[发明专利]基于杜芬系统三维相轨迹的管道缺陷识别及可视化方法

说明书

技术领域

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

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。

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究；二、超声导波的激发和接收装置研究；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究成果。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，国内外研究学者越来越重视对超声导波信号的分析和研究，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。

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Duffing振子的微弱周期信号检测方法得到了深入研究。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究。随后，研究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究，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究还鲜有报道。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

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。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

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：

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、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；

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；

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)；

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。