CN103344709B - 基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，属于航空结构健康监测技术领域。该方法包括监测准备过程和在线监测过程。监测准备过程：测量超声波传播的波数曲线和群速度；获取结构处于健康状态下的压电传感器响应信号作为健康信号。在线监测过程：获取压电传感器响应信号作为损伤信号；通过健康信号和损伤信号之差求得损伤散射信号；使用线性映射频散补偿方法对损伤散射信号进行频散补偿；频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号；把合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果。本发明可以有效提高超声相控阵方法对多损伤成像的分辨率和定位的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，属于航空结构健康监测技术领域。
背景技术
随着当前国内外对飞行器健康监测与管理技术的日益关注，结构健康监测技术的研究越来越受到人们的重视。压电超声相控阵成像方法通过控制压电传感器阵列接收损伤散射信号的相位延迟，可对结构实现定向扫描，损伤散射信号在特定时间内得到干涉叠加并增强，使得损伤信号的信噪比得到提高，其它噪声信号由于随机累加无法增强，从而得到抑制。因此该方法已经成为结构健康监测领域的一个重要发展方向。
但超声波在板结构中传播时存在频散特性，这种频散特性使得超声波的波包发生扩展和变形，波包能量发生分散，波包在时域上的持续时间也增长，幅值随之减小，从而降低了常规超声相控阵技术合成信号的信噪比和对损伤信号的分辨能力；而且在进行多损伤监测时，多个损伤的损伤散射信号混叠在一起本来就很复杂，再加频散现象的影响，使得相邻波包发生混叠，严重影响常规超声相控阵方法对多损伤的定位，甚至于难以对多损伤进行有效的分辨。
在常规的压电超声相控阵方法中，为了降低超声波频散特性的影响，通常采用如下两种方法：
（1）常需选用特定形式的激励信号，一般选用窄带信号并选择频散特性较低的激励频率，但是该方法不能完全补偿超声波频散特性，而且在确定激励信号带宽时，除了尽可能降低频散效应影响，还应考虑波包的时域分辨率。
（2）选用高频激励信号，这是最常用的方法。高频激励信号的波长短，能够提高成像分辨率，但高频信号在板结构中传播，特别是在复合材料结构中传播时，衰减很快，导致监测区域的面积很小不利于大面积健康监测的实施。所以需要提高激励信号的输出功率，造成系统体积和功耗增加，但航空结构的在线监测又对监测系统提出了体积小、功耗低的苛刻要求。
发明内容
本发明提出了一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，可以显著提高相邻多损伤监测的分辨率和准确性。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，将线性映射频散补偿方法和压电超声相控阵成像方法相结合，首先使用线性映射的频散补偿方法对损伤散射信号进行处理，使信号波包得到了压缩，信号的能量更加集中，波包在时域上的持续时间变短；其次，频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号，再把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果，具体步骤如下：
在被监测结构上布置M+1个压电传感器，其中M个压电传感器组成线形阵列，编号从0到M-1，M为整数，其取值范围为5至21；另外一个压电传感器布置在距离线形阵列中心位置150mm至300mm的范围内，编号为M，然后分为监测准备过程和在线监测过程：
A、监测准备过程：
（1）测量超声波在结构中传播的波数曲线 ，选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，从响应信号上加载矩形窗来提取超声波信号的直达波，则波数曲线计算为
（1）
其中为响应信号中直达波包和激励信号波包的相位差，L为信号传播距离，计算为
（2）
其中表示，表示激励信号的频率响应，表示提取直达波后的响应信号的频率响应的实部，表示的虚部，为反正切函数，范围为-π～π；
（2）群速度测量
选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，则信号传播的群速度按如下公式计算：
（3）
其中，为激励信号峰值相对于采样零点的时间，为响应信号直达波峰值相对于采样零点的时间，为信号传播距离；
（3）获取结构处于健康状态下的压电传感器响应信号作为健康信号
在健康状态下，扫查0°～180°范围内，0 -- M-1号压电传感器之间采用轮循的方式采集各压电传感器的响应信号，即当其中一个压电传感器作为驱动器时，其他几压电传感器则作为传感器进行响应，这些响应信号作为健康信号，激励信号的中心频率为；
