CN104181235A - 一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置。该方法包括：接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中n为大于或等于3的整数；对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理以得到反转信号；提取所述反转信号的包络线信号；根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为待测结构的声发射源位置。本发明提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置，通过虚拟时间反转处理，把声发射信号中与单个压电片相关的不确定的绝对波达时间转换为与两个压电片相关的确定的波达时间差，便于实现高精度快速成像定位，无需确定声发射信号的波达时间，无需校准压电传感器性能，对先验数据依赖性低。

Description

一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置

技术领域

本发明涉及声发射信号处理技术，尤其涉及一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置。

背景技术

声发射又称为应力波发射，是材料或零部件受外力作用产生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。在内部环境下，金属结构疲劳裂纹的萌生和扩展、复合材料中的纤维断裂、界面破坏、纤维拉出等会产生声发射，在外部环境下，结构被撞击诱发应力波的现象也被归类为声发射。

随着对结构安全性和可靠性要求的日益提高，结构健康监测逐渐受到重视，它具有主动和被动两种实现方式。声发射监测技术属于被动的结构健康监测方法。该监测技术由无损检测中经典的声发射检测技术发展而来，已广泛地应用在石油化工、电力工业、航天和航空工业等领域，其中，声发射监测的重要功能是确定声发射源的位置，称为源定位或声发射定位。声发射定位对于结构损伤的实时监测和撞击后复合材料结构状态的评估具有十分重要的意义。

现有技术中，声发射的定位方法有很多种，例如，基于声发射信号波达时间的声发射几何定位法、基于系统识别的声反射定位方法和能量加权定位法。其中，基于声发射信号波达时间的声发射几何定位法需要具体确定声发射信号的波达时间，在实际应用中，定位结果的准确性容易受到环境噪声、声发射信号传播中的频散效应、能量衰减和其它信号反射等因素影响；基于系统识别的声反射定位方法需要事先确定模型参数，对先验数据依赖性较大；能量加权定位法在应用前为了保证定位结果的准确性，需要进行传感器性能校准。

最近，研究者们基于时间反转理论提出了多种声发射定位方法，可分为两种实现方式。第一种方式利用时间反转的信号重构过程来定位声发射源，但在定位前要进行大量实验测量被测结构各点的传递函数，实现过程复杂；第二种方式通过时间反转聚焦成像实现定位，在成像中需要针对各个像素点对所有声发射信号进行时间反转聚焦处理，计算量较大。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置，以解决现有技术中的缺陷。

本发明提供了一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法，包括：

接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中，n为大于或等于3的整数；

对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

提取所述反转信号的包络线信号；

根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置。

本发明提供了一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置，包括：

信号接收模块，用于接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中，n为大于或等于3的整数；

信号反转模块，用于对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

包络线提取模块，用于提取所述反转信号的包络线信号；

信号成像模块，用于根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置。

本发明提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法和装置，通过虚拟时间反转处理，具有如下技术效果：(1)可对结构损伤和外部撞击引起的声发射事件进行被动成像定位，而无需具体确定声发射信号的波达时间，便于实现；(2)把声发射信号中与单个压电片相关的不确定的绝对波达时间，转换为与两个压电片相关的确定的波达时间差，便于实现高精度快速成像定位；(3)无需校准压电传感器性能，对先验数据依赖性低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置的结构示意图；

