基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導波定位缺陷的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導波定位缺陷的方法，包括：基于杜芬方程構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并計算隨策動力F變化的李雅普諾夫指數(shù)；在檢測物上通過發(fā)射器激勵超聲導波信號，使超聲導波信號遍歷檢測物的所有位置，通過接收器得到實測信號；構造窗函數(shù)，從所述實測信號中截取不同窗長度對應的截取信號，將各個截取信號輸入杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并分別計算輸入截取信號后隨策動力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應的截取信號，移動窗函數(shù)對其進行掃描，從而對檢測物上的缺陷進行定位。本發(fā)明可以對超聲導波信號進行識別，并對不同損傷程度的缺陷進行定位，提高超聲導波識別小缺陷的靈敏度。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲導波檢測【技術領域】，特別涉及一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導 波定位缺陷的方法。 基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導波定位缺陷的方法

【背景技術】
[0002] 近年來管道運輸廣泛應用于各個行業(yè)，是國民經濟綜合運輸?shù)闹匾M成部分之 一，也是衡量一個國家的能源與運輸業(yè)是否發(fā)達的主要標志。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)，造成嚴重的國家經濟損失和人員傷亡。因此，對管道進行 健康檢測十分必要。利用超聲導波檢測方法已經成為長距離管線檢測的重要方法，與傳統(tǒng) 超聲波無損檢測相比，超聲導波具有檢測速度快，檢測范圍廣且無需去除覆蓋層等優(yōu)勢。目 前，檢測精度和檢測距離以及缺陷參數(shù)識別問題已成為超聲導波檢測技術的難點問題。
[0003] 為了提高超聲導波的檢測靈敏度，國內外學者主要從以下三個方面進行優(yōu)化：一、 超聲波在管道結構中的傳播特性研究；二、超聲導波的激發(fā)和接收裝置研究；三、信號分析 與缺陷特征提取。目前，國內外研究學者越來越重視對超聲導波信號的分析和研究，并且發(fā) 展了許多有效地方法。但這些方法大多是從信號本身的特性以及信噪比等基礎上研究，大 多采用降噪以及提高信噪比的方法，具有一定的難度。尋找新的弱信號檢測方法成為亟待 解決的一大熱點問題。而混沌系統(tǒng)由于具有初值敏感性，同時對噪聲信號有一定的免疫能 力，成為強噪聲下弱信號檢測的新領域。然而，利用混沌系統(tǒng)的弱信號檢測多以檢測正弦、 余弦信號為主；對超聲導波信號的識別是近年來的新應用，仍處于理論探索階段，對業(yè)內工 作人員來說，主要難點在于靈敏檢測系統(tǒng)的參數(shù)設定以及缺陷參數(shù)識別。


【發(fā)明內容】

[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)的超聲導波定位缺陷的 方法，以對超聲導波信號進行識別，并對不同損傷程度的缺陷進行定位，提高超聲導波識別 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)的超聲導波定位缺陷的方法，包括以下步 驟：
[0006] S1、基于杜芬方程構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并計算隨策動力F變化的李雅普 諾夫指數(shù)；
[0007] S2、在檢測物上通過發(fā)射器激勵超聲導波信號，使超聲導波信號遍歷檢測物的所 有位置，再通過接收器得到實測信號；
[0008] S3、構造窗函數(shù)，從所述實測信號中截取不同窗長度對應的截取信號，將所述各個 截取信號輸入杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并分別計算輸入截取信號后隨策動力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應的截取信號，移動所述窗函 數(shù)對其進行掃描，從而對檢測物上的缺陷進行定位。
[0010] 優(yōu)選的，所述步驟si中基于杜芬方程構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)進一步包括：
[0011] S11、選取杜芬方程，并設有檢測信號，其公式如下：
[0012] X + kx - .r5 +- = P COS (Ot + J{t) (1)
[0013] 其中，k為阻尼比，ω為策動力角頻率，（-x3+x5)為非線性恢復力項，為檢測信 號，F(xiàn)cos ω t為策動力項，F(xiàn)為策動力，且所述F滿足當且僅當有超聲導波信號輸入杜芬方程 時，所述杜芬振子信號檢測系統(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檢測系統(tǒng)的構造。
[0017] 優(yōu)選的，所述公式（1)中，k取0.5，F(xiàn)取0.8105, ω與待測的截取信號的頻率相同。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟S1中杜芬振子信號檢測系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)計算如下：
[0019] 將公式（2)表示的杜芬振子信號檢測系統(tǒng)構成以位移X、速度ν以及時間t為狀態(tài) 變量的三維系統(tǒng)，在t=〇時刻，以xO為中心，I | δ x(xQ，〇) I I為半徑做一個三維的球面，隨著 時間的演化，在t時刻該球面即變形為三維的橢球面，設該橢球面的第i個坐標軸方向的半 軸長為11 s Xi (Χ(1，ο) I I，則所述三維系統(tǒng)第i個李雅普諾夫指數(shù)為：
[0020]