B、在线监测过程中：
（1）获取压电传感器响应信号作为损伤信号
扫查0°～180°范围内，采用轮循的方式，在有损伤状态下采集0 -- M-1号压电传感器的响应信号作为损伤信号，激励信号的中心频率为；
（2）通过健康信号和损伤信号之差得到损伤散射信号，其中i和j分别表示激励和传感的压电传感器的编号；
（3）使用线性映射频散补偿方法对损伤散射信号进行频散补偿
①将损伤监测中采用的正弦调制激励信号进行傅里叶变换，得到其对应频域响应；
②将损伤散射信号进行傅里叶变换，得到其频谱响应；
③对波数曲线进行线性化：把波数曲线在激励信号的中心角频率处进行泰勒级数展开并保留到一次项得到线性化的波数曲线
（4）
为处的相速度，为中心频率为的窄带信号的群速度，表示线性化波数曲线的常数项，表示线性化波数曲线的1次比例项，表示正弦调制激励信号的角频率，表示激励信号的中心角频率；
④求取线性化波数下的损伤散射信号
根据线性化前后的波数，把每个角频率ω改变为
（5）
其中为测量波数曲线的逆函数，对线性化波数下的损伤散射信号频谱进行插值处理，得到损伤散射信号插值处理后的频谱；为了消除插值处理对激励信号频谱的影响，需要在后面乘以补偿因子，再进行反傅里叶变换，即频散补偿后的损伤散射信号
（6）
（7）
（8）
（4）频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号V(θ)
（9）
式中，i和j分别表示激励和响应的压电传感器的编号，为损伤散射信号接收过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；为损伤散射信号的时间；为对每个压电传感器接收到的损伤散射信号附加的时间延迟
（10）
其中，为相邻两个压电传感器之间的距离，为扫描角度；
（5）把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果。
本发明的有益效果如下：
本方法解决了结构健康监测中常规超声相控阵方法由于超声波在板结构中传播的频散特性引起多个损伤的损伤散射信号混叠在一起，造成多个损伤难以准确分辨和定位的问题，可有效提高超声相控阵方法对多损伤成像的分辨率和定位的精度。
附图说明
图1 是压电传感器阵列及损伤位置示意图。
图2 是激励信号波形图。
图3 （a）是1号压电传感器激励，图3 (b)是6号压电传感器响应的健康信号，图3 (c)是损伤信号和损伤散射信号。
图4 是为超声相控阵技术对损伤的成像结果。
图5 是本发明方法的实施流程图。
图6 是测量的波数曲线和线性化后的波数曲线。
图7 是损伤散射信号频散补偿流程图。
图8（a）是1号压电传感器激励，图8(b)是6号压电传感器响应的频散补偿前后的损伤散射信号。
图9 是扫描角度100°方向上经过频散补偿和延时处理的0 -- 6号压电传感器作为激励时对应的损伤散射信号的合成信号，i=0,1,…,6和最终的合成信号V(θ)。
图10 是本发明方法的多损伤成像结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本方法将线性映射频散补偿方法和压电超声相控阵成像方法相结合，首先使用线性映射的频散补偿方法对损伤散射信号进行处理，使信号波包得到了压缩，信号的能量更加集中，波包在时域上的持续时间变短；其次，频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号，再把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果，频散补偿后的损伤散射信号再进行延时叠加，使得信号能量得到了进一步的增强；最终实现损伤的高分辨准确成像，并且能够对多个损伤进行分辨。
基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，其损伤散射信号的频散补偿过程如下：
①将损伤监测中采用的正弦调制激励信号进行傅里叶变换，得到其对应频域响应。
②将损伤散射信号进行傅里叶变换，得到其频谱响应。
③对波数曲线进行线性化：把在激励信号的中心角频率处进行泰勒级数展开并保留到一次项可得到线性化的波数曲线
（4）
其中，为处的相速度，为中心频率为的窄带信号的群速度。
④求取线性化波数下的损伤散射信号
根据线性化前后的波数，可把每个频率值ω改变为
（5）
其中为测量波数曲线的逆函数，对线性化波数下的损伤散射信号频谱进行插值处理，可以得到损伤散射信号插值处理后的频谱，为了消除插值处理对激励信号频谱的影响，需要在后面乘以补偿因子，再进行反傅里叶变换，即可的到频散补偿后的损伤散射信号
（6）
（7）
（8）
基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，其成像过程如下：
