利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及管道損傷檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng) 識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道運輸被譽為繼鐵路、公路、航空、海運之后的第五大運輸工具，是城市生命線 工程的重要組成部分，然而由于腐蝕、埋設(shè)(或架設(shè))地區(qū)環(huán)境以及人為破壞等因素對管道 的安全服役形成了潛在威脅，因此有必要對管道的損傷狀況進行檢測識別。
[0003]為防止管道惡性事故的發(fā)生，我國每年用于油氣管道維修方面的費用高達數(shù)億 元，且呈逐年增加趨勢。然而，由于受檢測手段的限制，管道損傷狀況不明，往往造成盲目開 挖、盲目報廢，維修缺乏科學(xué)性，造成人力、物力的巨大浪費。
[0004]低頻應(yīng)力波在有界結(jié)構(gòu)中的傳播被稱為超聲導(dǎo)波，上世紀末，超聲導(dǎo)波被成功用 于埋地管道及其它不易直接測量結(jié)構(gòu)的無損檢測與評估中。超聲導(dǎo)波檢測可利用回波信號 來分析，即當(dāng)導(dǎo)波在傳播過程中遇到管道缺陷，會有部分導(dǎo)波發(fā)生反射，通過分析回波信號 特征，可判斷出在距離測試點多遠的位置可能存在缺陷。與傳統(tǒng)超聲波檢測技術(shù)相比，超聲 導(dǎo)波沿著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)長度方向激發(fā)，其檢測范圍是"線"而非"點"，其檢測范圍可達50~100m。 由于應(yīng)力波屬于體波傳播，因此它可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的全面檢測，且具有檢測速 度快，檢測范圍廣且無需去除覆蓋層等優(yōu)勢。
[0005]隨著社會的發(fā)展，需要對管道中的微裂紋進行預(yù)先檢測以及時更換管道，預(yù)防不 良事件發(fā)生。然而，現(xiàn)有技術(shù)中對微小裂紋的檢測效果有限。
[0006] 因此，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的 超聲導(dǎo)波方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不足甚為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種利用三次范德玻爾混沌 系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法，該方法能夠快速準(zhǔn)確判斷管道中裂紋缺陷及裂紋缺陷 的位置。
[0008] 本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)手段實現(xiàn)。
[0009] 提供一種利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0010] (1)在管道一側(cè)端面激發(fā)超聲導(dǎo)波信號，使得超聲導(dǎo)波信號遍歷管道的所有位置；
[0011] (2)在離激發(fā)位置6-13毫米處利用傳感器接收回波信號，所接收的回波信號中包 含端面回波信號、噪聲信號和淹沒在噪聲中的裂紋回波信號；
[0012] (3)將回波信號輸入預(yù)先建立的三次范德波爾混沌檢測系統(tǒng)，判斷裂紋情況。
[0013]優(yōu)選的，建立三次范德波爾混沌檢測系統(tǒng)，具體包括：
[0014] A.選取范德玻爾混沌檢測系統(tǒng)+知)](l -x:)i +呌:.v + ().2V二Fcos敁，其中 C為阻尼系數(shù)，?(/)為待檢測信號，t為時間；i是X的一階偏導(dǎo)數(shù)，f是X的二階偏導(dǎo)數(shù)，X、 i、i分別代表相應(yīng)的位移、速度以及加速度，F(xiàn)是策動力，ω是策動力頻率，ω〇是系統(tǒng)的固 有頻率；
[0015] Β.選取位移X和速度Pi,并引入時間增量z = t，改寫范德玻爾混沌檢測系統(tǒng)，即 將二維非自治系統(tǒng)改寫為三維自治系統(tǒng)，得到：
[0016]
[0017]其中，#是速度v的一階偏導(dǎo)數(shù)，念是Z的一階偏導(dǎo)數(shù)；
[0018]所述范德波爾混沌檢測系統(tǒng)采用GSR法求解Lyapunov指數(shù)，選擇范德波爾混沌檢 測系統(tǒng)的最大Lyapunov指數(shù)Li來進行系統(tǒng)的狀態(tài)判定；
[0019] 所述范德波爾混沌檢測系統(tǒng)選取臨界阻尼c為1.68進行導(dǎo)波檢測。
[0020] 優(yōu)選的，頻率ω為〇 · 439823，參數(shù)ω 〇為1，策動力F為1 · 3。
[0021] 上述步驟（3)是通過移動的矩形窗函數(shù)掃描待檢測信號，計算每段檢測信號的 Lyapunov指數(shù)，通過對全體時域信號計算完畢后查看輸出的Lyapunov指數(shù)與時間曲線來確 定裂紋缺陷及位置。
[0022] 上述步驟(3)中，矩形窗函數(shù)進行的定位解析，具體包括：
[0023] (3-1).定義一個矩形窗函數(shù)，矩形窗函數(shù)對應(yīng)的采樣信號為Sw，矩形窗函數(shù)g(t_ τ)為： iV-：0.5￡