【權利要求】
1. 一種基于李雅普諾夫指數(shù)的超聲導波定位缺陷的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 51、 基于杜芬方程構造杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并計算隨策動力F變化的李雅普諾夫 指數(shù)； 52、 在檢測物上通過發(fā)射器激勵超聲導波信號，使超聲導波信號遍歷檢測物的所有位 置，再通過接收器得到實測信號； 53、 構造窗函數(shù)，從所述實測信號中截取不同窗長度對應的截取信號，將所述各個截取 信號輸入杜芬振子信號檢測系統(tǒng)，并分別計算輸入截取信號后隨策動力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應的截取信號，移動所述窗函數(shù)對 其進行掃描，從而對檢測物上的缺陷進行定位。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中基于杜芬方程構造杜芬振子 信號檢測系統(tǒng)進一步包括： 511、 選取杜芬方程，并設有檢測信號，其公式如下：
其中，k為阻尼比，ω為策動力角頻率，（-x3+x5)為非線性恢復力項，濤)為檢測信號， Fcos ω t為策動力項，F(xiàn)為策動力，且所述F滿足當且僅當有超聲導波信號輸入杜芬方程時， 所述杜芬振子信號檢測系統(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檢測系統(tǒng)的構造。
3. 如權利要求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 與待測的截取信號的頻率相同。
4. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟S1中杜芬振子信號檢測系統(tǒng)的李 雅普諾夫指數(shù)計算如下： 將式（2)表示的杜芬振子信號檢測系統(tǒng)構成以位移X、速度ν以及時間t為狀態(tài)變量的 三維系統(tǒng)，在t=0時刻，以xO為中心，| | δ χ(χ。，〇) | |為半徑做一個三維的球面，隨著時間的 演化，在t時刻該球面即變形為三維的橢球面，設該橢球面的第i個坐標軸方向的半軸長為 | δ Xi (X(1，〇) | |，則所述三維系統(tǒng)第i個李雅普諾夫指數(shù)為：
通過式（3)計算杜芬振子信號檢測系統(tǒng)的李雅普諾夫指數(shù)。
5. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中所述超聲導波信號的表達式 為：
其中，η為選用的單音頻數(shù)目，f。為信號的中心頻率。
6. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟S3中構造的窗函數(shù)為：
其中，S代表記錄下的實測信號，S*代表截取信號。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟S4進一步包括： 541、 確定李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對應的截取信號，移動所述窗函數(shù)對 其進行掃描； 542、 在所述窗函數(shù)的移動過程中，繪制李雅普諾夫指數(shù)隨所述窗函數(shù)的中心時刻變化 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波信號，并根據(jù)缺陷導 波的傳播速度，對所述檢測物上的缺陷進行定位。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟S43進一步為： 當U > 0時，則對應截取信號沒有缺陷信號，檢測物完好無損；當Q < 0時，則對應截 取信號含有缺陷信號，檢測物中含有缺陷。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括： S5、對所述李雅普諾夫指數(shù)改變量最大的窗長度所對應的截取信號進行頻譜分析，將 所述頻譜分析結果與所述步驟S4中的缺陷定位結果進行比較，進一步對所述步驟S4中的 缺陷定位的靈敏度進行評估。
10. 如權利要求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】G01N29/44GK104101648SQ201410142371
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權日:2014年4月10日
【發(fā)明者】張偉偉, 武靜, 馬宏偉, 楊飛, 林金保 申請人:太原科技大學, 暨南大學