①频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号V(θ)。相位延迟叠加表达式如下：
（9）
式中，i和j分别表示激励和传感的压电传感器的编号；M为组成线形阵列的压电传感器的个数；为对每个压电传感器接收到的损伤散射信号附加的时间延迟。
（10）
②把每个角度上的合成信号V的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到多损伤成像结果。
本实施例采用铝板作为待测结构，尺寸为1000mm×1000mm×2mm（长×宽×厚），在结构中布置8个压电传感器，压电传感器直径为8mm，厚度为0.48mm，其中0 -- 6号压电传感器组成一个线形传感器阵列，相邻两个压电传感器的中心间距为12mm。以压电阵列中心位置为原点，所在直线为横轴，压电传感器标号由小到大的方向为正方向，建立坐标系。在纵轴离压电阵列中心180mm处布置7号压电传感器，用来测量结构的波数曲线和超声波信号的群速度。压电传感器阵列及损伤位置如图1所示。下面将以实际损伤点位置为P 1（100°，270mm）和P 2（100°，350mm）即笛卡尔坐标为P 1（-49mm，266mm）和P 2（-61mm，345mm）例给出本发明对多损伤成像的实现过程。
选择中心频率为40kKHz的正弦调制信号作为激励信号，如图2所示。以健康状态下采集的响应信号为基准，将损伤状态下的响应信号与之相比较，得到各压电传感器对应的损伤散射信号。如图3所示，是1号压电传感器作为激励，6号压电传感器作为响应时的健康信号、损伤信号和损伤散射信号。损伤散射信号中与激励信号相同位置的波形信号是实验仪器产生的串扰，后面的是损伤的散射信号，但两个损伤的散射信号混叠在一起，难以对两个损伤进行辨别。图4为超声相控阵技术对损伤的成像结果，从图中较难判别损伤的具体数量和位置。
本实施例的基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法的实施流程如图5所示，具体如下，分为监测准备过程和在线监测过程。
1、在监测准备过程中：
（1）测量波数曲线
选择中心频率为40kHz的5波峰调制正弦信号作为激励信号输入到3号压电传感器，使其在结构中激发超声波信号，7号压电传感器对超声波信号响应。从响应信号上加载矩形窗来提取所选超声波的直达波。按照公式（1）：和公式（2）：计算得到波数曲线，如图6中实线所示。
（2）测量超声波信号群速度
选择中心频率为40kHz的5波峰调制正弦信号作为激励信号输入到3号压电传感器，使其在结构中激发超声波信号，7号压电传感器对超声波信号响应，按照公式（3）：计算求得群速度为1621m/s。
（3）获取结构处于健康状态下的压电传感器响应信号作为健康信号。激励信号中心频率为40kHz。
2、在线监测过程中：
（1）获取压电传感器响应信号作为损伤信号。
（2）通过健康信号和损伤信号之差得到损伤散射信号，典型的损伤散射信号如图8所示。
（3）按照图7的流程对线形压电传感器阵列中的每个压电传感器对应的损伤散射信号使用线性映射频散补偿方法进行频散补偿。按照公式（4）：得到的测量波数曲线对应的线性波数曲线如图6中的虚线所示。补偿结果如图8所示。从图8中可以看出，信号波包得到了压缩，波包在时域上的持续时间变短，信号的能量更加集中，能较明显的区分出两个损伤的散射信号。
（4）按照公式（9）：和公式（10）：对频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号V(θ)，是扫描角度100°方向上经过频散补偿和延时处理的0 -- 6号压电传感器作为激励时对应的损伤散射信号的合成信号，i=0,1,…,6和最终的合成信号V(θ)，如图9所示。
（5）把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果，如图10所示。与图4相比，根据图10的成像结果可以很容易且明确的判别两个损伤并分别对其进行定位。最终监测结果为极坐标为P 1（104°，281mm）和P 2（104°，366mm）即笛卡尔坐标为P 1（-58mm，273mm）和P 2（-72mm，355mm），损伤位置判别的误差小于2cm。
Claims (1)
1.一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，其特征在于，将线性映射频散补偿方法和压电超声相控阵成像方法相结合，首先使用线性映射的频散补偿方法对损伤散射信号进行处理，使信号波包得到了压缩，信号的能量更加集中，波包在时域上的持续时间变短；其次，频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号，再把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果，具体步骤如下：