图3(a)为本发明实施例三碳纤维复合材料板上的压电片和冲击源的分布示意图；

图3(b)为本发明实施例三碳纤维复合材料板上的压电片P₅采集的声发射信号v₅(t)的波形图；

图3(c)为本发明实施例三碳纤维复合材料板上的压电片P₆采集的声发射信号v₆(t)的波形图；

图3(d)为本发明实施例三碳纤维复合材料板上的压电片P₅和P₆采集的声发射信号进行虚拟时间反转处理结果v₅₆(t)的示意图；

图3(e)为本发明实施例三从虚拟时间反转处理结果v₅₆(t)中提取的A₀单模式窄带信号的波形图；

图3(f)为本发明实施例三从虚拟时间反转处理结果v₅₆(t)中提取的A₀单模式窄带信号包络S₅₆(t)的波形图；

图3(g)为本发明实施例三碳纤维复合材料板上冲击引起的声发射事件成像结果的示意图；

图4(a)为本发明实施例四铝板上压电片和断铅位置的分布示意图；

图4(b)为本发明实施例四铝板上压电片P₂采集的声发射信号v'₂(t)的波形图；

图4(c)为本发明实施例四铝板上压电片P₅采集的声发射信号v'₅(t)的波形图；

图4(d)为本发明实施例四铝板上的压电片P₂和P₅采集的声发射信号进行虚拟时间反转处理结果v'₂₅(t)的示意图；

图4(e)为本发明实施例四从虚拟时间反转处理结果v₅₆(t)中提取的A₀单模式窄带信号的示意图；

图4(f)为本发明实施例四从虚拟时间反转处理v'₂₅(t)中提取的A₀单模式窄带信号包络S'₂₅(t)的波形图；

图4(g)为本发明实施例四铝板上断铅引起的声发射事件成像结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1所示，为本发明实施例一提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法的流程图，本实施例的技术方案适用于基于声发射被动成像方法对待测结构进行被动监测的情况。待测结构可以为任意结构的发生损伤而需要监测的部件，典型的如易于产生疲劳裂纹的航空铝板结构或易于受到外部冲击的航空复合材料，例如机翼板、结构梁等。在监测之前，可在待检测结构上设置压电片阵列等能够将结构的机械振动转换为电信号的传感器。若待测结构的部件产生损伤，则损伤部位会产生声发射信号，从而被压电片采集。压电片采集到的声发射信号可基于本实施例提供的基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法进行处理，以识别损伤部位。该方法可以由基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，配置在计算机中执行。

如图1所示实施例一，该方法的步骤如下：

步骤110、接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中，n为大于或等于3的整数；

所述n个压电片会根据声波信号的大小频率发生振动而产生相应的电信号，其分布在所述待测结构中或设置在容易出现结构损伤的位置，其中，n≥3。

当所述待测结构产生损伤而发出声发射源弹性波信号，第i个压电片采集声发射信号v_i(t)，其中，i=1,2，…，n，所述压电片采集的时间窗口长度为T，时间窗口长度应满足所有压电片能完整采集声发射信号。

该步骤基于压电材料的压电效应：将压电片贴在待测结构表面或嵌入待测结构内部，利用压电片的压电效应灵敏感知声发射信号，该声发射信号的初始来源是待测结构因为外部力量施加作用力或待测结构产生裂纹而其损伤部位发生的声发射源信号，从而再通过对压电片采集的声发射信号进行后续处理以实现对待测结构的声发射源的定位检测。

步骤120、对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

上述步骤中，虚拟时间反转处理是将一个压电片采集的声发射信号处理之后叠加至另一压电片采集的声发射信号上，获取该两个压电片的声发射信号的相对特征参数，从而避免对声发射信号的绝对特征参数的求取或确认。此类处理的具体手段有多种，以下提供一种优选的实现方式：

把步骤110中第i个压电片采集的声发射信号v_i(t)进行时域反转，得到所述第i个压电片的时域反转声发射信号v_i(T-t)，其中，i=1,2，…，n，T为上述的采集时间窗口长度；

将所述第i个压电片的时域反转声发射信号v_i(T-t)与第j个压电片的声发射信号v_j(t)进行卷积运算，得到所述第i个压电片和所述第j个压电片的声发射信号的反转信号v_ij(t)

$v_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=v_i(T-t)\⊗v_j\left(t\right)$

其中为卷积运算符，j=1,2，…，n且i≠j。所述反转信号v_ij(t)就是对应于压电片P_i和P_j的声发射信号的虚拟时间反转处理结果。选择所有任两个压电片的声发射信号进行类似处理，可实现对所有压电片的声发射信号的虚拟时间反转处理。

该步骤基于换元激励和接收机制的物理时间反转过程，对n个压电片采集的声发射信号进行时域反转和卷积运算，实现了虚拟时间反转处理。通过该虚拟时间反转处理过程，把声发射信号中与单个压电片相关的不确定的绝对波达时间转变为与两个压电片相关的确定的波达时间差，消除了无法确定声发射源信号绝对传播时间的隐患。

步骤130、提取所述反转信号的包络线信号；

上述步骤中，反转信号可以是多模式、单模式。而且，每个模式具有不同的幅频响应。在此优选是针对单模式进行检测，目的在于简化分析过程以及消除多模特性对所述声发射信号的影响。具体执行过程如下：

