本發(fā)明涉及一種能量差值的步進(jìn)頻率微波檢測(cè)聚乙烯管道缺陷表征方法，屬于微波無(wú)損檢測(cè)。

背景技術(shù)：

1、聚乙烯管道相比于傳統(tǒng)鋼質(zhì)管道，具有耐腐蝕性強(qiáng)，柔韌性好，重量輕，連接方便，摩阻低，管材使用壽命長(zhǎng)達(dá)50年以上等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在能源城市供水及油氣輸送、化工等領(lǐng)域，其應(yīng)用比例逐年上升。例如，近年來(lái)國(guó)際上一些發(fā)達(dá)地區(qū)的中低壓燃?xì)夤艿酪讶坎捎镁垡蚁┕艿?，根?jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)目前新建的城市燃?xì)庵械蛪汗艿乐屑s70%采用聚乙烯材質(zhì)。

2、受制造工藝、材料性能以及工作環(huán)境等因素的影響，聚乙烯管道容易產(chǎn)生夾雜等缺陷。常用無(wú)損檢測(cè)方法在聚乙烯管道檢測(cè)方面存在各種問(wèn)題。例如，超聲檢測(cè)技術(shù)需要保證探頭與管道表面具有良好的接觸，需要使用耦合劑，同時(shí)超聲在聚乙烯管道缺陷中衰減較為嚴(yán)重，分辨率較低。渦流檢測(cè)技術(shù)僅適用于磁性材料，不能用于pe材料的檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)多針對(duì)活動(dòng)性缺陷的檢測(cè)。微波檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)頻譜寬、穿透力強(qiáng)、靈敏度高、非接觸、無(wú)需耦合劑、檢測(cè)速度快、受環(huán)境因素影響小以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

3、目前聚乙烯管道焊接接頭微波檢測(cè)，微波檢測(cè)設(shè)備較少，且較為常用的為一維檢測(cè)設(shè)備，缺少定量化的表征方法，因此迫切需要一種聚乙烯管道缺陷表征方法，用以實(shí)現(xiàn)聚乙烯管道缺陷的定量檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中聚乙烯管道缺陷定量化表征方法的不足，提供一種能量差值的步進(jìn)頻率微波檢測(cè)聚乙烯管道缺陷表征方法。該方法利用步進(jìn)頻率微波信號(hào)，通過(guò)能量差值和相位差值實(shí)現(xiàn)缺陷大小和深度的快速、準(zhǔn)確的定量表征，無(wú)需對(duì)比試塊，具有較高的工程實(shí)用性。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明實(shí)施例提供的一種能量差值的步進(jìn)頻率微波檢測(cè)聚乙烯管道缺陷表征方法，包括以下步驟：

4、1）信號(hào)激發(fā)：采用矩形波導(dǎo)，頻率步進(jìn)脈沖分n次發(fā)送帶寬為δf的線性調(diào)頻信號(hào)，調(diào)頻范圍為至，信號(hào)模型為：

5、

6、其中，=0,1,…,，a為微波發(fā)射信號(hào)幅值，為脈沖寬度，tr為發(fā)射信號(hào)的脈沖重復(fù)周期，=+，為起始頻率，表示第i個(gè)步進(jìn)頻率，為時(shí)間變量，為步進(jìn)頻率次數(shù)，為步進(jìn)頻率間隔；采用線性調(diào)頻信號(hào)的目的：通過(guò)步進(jìn)頻率提高距離分辨率，覆蓋寬帶寬以增強(qiáng)探測(cè)靈敏度。

7、2）信號(hào)接收：接收到的反射回波為

8、

9、或者把上式化簡(jiǎn)

10、

11、其中，為接收時(shí)間變量且=，τ=2r/c為回波時(shí)間延遲，為照射目標(biāo)區(qū)域與發(fā)射天線的瞬時(shí)距離，c為電磁波的傳播速度，c=3×m/s，為微波接收信號(hào)幅值，=0,1,…,，為頻率步進(jìn)總次數(shù)，為脈沖寬度，為發(fā)射信號(hào)的脈沖重復(fù)周期，為頻率步進(jìn)增量。

