基于杜芬混沌振子的磁致伸缩导波信号识别

    磁致伸缩导波无损检测技术不仅具有一般导波技术通过单点激励实现长距离检测的优点,而且能够实现非接触检测。对于管道、热交换管、储油罐和预应力钢绞线的检测取得了很好的效果。然而,由于导波传播过程中受边界条件影响很大,缺陷信号很容易湮没在噪声中,对导波信号的研究引起了国内外学者的广泛关注。Alleyne D N等利用二维傅里叶变换得到了各个模态的Lamb波的幅值^[1]。Christine Valle等通过研究辨别Lamb模式判断缺陷位置^[2]。Paul DWilcox通过对接收导波信号进行处理,在一定程度上减少了频散对超声导波检测的影响^[3]。Siqueira等利用导波进行管中缺陷检测,采用了多尺度小波变换进行去噪,提取了缺陷的回波信号^[4]。王悦民等利用短时傅里叶变换和高阶谱研究导波信号,获得了信号的幅值、频率和相位信息^[5]。何存富等利用小波变换和Wigner-Ville变换方法对导波检测信号进行了分析处理,可以检测出直径为1 mm的小孔缺陷^[6]。上述信号处理方法主要从时-频域对信号进行处理,则信号必然要在时域内截断,引起信息丢失,从而对时-频变换中基函数的选取提出了较高的要求。笔者从导波信号的时域演变过程出发,提出了一种基于混沌振子的磁致伸缩导波信号处理方法。通过辨识加入导波信号后混沌振子状态的改变,判别所检测的构件是否有缺陷,最后对一组实测钢绞线信号进行了验证,得到了较理想的结果。

1　杜芬混沌振子检测基本原理

    修正的杜芬(Duffing)方程的表达式为^[7]:

    在Matlab下建立系统模型。当没有检测信号时,即s(t)=0,固定k值,F从0逐渐增加到临界值F₁时,系统从分叉转变为混沌运动,当F进一步增加到临界值F₂时,系统从混沌态转变到周期态。Duffing振子用于信号检测时,当噪声输入混沌系统时,混沌系统的状态不发生改变,所以Duffing混沌振子对噪声信号有免疫作用,并且Duffing混沌振子对于初始条件十分敏感。

    由于在磁致伸缩导波检测中,当激励脉冲作用于激励线圈时,由于电磁波传播速度远大于弹性波的传播速度,在接收线圈中首先感应到的是空间中传播的电磁波信号,然后才是通过构件传播的弹性波信号。在磁致伸缩导波检测中,一般将脉冲电磁感应信号去除,而实际检测系统中,由于系统的惯性作用,该信号引起系统初始状态的变化,对检测信号识别的影响是存在的。从而可以利用Duffing振子对初始条件的敏感性,在检测到的信号中提取不同的区间段,通过系统状态的变化判断是否有缺陷,为缺陷信号的识别提供一种方法