CN104914162B - 相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统。该方法包括：采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；获取各压电片对的损伤散射信号；对损伤散射信号进行频域波束合成处理得到各扫查角度的波束合成信号频谱；基于波形修正的频散补偿算法对波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；利用波束合成信号进行损伤成像得到成像结果；从成像结果中提取被测结构的损伤信息。本发明既消除了频散效应对波束合成过程的影响，也避免了频散补偿处理后的波束合成信号波形发生畸变，便于信号解释和后续相控阵高分辨损伤成像，并可进一步定量化给出损伤位置和严重程度两种损伤信息。
Description
技术领域
本发明实施例涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统。
背景技术
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。相控阵损伤监测方法利用各扫查角度上波束合成的Lamb波监测信号，可快速对结构进行大面积虚拟全向扫描成像，给出结构损伤信息，受到损伤监测研究者的广泛关注。
然而，在实际应用相控阵损伤监测时，Lamb波频散特性很容易使信号波形发生扩展和变形，严重影响了相控阵波束合成过程，降低了相控阵成像结果的准确度和分辨率，并使后续损伤信息的定量化评估变得非常困难。
目前一般通过优化Lamb波监测信号以降低频散效应，但这种方法并不能完全消除频散效应的影响，并限制了监测信号中心频率的选择。为了较好消除频散效应对相控阵监测结果的影响，研究者们结合Lamb波频散补偿处理，提出了两种改进的相控阵波束合成方法。
第一种方法是在波束合成前，对各损伤散射信号进行时间－距离域映射的频散补偿处理，然后再进行波束合成，得到波束合成信号；或者先对损伤散射信号进行波束合成，然后对波束合成信号进行时间－距离域映射处理。
第二种方法则先对各损伤散射信号进行线性映射的频散补偿处理，然后将补偿后的散射信号进行时域波束合成。
上述第一种方法存在的缺陷在于：采用时间－距离域映射频散补偿方式，很容易引起波束合成信号的波形发生畸变，为后续信号分析和解释造成困难。
上述第二种方法虽然能恢复各散射信号中波包的包络形状，但无法使波包内部的初始相位保持一致，当监测范围扩大时，这种相位不一致性将无法忽略，从而降低后续时域波束合成的准确度。而且，当前相控阵损伤监测方法一般仅给出成像结果，较少定量化给出损伤位置和严重程度等信息。
发明内容
本发明实施例提供一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统，以优化相控阵损伤监测方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测方法，包括：
采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；
根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；
针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；
基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；
从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
第二方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测装置，包括：信号采集模块、波束合成处理模块和损伤识别模块；
其中，所述信号采集模块用于采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；
所述波束合成处理模块具体包括：损伤散射信号获取单元、频域波束合成单元和频散补偿处理单元；
所述损伤散射信号获取单元用于根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；
所述频域波束合成单元用于针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；
所述频散补偿处理单元用于基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
所述损伤识别模块具体包括：损伤成像单元和损伤信息提取单元；
所述损伤成像单元用于利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；
所述损伤信息提取单元用于从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
第三方面，本发明实施例提供了一种相控阵定量化损伤监测系统，包括：被测结构对应的压电密集阵和信号发生与采集器，还包括：本发明任意实施例提供的相控阵定量化损伤监测装置。
本发明实施例提供一种相控阵定量化损伤监测方法、装置和系统，通过频域波束合成和考虑波形修正的频散补偿处理，既消除了频散效应对波束合成过程的影响，又避免频散补偿处理后的波束合成信号波形发生畸变，便于信号解释和后续相控阵高分辨损伤成像；在高分辨损伤成像的基础上进一步进行了损伤信息提取，可直接定量化给出损伤位置和严重程度这两种损伤信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明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性的前提下，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相控阵定量化损伤监测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一的实例中铝板试件中压电片和模拟裂纹在直角坐标系中的分布情况；