12、3）匹配濾波：對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，匹配濾波后的信號(hào)為

13、

14、其中，為接收到的反射回波的時(shí)域信號(hào)，為的共軛反轉(zhuǎn)復(fù)數(shù)，表示卷積運(yùn)算，為時(shí)間變量。匹配濾波以最大化信噪比，提高距離分辨率。通過(guò)卷積運(yùn)算，每個(gè)脈沖的回波都會(huì)經(jīng)過(guò)匹配濾波處理，得到壓縮后的脈沖信號(hào)，這樣時(shí)延對(duì)應(yīng)的峰值位置會(huì)更明顯，從而提高距離分辨率。

15、4）時(shí)頻變換：

16、將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，時(shí)域變?yōu)轭l域，，實(shí)部為和虛部為，信號(hào)的幅值，反映能量分布；相位，用于步驟9）中缺陷深度計(jì)算，為頻率變量。

17、5）獲取信號(hào)能量：根據(jù)帕塞瓦爾定理得到信號(hào)在頻率至范圍內(nèi)的能量

18、

19、其中，g=1,…,m，m為掃查點(diǎn)個(gè)數(shù)，為調(diào)頻下限頻率，為調(diào)頻上限頻率，為第個(gè)掃查點(diǎn)在頻率f處的幅值。

20、6）聚乙烯管道圓周方向掃查：按照步驟1）-4）在聚乙烯管道圓周方向掃查，構(gòu)建一維信號(hào)掃查矩陣。位置矩陣[w1，w2，……，wm]幅值矩陣[z1，z2，……，zm]和相位矩陣[φ1，φ2，……，φm]，掃查點(diǎn)的個(gè)數(shù)m的取值根據(jù)圓周的長(zhǎng)度及計(jì)劃測(cè)點(diǎn)數(shù)決定，盡可能均勻且密集的布滿整個(gè)圓周，確保缺陷不漏檢，管道周長(zhǎng)為l，則間距δd=l/m。每個(gè)掃查點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)位置，沿圓周方向移動(dòng)傳感器，收集每個(gè)點(diǎn)的位置信息、幅值信息、相位信息，根據(jù)步驟5）計(jì)算信號(hào)能量，建立掃查矩陣每一點(diǎn)的能量值[e1，e2，……，em]。

21、7）設(shè)置無(wú)缺陷參考信號(hào)：當(dāng)聚乙烯管道存在缺陷時(shí)，某些敏感頻率處的回波幅值會(huì)相應(yīng)降低。這是由于缺陷位置的介質(zhì)反射系數(shù)較低，相應(yīng)反射到天線端口的回波能量低。

22、7-1）計(jì)算任一點(diǎn)g在至頻率范圍內(nèi)幅值最大值與最小值的變化量；

23、7-2）篩選圓周方向的掃查矩陣中所有的點(diǎn)在至頻率范圍內(nèi)幅值最大值與最小值變化最小所在的點(diǎn)處作為無(wú)缺陷參考信號(hào)點(diǎn)b，即在該參考點(diǎn)處最小，在參考點(diǎn)處，其幅值函數(shù)為zb，相位函數(shù)為φb，能量為eb。

24、為了提高魯棒性，能量為eb可采取以下方法

25、（1）滑動(dòng)窗口法：

26、根據(jù)掃查點(diǎn)數(shù)m和管道周長(zhǎng)l，定義窗口大小k，k為正整數(shù)且k≤m，則窗口數(shù)w=m/k，j=1，2，……，[w向上取整數(shù)]。

27、重疊設(shè)置：窗口可部分重疊，減少邊緣效應(yīng)。

28、在第j個(gè)窗口至頻率范圍內(nèi)幅值最大值與最小值變化最小所在的點(diǎn)處作為第j個(gè)窗口無(wú)缺陷參考信號(hào)點(diǎn)b，即第j個(gè)窗口內(nèi)能量參考值

29、，j=1，2，……，w

30、（2）統(tǒng)計(jì)平均法：剔除異常值后按一定比例取至頻率范圍內(nèi)幅值最大值與最小值變化最小所在的點(diǎn)處的能量平均值為參考值。

31、分為以下步驟：

32、7-3）計(jì)算每一點(diǎn)

