基于Duffing振子和随机共振的微弱超声导波信号检测方法研究

摘要

超声导波无损检测技术因其检测耗时少、检测范围广等优点，近年来已经成为长距离管线检测领域的重要技术。但由于超声导波在传播过程中的复杂特性，在实际检测中不可避免地会受检测距离、缺陷大小、结构服役环境以及测试系统误差等影响，致使接收到的缺陷回波信号表现为强噪声背景下的弱导波信号，很难被识别，从而无法提取缺陷信息，导致缺陷检测效率大大降低。为了提高超声导波的检测效率，本文提出了基于Duffing振子系统初值敏感性和随机共振技术的微弱导波检测方法。 Duffing振子的微弱导波检测方法充分利用了Duffing振子对初始扰动的敏感性以及对噪声信号的免疫力，推导了Lyapunov指数用以表征缺陷信息的可行性，通过比较Duffing振子在无信号输入、输入弱导波信号及纯噪声信号前后，最大Lyapunov指数随策动力幅值F的变化，确定了可用于识别导波信号的F值。利用Duffing振子的状态的改变可实现强噪声下微弱超声导波信号的识别。利用该方法可实现数值和实验管道中截面损失率分别为3.8%和4%的小缺陷的判断。为了解决上述Duffing振子识别微弱导波信号时由于频率限制、初相位影响等引起的检测精度低、无法定位缺陷等问题，提出了基于Duffing振子分维数的缺陷识别方法，构造了移动窗截取导波信号并结合分维数确定出波到时刻，实现了缺陷定位分析。根据Lyapunov指数随着信号幅值的变化在一定范围内单调递增的特点，建立了基于Lyapunov指数的损伤评估指标，进行缺陷大小的有效评估。经过研究，基于Duffing振子分维数的缺陷识别方法可实现数值和实验管道中截面损失率分别为1.9%和4%的小缺陷的判断。基于分维数峰值确定的缺陷时刻进行定位，误差均不超过8%。基于Lyapunov指数建立的损伤评估指标，可实现小缺陷管道的有效评估。 随后，为了进一步提高识别精度，提出了利用互相关、小波变换等理论与Duffing振子系统相混合的检测方法。即将采集信号先利用互相关、小波变换进行预处理，然后再输入Duffing系统进行检测。数值仿真研究表明，基于传统方法与Duffing振子结合的混合测量方法，可使检测信噪比下降至-38.4dB，低于单独使用Duffing振子检测时的检测结果-23.9dB，极大地提高了缺陷检测精度和灵敏度。 最后，本文建立了基于双稳态系统和Duffing自由系统的微弱导波信号检测模型，提出了基于随机共振特性的微弱超声导波检测方法。该方法的理论基础为随机共振系统具有对低频弱周期信号的放大作用，可以提高输出信噪比。利用数值模拟和实验开展了基于随机共振的未知频率的导波信号的检测。数值算例和实验研究结果表明随机共振可有效检测未知频率的微弱超声导波信号，实现了小缺陷管道中有无损伤的判断。本文研究结果对于实际工程中延长超声导波的检测范围，提高小缺陷的检测灵敏度具有重要意义。

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