面的费用高达数亿 元，且呈逐年增加趋势。然而，由于受检测手段的限制，管道损伤状况不明，往往造成盲目开 挖、盲目报废，维修缺乏科学性，造成人力、物力的巨大浪费。
[0004]低频应力波在有界结构中的传播被称为超声导波，上世纪末，超声导波被成功用 于埋地管道及其它不易直接测量结构的无损检测与评估中。超声导波检测可利用回波信号 来分析，即当导波在传播过程中遇到管道缺陷，会有部分导波发生反射，通过分析回波信号 特征，可判断出在距离测试点多远的位置可能存在缺陷。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"，其检测范围可达50~100m。 由于应力波属于体波传播，因此它可以实现对结构表面和内部的全面检测，且具有检测速 度快，检测范围广且无需去除覆盖层等优势。
[0005]随着社会的发展，需要对管道中的微裂纹进行预先检测以及时更换管道，预防不 良事件发生。然而，现有技术中对微小裂纹的检测效果有限。
[0006] 因此，针对现有技术不足，提供一种利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的 超声导波方法以克服现有技术不足甚为必要。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种利用三次范德玻尔混沌 系统识别管道裂纹的超声导波方法，该方法能够快速准确判断管道中裂纹缺陷及裂纹缺陷 的位置。
[0008] 本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
[0009] 提供一种利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的超声导波方法，其特征在 于，包括如下步骤：
[0010] (1)在管道一侧端面激发超声导波信号，使得超声导波信号遍历管道的所有位置；
[0011] (2)在离激发位置6-13毫米处利用传感器接收回波信号，所接收的回波信号中包 含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的裂纹回波信号；
[0012] (3)将回波信号输入预先建立的三次范德波尔混沌检测系统，判断裂纹情况。
[0013]优选的，建立三次范德波尔混沌检测系统，具体包括：
[0014] A.选取范德玻尔混沌检测系统+知)](l -x:)i +呌:.v + ().2V二Fcos敁，其中 C为阻尼系数，?(/)为待检测信号，t为时间；i是X的一阶偏导数，f是X的二阶偏导数，X、 i、i分别代表相应的位移、速度以及加速度，F是策动力，ω是策动力频率，ω〇是系统的固 有频率；
[0015] Β.选取位移X和速度Pi,并引入时间增量z = t，改写范德玻尔混沌检测系统，即 将二维非自治系统改写为三维自治系统，得到：
[0016]
[0017]其中，#是速度v的一阶偏导数，念是Z的一阶偏导数；
[0018]所述范德波尔混沌检测系统采用GSR法求解Lyapunov指数，选择范德波尔混沌检 测系统的最大Lyapunov指数Li来进行系统的状态判定；
[0019] 所述范德波尔混沌检测系统选取临界阻尼c为1.68进行导波检测。
[0020] 优选的，频率ω为〇 · 439823，参数ω 〇为1，策动力F为1 · 3。
[0021] 上述步骤（3)是通过移动的矩形窗函数扫描待检测信号，计算每段检测信号的 Lyapunov指数，通过对全体时域信号计算完毕后查看输出的Lyapunov指数与时间曲线来确 定裂纹缺陷及位置。
[0022] 上述步骤(3)中，矩形窗函数进行的定位解析，具体包括：
[0023] (3-1).定义一个矩形窗函数，矩形窗函数对应的采样信号为Sw，矩形窗函数g(t_ τ)为： iV-：0.5￡
[0024] g(t_T) = 1，t Ε (ητ-〇 · 5Lw，nT+〇 · 5LW)，" = i'2、3 -:--; τ
[0025] 其中Lw为矩形窗函数的窗长，τ代表矩形窗函数的移动速度，N代表全时域信号的 长度；
[0026] (3-2).计算采样点的循环次数m，函数式为其中匕为范德玻尔混沌检测系 统的信号长度；
[0027] (3-3).定义输入范德波尔检测系统的检测信号为Sd，函数为Sd = Sw · A，A为1行m列 的单位矩阵，A=(l，l~l)m;W函数式可知，Sd为循环了 m次的Sw信号；
[0028] 定义Lyapunov指数Li，Li = (li，12, "·1θ)Τ，其中11、12、'"1(3为通过范德波尔混纯检 测系统求解的le个Lyapunov指数值，le为Lyapunov指数Li最后收敛的数值；
[0029]定义 Lyapunov 指数输出 L?t，L?t = (le，le，...le)T;
[0030] (3-4).计算每段检测信号的Lyapunov指数，通过对全时域信号进行检测计算，获 得全体时域信号的Lyapunov指数与时间曲线。
[0031] 优选的，上述步骤(3-1)中，窗长Lw为2000，窗□移动速度τ为200;或者 [0032] 窗长Lw为2500,窗口移动速度τ为150。
[0033]优选的，上述步骤(3-2)中，范德玻尔系统的信号长度Ls为60000。
[0034]优选的，上述步骤(2)具体是在离激发位置10毫米处利用传感器接收回波信号。
[0035]本发明的利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的超声导波方法，利用超声导 波技术对管道中的裂纹进行检测，并利用范德玻尔混沌系统对检测信号进行分析，适合于 长管线的微小裂纹损伤检测，利用该方法可以快速准确识别管道中的微小裂纹及位置信 息，具有实际的工程应用价值。
【附图说明】
[0036]利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限 制。
[0037]图1是本发明利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的超声导波方法流程图； [0038]图2阻尼系数c与三次范德玻尔混纯系统Lyapunov指数的关系图；
[0039]图3是噪声水平变化对应三次范德玻尔混沌系统Lyapunov指数变化的关系图；图3 (a)是在σ = 〇. 〇1时噪声水平变化对应三次范德玻尔混沌系统Lyapunov指数变化的关系图， 图3 (b)是在σ = 〇. 1时噪声水平变化对应三次范德玻尔混沌系统Lyapunov指数变化的关系 图，图3(c)是在〇 = 0.5时噪声水平变化对应三次范德玻尔混沌系统Lyapunov指数变化的关 系图，图3(d)是在〇 = 0.7时噪声水平变化对应三次范德玻尔混沌系统Lyapunov指数变化的 关系图。
[0040]图4是本发明实施例2管道激发超声导波原理图；
[0041 ]图5是本发明实施例2所施加的位移时间载荷曲线；
[0042] 图6是本发明实施例2获得的含裂纹缺陷管道的检测信号；
[0043] 图7是对图6中含裂纹管道的检测信号中的部分选择信号在范德玻尔混沌系统定 位示意图。
【具体实施方式】
[0044]结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0045] 实施例1。
[0046] -种利用三次范德玻尔混沌系统识别管道裂纹的超声导波方法，如图1所示，包括 如下步骤：
[0047] (1)在管道一侧端面激发超声导波信号，使得超声导波信号遍历管道的所有位置；
[0048] (2)在离激发位置5-12毫米处利用传感器接收回波信号，所接收的回波信号中包 含端面回波信号、噪声信号和淹没在噪声中的裂纹回波信号；
[0049] (3)将回波信号输入预先建立的三次范德波尔混沌检测系统，判断裂纹情况。
[0050] 其中，建立范德波尔混沌检测系统，具体包括：
[0051] A.选取范德玻尔混纯检测系统无-[c' + S'(0](l-·?2:)?+.<%2