基于杜芬系統三維相軌跡的管道缺陷識別及可視化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超聲導波檢測技術，尤其是一種基于杜芬系統三維相軌跡的管道 缺陷識別及可視化方法，屬于無損檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，管道廣泛應用于各個行業，已經成為繼鐵路、公路、航空運輸、水運之后的 第五大運輸工具。然而，由于管道在其服役期間不可避免的會受到人為破壞及腐蝕、高溫、 架設（或埋地）地區環境等因素的影響，使得管道事故頻發，造成嚴重的后果。因此，對管 道進行健康監測變得十分必要。超聲導波檢測技術是近年來發展的長距離管線檢測新穎技 術。與傳統超聲波檢測技術相比，超聲導波沿著波導結構長度方向激發，其檢測范圍是"線" 而非"點"，檢測范圍可達50~100米，已經成為長距離管線檢測的重要方法。
[0003] 目前，針對超聲導波的檢測技術有很多，主要可分為三大部分：一、超聲導波在管 道結構中的傳播特性研宄；二、超聲導波的激發和接收裝置研宄；三、信號分析與缺陷特征 提取等。相關文獻表明在上述三個方面已有豐富的研宄成果。但在超聲導波檢測技術的工 業應用中，仍存在一些問題。尤其是長距離，小缺陷下的回波信號很難被觀察到。因此，國 內外研宄學者越來越重視對超聲導波信號的分析和研宄，并且發展了許多有效地方法。利 用混沌系統檢測弱信號是近年來發展起來的一種新的方法，該方法是基于混沌系統的初值 敏感性及對噪聲的強免疫能力。其原理為：若將弱信號作為混沌系統的初值輸入到系統中， 從混沌系統的響應中可以有效的識別出弱信號，并且有效降低了信噪比門限，提高了檢測 靈敏度。
[0004] 常用的混沌檢測系統主要有Lorenz系統和Duffing系統。由于杜芬系統具有正 弦激勵項，對于周期信號非常敏感，因此，基于DufTing振子的微弱周期信號檢測方法得到 了深入研宄。該方法最初是由1992年美國Dayton大學的Donald. L. Birx博士開展的，但 是缺乏深入理論研宄。隨后，研宄學者利用對非自治杜芬混沌系統的參數共振微擾來實現 檢測，并且開展了基于混沌檢測技術的系統統計特性、弱信號周期檢測、未知頻率檢測、信 號振幅估計等相關研宄，但大部分圍繞著周期和諧波信號。現在也有越來越多的學者利用 杜芬混沌系統進行弱超聲導波信號的識別。但大多集中在利用二維相軌跡圖對導波信號的 識別。對二維相軌跡圖進行判斷，存在很多誤區及不足。容易造成誤判。并且對缺陷管道 的定位研宄還鮮有報道。此外，超聲導波檢測數據的解釋需要由訓練有素、特別是對復雜幾 何形狀的管道系統有豐富經驗的技術人員來進行，不適于技術大幅度推廣。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決傳統超聲波檢測技術的缺陷，提供一種基于杜芬系統三 維相軌跡的管道缺陷識別及可視化方法，該方法不僅可以對管道中的不同損傷程度的缺陷 進行有效定位，從而提高超聲導波識別小缺陷的靈敏度、有效地延長了檢測范圍，而且通過 開發MATLAB可視化系統，使得非專業人員也可以實現簡潔、直觀、形象的識別及定位缺陷 管道，具有一定的實用性和推廣意義。
[0006] 本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：
[0007] 基于杜芬系統三維相軌跡的管道缺陷識別及可視化方法，包括以下步驟：
[0008] 1)波形發生器生成經Hanning窗調制的信號，通過功率放大器放大，再作用于管 道一側端面的壓電環，激發經Hanning窗調制的超聲導波信號，使超聲導波遍歷管道的所 有位置；
[0009] 2)通過設置在管道上的壓電片接收實測信號，并通過數字示波器記錄超聲導波在 管道中傳播的時程曲線，由數字示波器將記錄的信息傳輸給計算機；
[0010] 3)設預先采集到的完好管道的入射波信號、端面回波信號以及數值模擬的超聲導 波信號、純噪聲信號為檢測信號，根據該檢測信號的中心頻率、采樣頻率，以及杜芬方程特 性，構造杜芬振子信號檢測系統；
[0011] 4)將預先采集到的完好管道的入射波信號、端面回波信號以及數值模擬的超聲 導波信號、純噪聲信號分別輸入到杜芬振子信號檢測系統，通過比較無信號輸入、入射波信 號、端面回波信號、超聲導波信號及純噪聲信號時，最大Lyapunov指數隨策動力幅值F的變 化，確定可用于識別超聲導波信號的F值；
[0012] 5)將接收到的實測信號的中間部分信號輸入確定F值的杜芬振子信號檢測系統， 分析該中間部分信號對三維相軌跡圖的影響，若三維相軌跡圖無明顯變化，即系統仍處于 大周期狀態時，則管道完好；若三維相軌跡圖發生明顯變化，即系統從大周期狀態變為混沌 狀態時，則管道有缺陷，進入步驟6);
[0013] 6)根據開發的MATLAB可視化系統，通過杜芬振子信號檢測系統的相軌跡圖、三維 相軌跡圖及Lyapunov指數完成管道缺陷的可視化識別，并利用Lyapunov指數進行管道缺 陷的定位。
[0014] 作為一種實施方案，步驟1)所述經Hanning窗調制的超聲導波信號表達式如下：
[0015] 5(〇 = [-(I- cos-)].sin(wci) (1) 2 η
[0016] 其中，η為選用的單音頻數目，w。= 2 π f。，f。為信號的中心頻率，為70ΚΗζ。
[0017] 作為一種實施方案，步驟3)所述構造杜芬振子信號檢測系統，具體如下：
[0018] a)選取杜芬方程，它包括振蕩、分岔、混沌的復雜狀態，其表達式為：
[0019] Jc+fee-X3 +X5 = Fco^cot (2)
[0020] 其中，k為阻尼比，（_x3+x5)為非線性恢復力項；Fcos ω t為策動力項，F是策動力 幅值，ω為策動力角頻率；
[0021] b)設預先采集到的完好管道的入射波信號、端面回波信號以及數值模擬的超聲導 波信號、純噪聲信號為檢測信號，且其中心頻率為70KHZ，采樣頻率為50M次/秒，然后 設定杜芬方程的ω ~ 〇. 439823rad/ μ s，積分步長h = 0. 02 μ s，阻尼