一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法及系统

本发明属于管道损伤定位领域，尤其涉及一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、管道作为流体运输的重要工具，广泛应用于石油、天然气等方面的运输。但在实际应用中，管道可能面临恶劣环境及人为破坏的情况，且经过长期服役，管道会出现裂纹、穿孔、腐蚀、变形等问题。损伤的出现会降低管道的刚度等性能，严重会造成管道泄漏等现象，从而影响管道服役时间。管道泄漏的早期检测具有重要意义，正在成为结构健康监测技术的重要应用领域。

3、基于压电陶瓷激励的超声导波可以沿着圆柱管道传播，并且由于其传播距离长、灵敏度高、全覆盖等特点，被广泛应用于管道损伤检测中。超声导波成像技术可以完成短距离范围内管段的精确检测，而且超声导波成像技术中的概率成像法在板状结构损伤定位成像中应用广泛，在管道损伤定位中也有一定的应用，但是由于管道传感器阵列的特殊性，相较于板状结构，管道结构会缺少一些垂直于传感阵列方向的路径，因此使用传统的概率成像法会有较大的局限性。而且传统的概率成像方法会因为周向传感路径的缺少而导致在定位过程中除监测区域中心位置外存在较大的误差。虽然，现有技术通过引入飞行时间参数对概率成像法进行改进，但是，由于管道结构的对称性，单纯使用飞行时间进行定位会存在伪像，从而影响管道中损伤的定位精度。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法及系统，其具有灵敏度高，定位精度高，鲁棒性好的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法。

4、在一个或多个实施例中，一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法，其包括：

5、获取无损和损伤状态下的超声导波响应信号，即得到健康信号和损伤信号；

6、根据管道平面及速度匹配波包，选择健康信号和损伤信号的有效信号段，进而筛选出有效路径；其中，管道平面包括由管道沿轴向展开的实际平面及向两侧各扩展的半个管道虚拟平面构成；

7、根据各个有效路径的健康信号与损伤信号的相关性，构建椭圆路径概率分布函数；根据信号在各个有效路径上的飞行时间，构建环形路径概率分布函数；

8、根据椭圆路径概率分布函数与环形路径概率分布函数的乘积，计算管道平面上的损伤分布概率，再将虚拟平面与实际平面的损伤分布概率在相同位置点进行叠加，最终确定出管道损伤分布。

9、作为一种实施方式，在获取无损和损伤状态下的超声导波响应信号之前，还包括：

10、根据管道结构中导波传播方式及频散特性的数值仿真数据，确定传感器网络和激励频率。

11、作为一种实施方式，在确定传感器网络和激励频率的过程中，当响应信号中两个波包的两个峰值间信号的预设时间条件及幅值条件时，求取当前对应的激励频率与传感器阵列距离。

12、作为一种实施方式，在选择健康信号和损伤信号的有效信号段的过程中，根据传感路径长度与所选模态的波的群速度决定有效信号的长度。

13、作为一种实施方式，筛选有效路径的过程为：

14、将各个传感路径上的损伤信号与健康信号相减，求得对应散射信号；

15、将各个传感路径上的散射信号的能量与健康信号的能量作比值，得到各个传感路径的能量损伤因子；

16、根据各个传感路径的损伤因子与预设损失因子阈值比较，筛选出有效路径。

17、本发明的第二个方面提供一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位系统。

18、在一个或多个实施例中，一种基于超声导波多特征融合的管道损伤定位系统，其包括：

19、响应信号获取模块，其用于获取无损和损伤状态下的超声导波响应信号，即得到健康信号和损伤信号；

20、有效路径筛选模块，其用于根据管道平面及速度匹配波包，选择健康信号和损伤信号的有效信号段，进而筛选出有效路径；其中，管道平面包由管道沿轴向展开的实际平面及向两侧各扩展的半个管道虚拟平面构成；

21、分布函数构建模块，其用于根据各个有效路径的健康信号与损伤信号的相关性，构建椭圆路径概率分布函数；根据信号在各个有效路径上的飞行时间，构建环形路径概率分布函数；

22、损伤分布确定模块，其用于根据椭圆路径概率分布函数与环形路径概率分布函数的乘积，计算管道平面上的损伤分布概率，再将虚拟平面与实际平面的损伤分布概率在相同位置点进行叠加，最终确定出管道损伤分布。

23、作为一种实施方式，在所述响应信号获取模块中，在获取无损和损伤状态下的超声导波响应信号之前，还包括：

24、根据管道结构中导波传播方式及频散特性的数值仿真数据，确定传感器网络和激励频率。

25、作为一种实施方式，在所述有效路径筛选模块中，在选择健康信号和损伤信号的有效信号段的过程中，根据传感路径长度与所选模态的波的群速度决定有效信号的长度。

26、作为一种实施方式，在所述有效路径筛选模块中，筛选有效路径的过程为：

27、将各个传感路径上的损伤信号与健康信号相减，求得对应散射信号；

28、将各个传感路径上的散射信号的能量与健康信号的能量作比值，得到各个传感路径的损伤因子；

29、根据各个传感路径的损伤因子与预设损失因子阈值比较，筛选出有效路径。

30、本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。

31、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法中的步骤。

32、本发明的第四个方面提供一种电子设备。

33、一种管道损伤定位设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于超声导波多特征融合的管道损伤定位方法中的步骤。

34、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

35、(1)本发明将飞行时间引入传统的概率分布定义中，构建以时间变化为特征的环形损伤概率分布，结合以相关系数为特征构建的椭圆概率分布，将两种不同形状的概率分布进行相乘运算以构造新的概率分布,既解决了传统概率成像方法对边缘损伤定位误差较大的问题，也解决了基于tof方法的对称性问题，同时将散射能量作为权值参数引入了概率求解，从而可以使结果更加聚焦，有效实现弱化损伤不相关位置的伪像影响、抑制先验知识与计算误差的目的，提高管道结构的损伤检测精度及鲁棒性，大大提升了该方法的工程应用能力。

36、(2)由于在定位算法中仅使用接收传感器接收到的直达波包，本发明将管道进行平面展开后，沿管道展开方向左右各扩展半个平面，左右虚拟平面大小为实际展开平面的二分之一，这样既可以在平面中将所有的直达路径都表示出来，又可以不增添多余的路径，达到减少计算量的目的。同时，直达波包的使用大大降低了信号特征提取的难度，保证了特征提取的准确性。

37、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。