基于反褶積與編碼激勵(lì)的長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)探究

1、基于反褶積與編碼激勵(lì)的長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)探究【摘要】分析氏輸管道損傷檢測(cè)中應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)的應(yīng)用以及相關(guān)制約因素，提 出基于子波估計(jì)的反褶積方法對(duì)應(yīng)力波導(dǎo)波制約因素的處理。并應(yīng)用matla軟件 設(shè)計(jì)出了三種不同的編碼激勵(lì)信號(hào)，于長(zhǎng)輸管道縱向?qū)Р▊鞑ツＰ椭蟹謩e應(yīng)用。 通過(guò)研究表明，基于子波估計(jì)的反褶積方法可提高管道損傷的定位精度，而將編 碼激勵(lì)信號(hào)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)屮吋可獲得較高的抗干擾能力及分辨率?！娟P(guān)鍵詞】反褶積技術(shù);編碼激勵(lì)；長(zhǎng)輸管道;損傷檢測(cè)對(duì)長(zhǎng)輸管道損傷危險(xiǎn)性進(jìn)行檢測(cè)與正確評(píng)價(jià)，對(duì)于管道的合理設(shè)計(jì)、安全運(yùn) 行均具有十分積極的意義。管道損傷檢測(cè)所用技術(shù)主要為應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)，在實(shí) 際的應(yīng)用

2、中發(fā)現(xiàn)，信號(hào)處理與導(dǎo)波激勵(lì)會(huì)影響長(zhǎng)輸管道檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠 性。提高管道損傷檢測(cè)的定位精度，提高檢測(cè)的抗干擾能力與分辨率，也是口前 在我國(guó)長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中面臨的重點(diǎn)問(wèn)題。1 長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)的意義長(zhǎng)輸管道主要是指產(chǎn)地、儲(chǔ)存庫(kù)、使用單位之間用來(lái)輸送商詁介質(zhì)的管道, 例如給排水管道、燃?xì)馊加凸艿?、純水管道等，均可稱為長(zhǎng)輸管道。長(zhǎng)輸管道多 是埋于地底，其在投入使用過(guò)程屮，受地下震動(dòng)、腐蝕、老化等諸多因素彩響， 會(huì)造成管道損傷，給止常使用及環(huán)境、人們的身體健康與安全造成嚴(yán)重影響，因 此，做好長(zhǎng)輸管道的損傷檢測(cè)工作也是必然。通過(guò)定期的管道損傷檢測(cè)，口j全面、 準(zhǔn)確的了解管道運(yùn)行狀況，避免或減少管道

3、事故發(fā)生，為管道維修提供指導(dǎo)，延 長(zhǎng)管道的安全使用壽命。2. 長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)具有方法簡(jiǎn)單、操作方便、快捷、動(dòng)態(tài)檢測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在 當(dāng)前長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中的應(yīng)用極為廣泛。應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)主要包括信號(hào)處理技 術(shù)、測(cè)量記錄技術(shù)與導(dǎo)波激勵(lì)技術(shù)，雖然該技術(shù)具冇很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng) 用中，若測(cè)量記錄與導(dǎo)波激勵(lì)技術(shù)應(yīng)用不合理，也會(huì)影響信號(hào)處理質(zhì)量，當(dāng)信號(hào) 處理質(zhì)量較差時(shí)，又會(huì)給后期的檢測(cè)結(jié)果分析及檢測(cè)效率造成影響。從實(shí)踐資料 可見(jiàn)，口前制約應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)在長(zhǎng)輸管道損傷屮應(yīng)用的因素主要為導(dǎo)波激勵(lì)技 術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)，因此，加強(qiáng)對(duì)應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)中導(dǎo)波激丿別與信號(hào)處理的優(yōu)化

4、 與改進(jìn)，也是很冇必要的。3. 基于子波估計(jì)的反褶積方法在管道損傷檢測(cè)中的應(yīng)用3.1反褶積技術(shù)的概念反褶積又被稱作反濾波或解卷積，起著消除前一種濾波的作用，在實(shí)際應(yīng)用 中，是通過(guò)壓縮基本子波，來(lái)提高地震數(shù)據(jù)的垂向分辨率。將基于子波估計(jì)的反 褶積方法應(yīng)用于管道損傷檢測(cè)屮吋，主要原理為：由采集信號(hào)估計(jì)子波振幅譜與 相位譜，之后利用傅里葉變換獲得子波。3. 2基于子波估計(jì)的反褶積技術(shù)步驟提出為了提高長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中反褶積技術(shù)的檢測(cè)精度與適用范圍，文章決定 將基于子波估計(jì)的反褶積技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中，具體步驟見(jiàn)圖lo圖1基于子波估計(jì)的反褶積技術(shù)步驟示意圖3. 3反褶積技術(shù)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析

5、在反褶積技術(shù)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析中，我們將所用子波表達(dá)式設(shè)為：w &)=血(龍/6.初心帕化 數(shù)據(jù)采樣為6ms, 一共有60個(gè)采樣點(diǎn)。將理論子 波與反射系統(tǒng)序列褶積,得到記錄信號(hào)，應(yīng)用譜模擬與相位分解的了波估計(jì)技術(shù), 統(tǒng)計(jì)法同態(tài)子波估計(jì)技術(shù)，對(duì)獲得的記錄信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到估計(jì)子波。然 后，基于估計(jì)子波下對(duì)記錄信號(hào)進(jìn)行反褶積計(jì)算，即可得到反射系數(shù)序列。通過(guò) 對(duì)以上技術(shù)的觀察分析可見(jiàn)，不同反褶積技術(shù)處理木次的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，均有較 為準(zhǔn)確的計(jì)算出反射系數(shù)序列，但整體分析認(rèn)為，基于子波估計(jì)的反褶積技術(shù)的 反褶積算法可以更好的壓縮子波，比預(yù)測(cè)反褶積的辨識(shí)度明顯要高，從而也驗(yàn)證 了基于子波的反