33、7-4）對(duì)所有m點(diǎn)由小到大排序

34、7-5）按比例系數(shù)α，如α=0.05，計(jì)算7-3）中前αm個(gè)的平均值，即

35、，g=1，2，……，m

36、8）能量累積差值表征矩陣

37、步驟8-1）：能量差值表征矩陣

38、按（1）滑動(dòng)窗口法能量差值矩陣：

39、，其中，為掃查點(diǎn)m的能量值，為第j個(gè)窗口的無(wú)缺陷參考能量值，m為掃查點(diǎn)數(shù)；

40、按（2）統(tǒng)計(jì)平均法能量差值矩陣：

41、，其中，為掃查點(diǎn)m的能量值，為無(wú)缺陷參考能量值，m為掃查點(diǎn)數(shù)；

42、從而得到聚乙烯管道表面二維方向的大小表征。

43、步驟8-2）進(jìn)一步減少系統(tǒng)增益的影響，進(jìn)行能量歸一化處理。

44、按（1）滑動(dòng)窗口法能量差值歸一化矩陣：

45、,其中，為掃查點(diǎn)m的歸一化能量差值；

46、按（2）統(tǒng)計(jì)平均法能量差值歸一化矩陣：

47、，其中，為掃查點(diǎn)m的歸一化能量差值。

48、9）缺陷深度表征：

49、步驟9-1）：篩選缺陷敏感頻率

50、當(dāng)聚乙烯管道存在缺陷時(shí)，某些敏感頻率處的回波幅值會(huì)相應(yīng)降低。這是由于缺陷位置的介質(zhì)反射系數(shù)低，相應(yīng)反射到天線端口的回波能量低。因此篩選任一點(diǎn)g在至頻率范圍內(nèi)幅值最小值所在的頻率，該頻率為缺陷敏感頻率，記為。

51、步驟9-2）：根據(jù)步驟6）求得無(wú)缺陷參考點(diǎn)所在的相位函數(shù)為φb

52、按照（1）滑動(dòng)窗口法無(wú)缺陷參考相位函數(shù)為，其中，為第j個(gè)窗口的無(wú)缺陷參考相位函數(shù)；

53、按（2）統(tǒng)計(jì)平均法無(wú)缺陷參考相位函數(shù)為，其中α為比例系數(shù)，φg為掃查點(diǎn)g的相位函數(shù)；

54、步驟9-3）：計(jì)算每一點(diǎn)與無(wú)缺陷參考在敏感頻率處的相位差值，建立對(duì)應(yīng)頻率下相位差矩陣。

55、按（1）滑動(dòng)窗口法相位差矩陣

56、[，，……，]=[，，……，]，其中，為掃查點(diǎn)m在其敏感頻率處的相位值，為第j個(gè)窗口的無(wú)缺陷參考點(diǎn)在頻率處的相位值，為相位差值；

57、按（2）統(tǒng)計(jì)平均法相位差矩陣

58、[，，……，]=[，，……，]，其中，為掃查點(diǎn)m在其敏感頻率處的相位值，為無(wú)缺陷參考點(diǎn)在頻率處的相位值，為相位差值；

59、步驟9-4）：計(jì)算缺陷深度矩陣

60、目標(biāo)區(qū)域和發(fā)射天線之間的瞬時(shí)距離r，2次回波之間的相位差δφ與距離差δr之間的關(guān)系式，求得，缺陷深度為δr，則缺陷深度矩陣，其中，c為電磁波傳播速度，相位差δφ與缺陷深度δr的關(guān)系基于電磁波傳播特性推導(dǎo)。

61、10）缺陷表征曲線：將步驟8）和步驟9）中的矩陣?yán)L制得到聚乙烯管道缺陷大小和缺陷深度的缺陷表征曲線。

62、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

63、本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案的一種能量差值的步進(jìn)頻率微波檢測(cè)聚乙烯管道缺陷表征方法，借助篩選無(wú)缺陷信號(hào)作為參考信號(hào)，構(gòu)建了能量差值表征及相位差值的聚乙烯管道缺陷表征方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚乙烯管道缺陷的定量化表征。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可快速判斷聚乙烯管道缺陷大小，無(wú)需對(duì)比試塊，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。