基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的方法，包括：基于杜芬方程構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并計(jì)算隨策動(dòng)力F變化的李雅普諾夫指數(shù)；在檢測(cè)物上通過發(fā)射器激勵(lì)超聲導(dǎo)波信號(hào)，使超聲導(dǎo)波信號(hào)遍歷檢測(cè)物的所有位置，通過接收器得到實(shí)測(cè)信號(hào)；構(gòu)造窗函數(shù)，從所述實(shí)測(cè)信號(hào)中截取不同窗長度對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，將各個(gè)截取信號(hào)輸入杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并分別計(jì)算輸入截取信號(hào)后隨策動(dòng)力F變化的李雅普諾夫指數(shù)；確定李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，移動(dòng)窗函數(shù)對(duì)其進(jìn)行掃描，從而對(duì)檢測(cè)物上的缺陷進(jìn)行定位。本發(fā)明可以對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)不同損傷程度的缺陷進(jìn)行定位，提高超聲導(dǎo)波識(shí)別小缺陷的靈敏度。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲導(dǎo)波檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo) 波定位缺陷的方法。 基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的方法

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來管道運(yùn)輸廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)綜合運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分之 一，也是衡量一個(gè)國家的能源與運(yùn)輸業(yè)是否發(fā)達(dá)的主要標(biāo)志。然而，由于環(huán)境影響以及人為 破壞等因素造成的管道事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的國家經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，對(duì)管道進(jìn)行 健康檢測(cè)十分必要。利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法已經(jīng)成為長距離管線檢測(cè)的重要方法，與傳統(tǒng) 超聲波無損檢測(cè)相比，超聲導(dǎo)波具有檢測(cè)速度快，檢測(cè)范圍廣且無需去除覆蓋層等優(yōu)勢(shì)。目 前，檢測(cè)精度和檢測(cè)距離以及缺陷參數(shù)識(shí)別問題已成為超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)問題。
[0003] 為了提高超聲導(dǎo)波的檢測(cè)靈敏度，國內(nèi)外學(xué)者主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：一、 超聲波在管道結(jié)構(gòu)中的傳播特性研究；二、超聲導(dǎo)波的激發(fā)和接收裝置研究；三、信號(hào)分析 與缺陷特征提取。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者越來越重視對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)的分析和研究，并且發(fā) 展了許多有效地方法。但這些方法大多是從信號(hào)本身的特性以及信噪比等基礎(chǔ)上研究，大 多采用降噪以及提高信噪比的方法，具有一定的難度。尋找新的弱信號(hào)檢測(cè)方法成為亟待 解決的一大熱點(diǎn)問題。而混沌系統(tǒng)由于具有初值敏感性，同時(shí)對(duì)噪聲信號(hào)有一定的免疫能 力，成為強(qiáng)噪聲下弱信號(hào)檢測(cè)的新領(lǐng)域。然而，利用混沌系統(tǒng)的弱信號(hào)檢測(cè)多以檢測(cè)正弦、 余弦信號(hào)為主；對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)的識(shí)別是近年來的新應(yīng)用，仍處于理論探索階段，對(duì)業(yè)內(nèi)工 作人員來說，主要難點(diǎn)在于靈敏檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定以及缺陷參數(shù)識(shí)別。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的 方法，以對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)不同損傷程度的缺陷進(jìn)行定位，提高超聲導(dǎo)波識(shí)別 小缺陷的靈敏度。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的方法，包括以下步 驟：
[0006] S1、基于杜芬方程構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并計(jì)算隨策動(dòng)力F變化的李雅普 諾夫指數(shù)；
[0007] S2、在檢測(cè)物上通過發(fā)射器激勵(lì)超聲導(dǎo)波信號(hào)，使超聲導(dǎo)波信號(hào)遍歷檢測(cè)物的所 有位置，再通過接收器得到實(shí)測(cè)信號(hào)；
[0008] S3、構(gòu)造窗函數(shù)，從所述實(shí)測(cè)信號(hào)中截取不同窗長度對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，將所述各個(gè) 截取信號(hào)輸入杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并分別計(jì)算輸入截取信號(hào)后隨策動(dòng)力F變化的李雅 普諾夫指數(shù)；
[0009] S4、確定李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，移動(dòng)所述窗函 數(shù)對(duì)其進(jìn)行掃描，從而對(duì)檢測(cè)物上的缺陷進(jìn)行定位。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟si中基于杜芬方程構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括：
[0011] S11、選取杜芬方程，并設(shè)有檢測(cè)信號(hào)，其公式如下：
[0012] X + kx - .r5 +- = P COS (Ot + J{t) (1)
[0013] 其中，k為阻尼比，ω為策動(dòng)力角頻率，（-x3+x5)為非線性恢復(fù)力項(xiàng)，為檢測(cè)信 號(hào)，F(xiàn)cos ω t為策動(dòng)力項(xiàng)，F(xiàn)為策動(dòng)力，且所述F滿足當(dāng)且僅當(dāng)有超聲導(dǎo)波信號(hào)輸入杜芬方程 時(shí)，所述杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生變化；
[0014] S12、選取位移X和速度v將式（1)改寫如下： χ = ν 1 (.2)
