基于杜芬系统三维相轨迹的管道缺陷识别及可视化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声导波检测技术，尤其是一种基于杜芬系统三维相轨迹的管道 缺陷识别及可视化方法，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，由于管道在其服役期间不可避免的会受到人为破坏及腐蚀、高温、 架设（或埋地）地区环境等因素的影响，使得管道事故频发，造成严重的后果。因此，对管 道进行健康监测变得十分必要。超声导波检测技术是近年来发展的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；二、超声导波的激发和接收装置研宄；三、信号分析与缺陷特征 提取等。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。尤其是长距离，小缺陷下的回波信号很难被观察到。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。利 用混沌系统检测弱信号是近年来发展起来的一种新的方法，该方法是基于混沌系统的初值 敏感性及对噪声的强免疫能力。其原理为：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。
[0004] 常用的混沌检测系统主要有Lorenz系统和Duffing系统。由于杜芬系统具有正 弦激励项，对于周期信号非常敏感，因此，基于DufTing振子的微弱周期信号检测方法得到 了深入研宄。该方法最初是由1992年美国Dayton大学的Donald. L. Birx博士开展的，但 是缺乏深入理论研宄。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。但大多集中在利用二维相轨迹图对导波信号的 识别。对二维相轨迹图进行判断，存在很多误区及不足。容易造成误判。并且对缺陷管道 的定位研宄还鲜有报道。此外，超声导波检测数据的解释需要由训练有素、特别是对复杂几 何形状的管道系统有丰富经验的技术人员来进行，不适于技术大幅度推广。
【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，提供一种基于杜芬系统三 维相轨迹的管道缺陷识别及可视化方法，该方法不仅可以对管道中的不同损伤程度的缺陷 进行有效定位，从而提高超声导波识别小缺陷的灵敏度、有效地延长了检测范围，而且通过 开发MATLAB可视化系统，使得非专业人员也可以实现简洁、直观、形象的识别及定位缺陷 管道，具有一定的实用性和推广意义。
[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0007] 基于杜芬系统三维相轨迹的管道缺陷识别及可视化方法，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、端面回波信号以及数值模拟的超声导 波信号、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、端面回波信号以及数值模拟的超声 导波信号、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、端面回波信号、超声导波信号及纯噪声信号时，最大Lyapunov指数随策动力幅值F的变 化，确定可用于识别超声导波信号的F值；
[0012] 5)将接收到的实测信号的中间部分信号输入确定F值的杜芬振子信号检测系统， 分析该中间部分信号对三维相轨迹图的影响，若三维相轨迹图无明显变化，即系统仍处于 大周期状态时，则管道完好；若三维相轨迹图发生明显变化，即系统从大周期状态变为混沌 状态时，则管道有缺陷，进入步骤6);
[0013] 6)根据开发的MATLAB可视化系统，通过杜芬振子信号检测系统的相轨迹图、三维 相轨迹图及Lyapunov指数完成管道缺陷的可视化识别，并利用Lyapunov指数进行管道缺 陷的定位。
[0014] 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：
[0015] 5(〇 = [-(I- cos-)].sin(wci) (1) 2 η
[0016] 其中，η为选用的单音频数目，w。= 2 π f。，f。为信号的中心频率，为70ΚΗζ。
[0017] 作为一种实施方案，步骤3)所述构造杜芬振子信号检测系统，具体如下：
[0018] a)选取杜芬方程，它包括振荡、分岔、混沌的复杂状态，其表达式为：
[0019] Jc+fee-X3 +X5 = Fco^cot (2)
[0020] 其中，k为阻尼比，（_x3+x5)为非线性恢复力项；Fcos ω t为策动力项，F是策动力 幅值，ω为策动力角频率；
[0021] b)设预先采集到的完好管道的入射波信号、端面回波信号以及数值模拟的超声导 波信号、纯噪声信号为检测信号，且其中心频率为70KHZ，采样频率为50M次/秒，然后 设定杜芬方程的ω ~ 〇. 439823rad/ μ s，积分步长h = 0. 02 μ s，阻尼