根据所述待测结构特点选择并确定对应的声发射信号传播的某一单模式，并利用所述单模式确定对应的中心频率；设定该中心频率和相应的频率段，从所述反转信号中提取单模式包络线信号。中心频率和频率段是与各种模式对应，可以通过经验值预设。

通过上述操作，进一步过滤获得单模式的声发射信号的反转信号，能够去除信号干扰，提高监测结果的准确性。从所述反转信号，也就是所有压电片声发射信号的虚拟时间反转处理结果中提取全部包络线信号S_ij(t)(i=1，2，…，n；j=1，2，…，n；i≠j)，该包络线信号为单模式包络线信号。

优选地，步骤130中，提取的单模式包络线信号一般为基本对称模式（S₀）或反对称模式（A₀）的窄带Lamb波信号包络。

该步骤基于对包络线信号进行分析可实现在噪声信号中提取有用信号的特性，通过提取所述反转信号中的包络线信号来查找识别声发射源发出的直达信号，以实现对声发射源的定位，具有无需校准压电传感器性能，对先验数据依赖性低的优点。

步骤140、根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置；

上述步骤中进行成像处理的原因在于，通过步骤120～130的处理使得进行声发射被动成像时无需具体确定各压电片所接收声发射信号的波达时间和仅需要所提取包络线信号对应的单模式在结构中的传播速度，不要求校准各压电片性能，对先验数据依赖性小，因此优选成像处理。具体执行方式如下：

把步骤130中提取的全部单模式包络线信号按照如下像素值公式，计算所述待测结构中各坐标点的像素值：

$E(x,y)={\left[\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2$

其中，E(x，y)为被测结构中(x，y)坐标点的像素值，S_ij(t)为单模式包络线信号，t_ij(x，y)为：

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}$

其中，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为所述压电片P_i和P_j在所述待测结构中的坐标值，c_g0为包络线信号所对应模式在所选中心频率下的传播速度；

将所述待测结构中所有坐标点的像素值进行归一化，得到成像结果，结果中像素值较大的亮点对应为声发射源位置。

该步骤根据所述包络线信号基于延迟叠加算法实现对声发射源的高精度快速被动成像，具有算法简单、成像速度快和自动聚焦的优势。

本发明实施例一提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法，可对结构损伤和外部撞击引起的声发射事件直接进行被动成像定位，通过虚拟时间反转处理，对各压电片接收的声发射信号进行时间翻转和卷积运算，部分补偿声发射信号中的频散效应并保留了时间信息，把声发射信号中与单个压电片相关的不确定的绝对波达时间转变为与两个压电片相关的确定的波达时间差，消除了无法确定声发射源信号绝对传播时间给成像带来的困扰；并且，通过从声发射信号处理结果中提取出单模式包络线信号，利用该包络线信号基于简单的延迟叠加算法高精度快速实现对声发射源的自动聚焦成像以实现声发射源定位，而无需具体求取所有声发射信号的波达时间，便于实现；在声发射被动成像时无需计算各压电片所接收声发射信号的波达时间以及仅需要所提取信号包络模式在结构中的传播速度，具有不要求校准各压电片性能和对先验数据依赖性小的优点。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置的结构示意图，该装置包括：信号接收模块210、信号反转模块220、包络线提取模块230和信号成像模块240。

其中，信号接收模块210用于接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，n为大于或等于3的整数；信号反转模块220用于对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；包络线提取模块230用于提取所述反转信号的包络线信号；信号成像模块240用于根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置。

该方法无需具体确定声发射信号的波达时间，无需校准压电传感器性能，对先验数据依赖性低，计算简单，可对待测结构的损伤自动、快速高精度成像定位，提高了待测结构的安全性，降低维护费用和延长使用寿命。

上述装置，优选是信号反转模块220包括：时域反转单元221和卷积计算单元222。

其中，时域反转单元221用于对第i个压电片采集的声发射信号v_i(t)进行时域反转，得到所述第i个压电片的时域反转声发射信号v_i(T-t)，其中，i=1,2，…，n，T为压电片的采集时间窗口长度；卷积计算单元222用于将第i个压电片的时域反转声发射信号vi(T-t)与第j个压电片的声发射信号v_j(t)进行卷积运算，得到所述第i个压电片和所述第j个压电片的声发射信号的反转信号v_ij(t)，其中，j=1,2，…，n且j≠i。