在被监测结构上布置M+1个压电传感器，其中M个压电传感器组成线形阵列，编号从0到M-1，M为整数，其取值范围为5至21；另外一个压电传感器布置在距离线形阵列中心位置150mm至300mm的范围内，编号为M，然后分为监测准备过程和在线监测过程：
A、监测准备过程：
（1）测量超声波在结构中传播的波数曲线 ，选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，从响应信号上加载矩形窗来提取超声波信号的直达波，则波数曲线计算为
（1）
其中为响应信号中直达波包和激励信号波包的相位差，L为信号传播距离，计算为
（2）
其中表示，表示激励信号的频率响应，表示提取直达波后的响应信号的频率响应的实部，表示的虚部，为反正切函数；
范围为-π～π；
（2）群速度测量
选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，则信号传播的群速度按如下公式计算：
（3）
其中，为激励信号峰值相对于采样零点的时间，为响应信号直达波峰值相对于采样零点的时间，为信号传播距离；
（3）获取结构处于健康状态下的压电传感器响应信号作为健康信号
在健康状态下，扫查0°～180°范围内，0 -- M-1号压电传感器之间采用轮循的方式采集各压电传感器的响应信号，即当其中一个压电传感器作为驱动器时，其他几个压电传感器则作为传感器进行响应，这些响应信号作为健康信号，激励信号的中心频率为；
B、在线监测过程中：
（1）获取压电传感器响应信号作为损伤信号
扫查0°～180°范围内，采用轮循的方式，在有损伤状态下采集0 -- M-1号压电传感器的响应信号作为损伤信号，激励信号的中心频率为；
（2）通过健康信号和损伤信号之差得到损伤散射信号，其中i和j分别表示激励和传感的压电传感器的编号；
（3）使用线性映射频散补偿方法对损伤散射信号进行频散补偿
①将损伤监测中采用的正弦调制激励信号进行傅里叶变换，得到其对应频域响应；
②将损伤散射信号进行傅里叶变换，得到其频谱响应；
③对波数曲线进行线性化：把波数曲线在激励信号的中心角频率处进行泰勒级数展开并保留到一次项得到线性化的波数曲线
（4）
为处的相速度，为中心频率为的窄带信号的群速度，表示线性化波数曲线的常数项，表示线性化波数曲线的1次比例项，表示正弦调制激励信号的角频率，表示激励信号的中心角频率；
④求取线性化波数下的损伤散射信号
根据线性化前后的波数，把每个角频率ω改变为
（5）
其中为测量波数曲线的逆函数，对线性化波数下的损伤散射信号频谱进行插值处理，得到损伤散射信号插值处理后的频谱；为了消除插值处理对激励信号频谱的影响，需要在后面乘以补偿因子，再进行反傅里叶变换，即频散补偿后的损伤散射信号
（6）
（7）
（8）
（4）频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号V(θ)
（9）
式中，i和j分别表示激励和响应的压电传感器的编号，为损伤散射信号接收过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；为损伤散射信号的时间；为对每个压电传感器接收到的损伤散射信号附加的时间延迟
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| CN102998370A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-03-27 | 南京邮电大学 | 一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法 |
-
2013
- 2013-06-06 CN CN201310222815.XA patent/CN103344709B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2293058A1 (en) * | 2009-09-08 | 2011-03-09 | Honeywell International Inc. | Lamb wave dispersion compensation for the EUSR approach for ultrasonic beam steering |
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| CN102998370A (zh) * | 2012-12-14 | 2013-03-27 | 南京邮电大学 | 一种工程结构无基准Lamb波时间反转损伤监测方法 |
Non-Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103344709A (zh) | 2013-10-09 |
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