[0024] g(t_T) = 1，t Ε (ητ-〇 · 5Lw，nT+〇 · 5LW)，" = i'2、3 -:--; τ
[0025] 其中Lw為矩形窗函數(shù)的窗長，τ代表矩形窗函數(shù)的移動速度，N代表全時域信號的 長度；
[0026] (3-2).計算采樣點的循環(huán)次數(shù)m，函數(shù)式為其中匕為范德玻爾混沌檢測系 統(tǒng)的信號長度；
[0027] (3-3).定義輸入范德波爾檢測系統(tǒng)的檢測信號為Sd，函數(shù)為Sd = Sw · A，A為1行m列 的單位矩陣，A=(l，l~l)m;W函數(shù)式可知，Sd為循環(huán)了 m次的Sw信號；
[0028] 定義Lyapunov指數(shù)Li，Li = (li，12, "·1θ)Τ，其中11、12、'"1(3為通過范德波爾混純檢 測系統(tǒng)求解的le個Lyapunov指數(shù)值，le為Lyapunov指數(shù)Li最后收斂的數(shù)值；
[0029]定義 Lyapunov 指數(shù)輸出 L?t，L?t = (le，le，...le)T;
[0030] (3-4).計算每段檢測信號的Lyapunov指數(shù)，通過對全時域信號進行檢測計算，獲 得全體時域信號的Lyapunov指數(shù)與時間曲線。
[0031] 優(yōu)選的，上述步驟(3-1)中，窗長Lw為2000，窗□移動速度τ為200;或者 [0032] 窗長Lw為2500,窗口移動速度τ為150。
[0033]優(yōu)選的，上述步驟(3-2)中，范德玻爾系統(tǒng)的信號長度Ls為60000。
[0034]優(yōu)選的，上述步驟(2)具體是在離激發(fā)位置10毫米處利用傳感器接收回波信號。
[0035]本發(fā)明的利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法，利用超聲導(dǎo) 波技術(shù)對管道中的裂紋進行檢測，并利用范德玻爾混沌系統(tǒng)對檢測信號進行分析，適合于 長管線的微小裂紋損傷檢測，利用該方法可以快速準(zhǔn)確識別管道中的微小裂紋及位置信 息，具有實際的工程應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0036]利用附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但附圖中的內(nèi)容不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限 制。
[0037]圖1是本發(fā)明利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法流程圖； [0038]圖2阻尼系數(shù)c與三次范德玻爾混純系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)的關(guān)系圖；
[0039]圖3是噪聲水平變化對應(yīng)三次范德玻爾混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化的關(guān)系圖；圖3 (a)是在σ = 〇. 〇1時噪聲水平變化對應(yīng)三次范德玻爾混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化的關(guān)系圖， 圖3 (b)是在σ = 〇. 1時噪聲水平變化對應(yīng)三次范德玻爾混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化的關(guān)系 圖，圖3(c)是在〇 = 0.5時噪聲水平變化對應(yīng)三次范德玻爾混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化的關(guān) 系圖，圖3(d)是在〇 = 0.7時噪聲水平變化對應(yīng)三次范德玻爾混沌系統(tǒng)Lyapunov指數(shù)變化的 關(guān)系圖。
[0040]圖4是本發(fā)明實施例2管道激發(fā)超聲導(dǎo)波原理圖；
[0041 ]圖5是本發(fā)明實施例2所施加的位移時間載荷曲線；
[0042] 圖6是本發(fā)明實施例2獲得的含裂紋缺陷管道的檢測信號；
[0043] 圖7是對圖6中含裂紋管道的檢測信號中的部分選擇信號在范德玻爾混沌系統(tǒng)定 位示意圖。
【具體實施方式】
[0044]結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0045] 實施例1。
[0046] -種利用三次范德玻爾混沌系統(tǒng)識別管道裂紋的超聲導(dǎo)波方法，如圖1所示，包括 如下步驟：
[0047] (1)在管道一側(cè)端面激發(fā)超聲導(dǎo)波信號，使得超聲導(dǎo)波信號遍歷管道的所有位置；
[0048] (2)在離激發(fā)位置5-12毫米處利用傳感器接收回波信號，所接收的回波信號中包 含端面回波信號、噪聲信號和淹沒在噪聲中的裂紋回波信號；
[0049] (3)將回波信號輸入預(yù)先建立的三次范德波爾混沌檢測系統(tǒng)，判斷裂紋情況。
[0050] 其中，建立范德波爾混沌檢測系統(tǒng)，具體包括：
[0051] A.選取范德玻爾混純檢測系統(tǒng)無-[c' + S'(0](l-·?2:)?+.<%2