上述装置，优选是包络线提取模块230包括：中心频率确定单元231和包络线提取单元232。

其中，中心频率确定单元231用于根据所述待测结构确定对应的声发射信号传播模式，并根据所述模式确定对应的中心频率；包络线提取单元232用于根据所述中心频率和预设频率段，从所述反转信号中提取单模式包络线信号。

优选地，所述单模式包括基本对称模式或反对称模式。

上述装置，优选是信号成像模块240具体用于：

根据所述包络线信号按照如下公式计算所述待测结构中各坐标点的像素值：

$E(x,y)={\left[\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2$

其中，E(x，y)为被测结构中(x，y)坐标点的像素值，S_ij(t)为单模式包络线信号，t_ij(x，y)为：

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}$

其中，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为压电片P_i和P_j的坐标值，c_g0为包络线信号所对应模式在所选中心频率下的传播速度；

将所述待测结构中所有坐标点的像素值进行归一化，得到成像结果，结果中像素值较大的亮点对应为声发射源位置。

实施例三

参考图3(a)～(g)所示，为本发明实施例三提供的一种碳纤维复合材料板基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法进行结构监测的具体示意图。本实施例采用碳纤维复合材料板作为待测结构，尺寸为600mm×300mm×2.25mm，碳纤维铺层的材料为T300/QY8911，厚度为0.125mm，铺层顺序为[45/0/-45/90/0/45/0/-45/0]_2S，在碳纤维复合材料板结构中布置有6个压电片P₁～P₆组成压电传感阵列，声发射是利用普通机械弹簧冲击锤模拟结构外部冲击使碳纤维复合材料板产生声发射信号。

本实施例基于虚拟时间反转处理的声发射被动成像方法，对碳纤维复合材料板结构损伤引起的声发射事件进行快速高分辨成像定位，无需确定声发射信号的波达时间，计算简单。

步骤310、碳纤维复合材料板上的压电片采集声发射信号；

上述步骤中，以碳纤维复合材料板的结构中心为坐标原点建立直角坐标系，布置在碳纤维复合材料板上的压电片P₁～P₆在坐标系中的分布情况和位置分别如图3(a)和表1所示。利用普通机械弹簧冲击锤对碳纤维复合材料板进行外部冲击，该被冲击的源是声发射源，冲击源在坐标系中的分布情况和位置分别如图3(a)和表1所示。

冲击源发出声发射源信号，该信号在介质中传播发生散射后形成声发射信号，压电片P₁～P₆被动采集冲击引起的声发射信号v₁(t)～v₆(t)，采集点数3000个，采样率为1MHz，采集的时间窗口长度T为3000μs。图3(b)和3(c)分别为碳纤维复合材料板中压电片P₅和压电片P₆采集的声发射信号v₅(t)和v₆(t)。

表1碳纤维复合材料板中压电片和冲击源的坐标位置(单位：mm)

P1	(100，200)	P5	(-100，0)
				P2	(100，0)	P6	(-100，-200)
P3	(100，-200)	I	(50，-50)
				P4	(-100，200)

步骤320、对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

上述步骤中，选择所有任两个压电片的声发射信号进行虚拟时间反转处理，根据声信号传播的互惠原则，可得到15个不同的声发射信号虚拟时间反转结果vi_j(t)(i=1,2,…,6；j=1,2,…,6；i≠j)。

以压电片P₅和P₆采集的声发射信号v₅(t)和v₆(t)为例，对v₅(t)进行时域反转得到v₅(T-t)，将v₅(T-t)与v₆(t)进行卷积运算得到声发射信号的虚拟时间反转处理结果v₅₆(t)，其中图3(d)为压电片P₅和P₆采集的声发射信号进行虚拟时间反转处理的结果v₅₆(t)。

步骤330、提取所述反转信号的包络线信号；

上述步骤中从v_ij(t)中提取包络线信号，由于v_ij(t)为宽带信号且多模特性使其较为复杂，为了简化分析过程和消除多模特性对声发射信号的影响，故优选A₀单模式窄带信号的包络线信号作为提取对象，因此选择中心频率为50kHz。

以v₅₆(t)为例，从其中提取50kHz中心频率下的A₀单模式窄带信号，该A₀单模式窄带信号如图3(e)所示，对图3(e)的A₀单模式窄带信号进行包络运算得到包络线信号S₅₆(t)如图3(f)所示，从图3(e)和3(f)中可明显看到对应于冲击源的声发射信号波包。