[0015] t , \ φ = -kv+x' - λ·" + F cos( ) + λ- (?) J
[0016] 即完成杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造。
[0017] 優(yōu)選的，所述公式（1)中，k取0.5，F(xiàn)取0.8105, ω與待測(cè)的截取信號(hào)的頻率相同。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟S1中杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)計(jì)算如下：
[0019] 將公式（2)表示的杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成以位移X、速度ν以及時(shí)間t為狀態(tài) 變量的三維系統(tǒng)，在t=〇時(shí)刻，以xO為中心，I | δ x(xQ，〇) I I為半徑做一個(gè)三維的球面，隨著 時(shí)間的演化，在t時(shí)刻該球面即變形為三維的橢球面，設(shè)該橢球面的第i個(gè)坐標(biāo)軸方向的半 軸長為11 s Xi (Χ(1，ο) I I，則所述三維系統(tǒng)第i個(gè)李雅普諾夫指數(shù)為：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導(dǎo)波定位缺陷的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 51、 基于杜芬方程構(gòu)造杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并計(jì)算隨策動(dòng)力F變化的李雅普諾夫 指數(shù)； 52、 在檢測(cè)物上通過發(fā)射器激勵(lì)超聲導(dǎo)波信號(hào)，使超聲導(dǎo)波信號(hào)遍歷檢測(cè)物的所有位 置，再通過接收器得到實(shí)測(cè)信號(hào)； 53、 構(gòu)造窗函數(shù)，從所述實(shí)測(cè)信號(hào)中截取不同窗長度對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，將所述各個(gè)截取 信號(hào)輸入杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，并分別計(jì)算輸入截取信號(hào)后隨策動(dòng)力F變化的李雅普諾 夫指數(shù)； 54、 確定李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，移動(dòng)所述窗函數(shù)對(duì) 其進(jìn)行掃描，從而對(duì)檢測(cè)物上的缺陷進(jìn)行定位。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中基于杜芬方程構(gòu)造杜芬振子 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 511、 選取杜芬方程，并設(shè)有檢測(cè)信號(hào)，其公式如下：
其中，k為阻尼比，ω為策動(dòng)力角頻率，（-x3+x5)為非線性恢復(fù)力項(xiàng)，濤)為檢測(cè)信號(hào)， Fcos ω t為策動(dòng)力項(xiàng)，F(xiàn)為策動(dòng)力，且所述F滿足當(dāng)且僅當(dāng)有超聲導(dǎo)波信號(hào)輸入杜芬方程時(shí)， 所述杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生變化； 512、 選取位移X和速度v將式（1)改寫如下： .k = v | (2) ι> = -fv+jc3 -X5 + /7 eos(fyl) + 歹(1)f 即完成杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述公式（1)中，k取0.5, F取0.8105, ω 與待測(cè)的截取信號(hào)的頻率相同。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的李 雅普諾夫指數(shù)計(jì)算如下： 將式（2)表示的杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成以位移X、速度ν以及時(shí)間t為狀態(tài)變量的 三維系統(tǒng)，在t=0時(shí)刻，以xO為中心，| | δ χ(χ。，〇) | |為半徑做一個(gè)三維的球面，隨著時(shí)間的 演化，在t時(shí)刻該球面即變形為三維的橢球面，設(shè)該橢球面的第i個(gè)坐標(biāo)軸方向的半軸長為 | δ Xi (X(1，〇) | |，則所述三維系統(tǒng)第i個(gè)李雅普諾夫指數(shù)為：
通過式（3)計(jì)算杜芬振子信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中所述超聲導(dǎo)波信號(hào)的表達(dá)式 為：
其中，η為選用的單音頻數(shù)目，f。為信號(hào)的中心頻率。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中構(gòu)造的窗函數(shù)為：
其中，S代表記錄下的實(shí)測(cè)信號(hào)，S*代表截取信號(hào)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟S4進(jìn)一步包括： 541、 確定李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)，移動(dòng)所述窗函數(shù)對(duì) 其進(jìn)行掃描； 542、 在所述窗函數(shù)的移動(dòng)過程中，繪制李雅普諾夫指數(shù)隨所述窗函數(shù)的中心時(shí)刻變化 的曲線； 543、 根據(jù)所述李雅普諾夫指數(shù)在所述曲線上的突變定位缺陷導(dǎo)波信號(hào)，并根據(jù)缺陷導(dǎo) 波的傳播速度，對(duì)所述檢測(cè)物上的缺陷進(jìn)行定位。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S43進(jìn)一步為： 當(dāng)U > 0時(shí)，則對(duì)應(yīng)截取信號(hào)沒有缺陷信號(hào)，檢測(cè)物完好無損；當(dāng)Q < 0時(shí)，則對(duì)應(yīng)截 取信號(hào)含有缺陷信號(hào)，檢測(cè)物中含有缺陷。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括： S5、對(duì)所述李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對(duì)應(yīng)的截取信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，將 所述頻譜分析結(jié)果與所述步驟S4中的缺陷定位結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步對(duì)所述步驟S4中的 缺陷定位的靈敏度進(jìn)行評(píng)估。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟S5中頻譜分析公式為：
【文檔編號(hào)】G01N29/44GK104101648SQ201410142371
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】張偉偉, 武靜, 馬宏偉, 楊飛, 林金保 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué), 暨南大學(xué)