6、褶積技術(shù)的可行性與有效性。因此，將基于子波估計(jì)的反褶積技 術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)時(shí)，其對(duì)管道損傷定位的相對(duì)誤差與 預(yù)測(cè)反褶積技術(shù)的謀差相比，會(huì)有明顯的降低。本次研究中，采用外徑為80nmi,內(nèi)徑為70mm,長(zhǎng)度約為6m的鋼管作為實(shí)驗(yàn) 道具，鋼管材料為20#鋼,彈性模量e = 206gpa ,泊松比v = 0.32 ,密度 p=ls00kg/m實(shí)驗(yàn)用鋼管管道采用兩端簡(jiǎn)支方式，傳感器選擇為lc0115,內(nèi) 裝tc壓電加速度傳感器。將傳感器安放在距管道右端于0. 7m的位置，而管道損 傷設(shè)置在距右端2. 8m處，應(yīng)用沿自制軌道滑落的小鋼珠撞擊管道端面來(lái)激勵(lì)產(chǎn) 生波信號(hào)。對(duì)所采集的信號(hào)

7、分別采用預(yù)測(cè)反褶積技術(shù)與基于子波反褶積技術(shù)進(jìn)行 處理，獲得反射系數(shù)序列。結(jié)果顯示，基于子波的掃褶積技術(shù)對(duì)長(zhǎng)輸管道損傷信 號(hào)進(jìn)行處理，不僅能使定位精度得到有效提高，還可提高分辨率，促進(jìn)管道損傷 檢測(cè)的準(zhǔn)確性與可靠性。4. 不同編碼激勵(lì)信號(hào)在長(zhǎng)輸管道損傷檢測(cè)中的應(yīng)用效果將應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道的損傷檢測(cè)中時(shí)，所用的激勵(lì)技術(shù)大多是 單次激勵(lì)，但通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，單次激勵(lì)冇激勵(lì)信號(hào)能量?jī)酉蕖⒖臻g分辨率不 足、抗干擾能力弱的缺陷?；谶@一特點(diǎn)，有研究人員便將通訊領(lǐng)域的編碼技術(shù) 應(yīng)用到了應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)的管道損傷檢測(cè)當(dāng)中。4.1激勵(lì)信號(hào)傳播的數(shù)學(xué)模型長(zhǎng)輸管道的導(dǎo)波傳播理論是建立在各向同性、均勻、完全彈

8、性介質(zhì)的假定基 礎(chǔ)上，因此，根據(jù)假沱條件可將管道簡(jiǎn)化成為一維彈性模型，并作出如下假設(shè)：管道長(zhǎng)為50m,外徑為80nnn,內(nèi)徑為70mm,管道材料為20#無(wú)縫鋼材料,密 度為7800 kg/m3,彈性模量為206 gpa0管道端面x=0m,作為激勵(lì)端面，所激 發(fā)的編碼信號(hào)為sd;x = 50m是無(wú)約束的自由邊界，將傳感器置于x=5m處， 管道損傷位置位于管道的x=30mo根據(jù)以上假設(shè)，建立起一維激勵(lì)信號(hào)數(shù)學(xué)模 型，如下所示：32w(x,z)1 d2u(xyt) _ h dudx2 cl dt2 ea dt上式中，各邊界條件為:t>0 (0<<100)； |r = 0 (0<

9、;x< 100) ；0) = 0dt 1(0<x<100)；其他參數(shù)確沱為：co=l-=5139m/s； -ea型兀)|° = sd(r)； pox-ea-x_l=o；卜=兀。其中，p代表管道材質(zhì)密度，/?代oxdt表剪切衰減系數(shù)，a代表橫截面積；e代表彈性模量。應(yīng)用差分方法，求解如下式：(咕廠2訶+咕)-斗(”嚴(yán)- 2好+(好-b)carea ar通過(guò)上式，便可推導(dǎo)出任意采樣時(shí)刻管道任意位置導(dǎo)波的速度及縱向位移。4. 2編碼激勵(lì)技術(shù)的數(shù)值模擬文章應(yīng)用非線性編碼激勵(lì)、線性編碼激勵(lì)與偽隨機(jī)編碼激勵(lì)，分別代入到所 研究的管道模型當(dāng)屮，對(duì)不同編碼激勵(lì)技術(shù)的定位精度、可行性進(jìn)行數(shù)值模擬研 究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究可見(jiàn)，三種編碼技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中均有較高的分辨率，損傷定 位相對(duì)誤差無(wú)太人差別；且三種編碼激勵(lì)方式得到的有效脈沖峰值平均強(qiáng)度明顯 比單次激勵(lì)的結(jié)杲大，由此表明了編碼激勵(lì)提高解碼信號(hào)有效脈沖能量的優(yōu)勢(shì)。 為了進(jìn)一步驗(yàn)證編碼激勵(lì)的效果乂將單次激勵(lì)信號(hào)、線性編碼激勵(lì)信號(hào)與m序列 編碼激勵(lì)信號(hào)導(dǎo)入管道模型方程屮，通過(guò)一系列研究實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)m序列編碼激勵(lì) 具有更高的抗干擾性與分辨率。綜上所述，在應(yīng)力波導(dǎo)波技術(shù)檢測(cè)長(zhǎng)輸管道損傷時(shí)，于信號(hào)處理方而采用基 于了波估計(jì)的反褶積技術(shù)，在導(dǎo)波激勵(lì)方面采用編碼激勵(lì)技術(shù)，其對(duì)提高管道損 傷的辨識(shí)度、提高抗t擾