对步骤320得到的其他14个声发射信号虚拟时间反转结果进行类似处理，还可得到14个A₀单模式窄带信号包络线信号S_ij(t)(i=1,2,…,6；j=1,2,…,6；i≠j)。

优选地，单模式窄带信号包络还可以为基本对称（S₀）模式的窄带Lamb信号包络。

步骤340、根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置；

上述步骤中，测得中心频率50kHz的A₀单模式窄带信号在碳纤维复合材料板结构中各个方向传播的平均群速度c_g0为1.52km/s，利用步骤330已知所有A₀模式窄带信号包络S_ij(t)，将c_g0、T和S_ij(t)代入下列公式(1)和(2)中，可求得碳纤维复合材料板结构中各坐标点的像素值：

$E(x,y)={\left[\frac{1}{15}\underset{i=1}{\mathrm{\Σ}}\underset{j=i+1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2---\left(1\right)$

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}---\left(2\right)$

将所有像素值进行归一化，被动成像后得到成像结果，成像结果如图3(g)所示，图中的亮点对应为冲击源I通过成像处理得到的位置，其对应的坐标点为[47mm，-49mm]。已知冲击源I的真实位置对应的坐标点为[50mm，-50mm]，如图3(g)中“X”所示，由此可知，两者基本一致。

实施例四

参考图4(a)～(g)所示，为本发明实施例四提供的一种铝板材料基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法进行结构监测的具体示意图。本实施例采用LY21易于产生疲劳裂纹的铝板作为待测结构，尺寸为2000mm×1200mm×2.25mm，检测区域为左上角的矩形区域，尺寸为1100mm×1200mm，在铝板的检测区域布置有9个压电片P₁～P₉组成压电传感阵列，声发射是通过断铅模拟铝板内疲劳裂纹萌生或扩展引起的声发射。

本实施例基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法，对铝板内疲劳裂纹引起的声发射事件进行快速高精度成像定位，无需确定声发射信号的波达时间，计算简单。

步骤410、铝板检测区域上的压电片采集声发射信号；

上述步骤中，以铝板检测区域中心为坐标原点建立直角坐标系，则压电片和断铅位置A在坐标系中的分布情况及其位置分别见图4(a)和表2。

通过断铅在铝板中模式内部损伤引起的声发射，压电片P₁～P₉采集声发射信号v₁(t)～v₉(t)，采集点数3000个，采样率为1MHz，采集的时间窗口长度为3000μs。图4(b)和4(c)分别为压电片P₂和P₅采集的声发射信号v'₂(t)和v'₅(t)。

表2铝板中压电片和断铅位置的坐标（单位：mm）

P1	(-450，-490)	P6	(0，490)
				P2	(-450，0)	P7	(450，-490)

P3	(-450，490)	P8	(450，0)
				P4	(0，-490)	P9	(450，490)
P5	(0，0)	A	(0，70)

步骤420、对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

上述步骤中，选择所有任两个压电片的声发射信号进行虚拟时间反转处理，共得到36个不同的声发射信号虚拟时间反转结果。

以声发射信号v'₂(t)和v'₅(t)为例，由公式得到虚拟时间反转处理结果v'₂₅(t)，图4(d)所示为v'₂(t)和v'₅(t)的虚拟时间反转处理结果v'₂₅(t)；

步骤430、提取所述反转信号的包络线信号；

上述步骤中，优选A₀单模式窄带信号的包络线信号作为提取对象，因此选择的中心频率为40kHz。

以v'₂₅(t)为例，如图4(e)所示为提取v'₂₅(t)在40kHz下的A₀单模式窄带信号，该A₀单模式窄带信号进行取包络运算得到的A₀模式窄带信号包络线信号S'₂₅(t)如图4(f)所示。从图4(e)和4(f)中可明显看到对应于断铅引起的声发射信号波包。

对步骤420得到的其它35个声发射信号虚拟时间反转结果进行类似处理，还可得到35个A₀模式窄带信号包络线信号S'_ij(t)(i=1,2,…,9；j=1,2,…,9；i≠j)。

优选地，单模式窄带信号包络还可以为基本对称（S₀）模式的窄带Lamb信号包络。

步骤440、根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置；

上述步骤中，测得40kHz的A₀模式窄带信号在铝板结构中传播的群速度c'_g0为1.56km/s，利用步骤430已知所有A₀模式窄带信号包络S'_ij(t)，基于公式(3)和(4)，可求得铝板检测区域结构中各坐标点的像素值：

$E^{\′}(x,y)={\left[\frac{1}{36}\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{\mathrm{ij}}^{\′}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2---\left(3\right)$

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}---\left(4\right)$

将所有像素值进行归一化，被动成像后得到成像结果，成像结果如图4(g)所示，图中的亮点对应为断铅A通过成像处理得到的位置，其对应的坐标点为[6mm,72mm]。已知“X”为断铅A处的真实位置，其对应的坐标点为[0mm,70mm]，两者基本一致。

本发明实施例提供的基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置可用于执行本发明任意实施例提供的基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法，具备相应的功能和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像方法，其特征在于，包括：

接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中，n为大于或等于3的整数；

对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

提取所述反转信号的包络线信号；

根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号，包括：

对第i个压电片采集的声发射信号v_i(t)进行时域反转，得到所述第i个压电片的时域反转声发射信号v_i(T-t)，其中，i=1,2，…，n，T为所述压电片的采集时间窗口长度；

将所述第i个压电片的所述时域反转声发射信号v_i(T-t)与第j个压电片的声发射信号v_j(t)进行卷积运算，得到所述第i个压电片和所述第j个压电片的声发射信号的反转信号v_ij(t)，其中，j=1,2，…，n且j≠i。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提取所述反转信号的包络线信号包括：

根据所述待测结构确定对应的声发射信号传播模式，并根据所述模式确定对应的中心频率；

根据所述中心频率和预设频率段，从所述反转信号中提取单模式包络线信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述单模式包括基本对称模式或反对称模式。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置包括：

根据所述包络线信号按照如下公式计算所述待测结构中各坐标点的像素值：

$E(x,y)={\left[\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2$

其中，E(x，y)为被测结构中(x，y)坐标点的像素值，S_ij(t)为单模式包络线信号，t_ij(x，y)为：

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}$

其中，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为所述压电片P_i和P_j的坐标值，c_g0为包络线信号所对应模式在所选中心频率下的传播速度；

将所述待测结构中所有坐标点的像素值进行归一化，得到成像结果，结果中像素值较大的亮点对应为声发射源位置。

6.一种基于虚拟时间反转的声发射被动成像装置，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收设置在待测结构上的n个压电片采集的n个声发射信号，其中，n为大于或等于3的整数；

信号反转模块，用于对所述声发射信号进行虚拟时间反转处理，以得到反转信号；

包络线提取模块，用于提取所述反转信号的包络线信号；

信号成像模块，用于根据所述包络线信号进行成像处理，以得到峰值像素点位置，作为所述待测结构的声发射源位置。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号反转模块包括：

时域反转单元，用于对第i个压电片采集的声发射信号v_i(t)进行时域反转，得到所述第i个压电片的时域反转声发射信号v_i(T-t)，其中，i=1,2，…，n，T为所述压电片的采集时间窗口长度；

卷积计算单元，用于将所述第i个压电片的所述时域反转声发射信号v_i(T-t)与第j个压电片的声发射信号v_j(t)进行卷积运算，得到所述第i个压电片和所述第j个压电片的声发射信号的反转信号v_ij(t)，其中，j=1,2，…，n且j≠i。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述包络线提取模块包括：

中心频率确定单元，用于根据所述待测结构确定对应的声发射信号传播模式，并根据所述模式确定对应的中心频率；

包络线提取单元，用于根据所述中心频率和预设频率段，从所述反转信号中提取单模式包络线信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述单模式包括基本对称模式或反对称模式。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述信号成像模块具体用于：

根据所述包络线信号按照如下公式计算所述待测结构中各坐标点的像素值：

$E(x,y)={\left[\frac{2}{n(n-1)}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t_{\mathrm{ij}}(x,y)\right)\right]}^2$

其中，E(x，y)为被测结构中(x，y)坐标点的像素值，S_ij(t)为单模式包络线信号，t_ij(x，y)为：

$t_{\mathrm{ij}}(x,y)=T-(\sqrt{{(x_i-x)}^2+{(y_i-y)}^2}-\sqrt{{(x_j-x)}^2+{(y_j-y)}^2})/c_{g0}$

其中，(x_i，y_i)和(x_j，y_j)分别为所述压电片P_i和P_j的坐标值，c_g0为包络线信号所对应模式在所选中心频率下的传播速度；

将所述待测结构中所有坐标点的像素值进行归一化，得到成像结果，结果中像素值较大的亮点对应为声发射源位置。