图3为本发明实施例一的实例中的激励信号的示意图；
图4为本发明实施例一的实例中压电片P12中的损伤散射信号s12(t)(10mm裂纹)的示意图；
图5为本发明实施例一的实例中理论计算的原始波数K0(ω)的示意图；
图6为本发明实施例一的实例中的线性化波数Klin(ω)的示意图；
图7为本发明实施例一的实例中的频域插值弯折函数Ωlin(ω)的示意图；
图8为本发明实施例一的实例中损伤角度38°下先进行频域波束合成再进行考虑波形修正的频散补偿得到的结果glin(38°,t)(10mm裂纹)的效果图；
图9为现有技术中损伤角度38°下直接对损伤散射信号进行波束合成的结果g0(38°,t)(10mm裂纹)；
图10为现有技术中损伤角度38°下先进行时间－距离域映射频散补偿处理再进行波束合成得到的结果g1lin(38°,r)(10mm裂纹)；
图11为现有技术中损伤角度38°下先进行波束合成再进行时间－距离域映射频散补偿处理得到的结果g2lin(38°,r)(10mm裂纹)；
图12为现有技术中损伤角度38°下先进行线性映射频散补偿处理再进行波束合成得到的结果g3lin(38°,t)(10mm裂纹)；
图13为本发明实施例一的实例中的相控阵高分辨损伤成像结果(10mm裂纹)；
图14为本发明实施例一的实例中裂纹长度与尺度因子之间的变化曲线；
图15为本发明实施例二提供的一种相控阵定量化损伤监测装置的结构示意图；
图16为本发明实施例三提供的一种相控阵定量化损伤监测系统的结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案作进一步详细描述，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。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，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。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
请参阅图1，为本发明实施例一提供的一种相控阵定量化损伤监测方法的流程示意图。本发明实施例的方法可以由配置以硬件和/或软件实现的相控阵定量化损伤监测装置来执行，该实现装置可配置在包含有被测结构对应的压电密集阵和信号发生与采集器的相控阵定量化损伤监测系统中。
以对铝板结构中裂纹的相控阵定量化监测作为实例，对本发明实施例的方法进行说明。但本实施例中的被测结构并不限于实例中的铝板结构。
首先介绍该被测结构，为飞行器中常用的2024铝板结构，尺寸为1200mm×1000mm×2mm，材料参数见表1。在铝板中央布置有10个圆形压电片P1～P10(PZT5，直径为6.35mm，厚度为0.25mm)组成最基本的线性压电密集阵，压电片间距均为10mm。以线性压电密集阵中心为原点，密集阵所在直线为x轴，建立直角坐标系。在铝板右边沿垂直于边沿方向锯出不同长度的切槽(宽约为1mm，长度依次为5mm、7mm、10mm、16mm、25mm、35mm)，以模拟不同严重程度的裂纹损伤。压电片和模拟裂纹在坐标系中的分布如图2所示。将x轴上半部分的区域作为相控阵损伤扫查区域，相应的扫查角度范围为0～180°。
表1 2024铝板材料参数
该方法包括：步骤110～步骤160。
步骤110、采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号。
具体地，可以通过信号发生与采集器和被测结构对应的压电密集阵来实现Lamb波传感信号的采集。即，通过信号发生与采集器向被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对中作为激励器的压电片施加激励信号，并通过所述信号发生与采集器采集各压电片对中作为传感器的压电片输出的Lamb波传感信号。
步骤120、根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号。
该步骤具体可以包括：
将所采集的各压电片对的Lamb波传感信号与相应的参考信号进行差信号运算，或者所采集的各压电片对的Lamb波传感信号进行加窗截取，得到各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)；
其中，被测结构对应的压电密集阵由N个压电片组成，N为整数，且N≥3，所述被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对用Pmn(m＜n；m＝1,2,…,N；n＝1,2,…,N)表示，Pmn表示作为激励器的第m个压电片Pm和作为传感器的第n个压电片Pn组成的压电片对。
在实例中，在被测结构中布置10个压电片组成压电密集阵，如图2所示。
压电密集阵中共45个压电片对Pmn(m＜n；m＝1,2,…,9；n＝1,2,…,10)的Lamb波传感信号。其中，激励信号为中心频率为120kHz的三波峰正弦调制信号，如图3所示。该激励信号下的Lamb波传感信号以基本反对称模式(A0模式)为主，传感信号的采样率为10MHz，采样点数为10000个。
分别将各传感信号与相应的参考信号(结构在健康状态下采集的传感信号)进行差信号运算，得到密集阵45个压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)。图4给出了具有代表性的压电片对P12中对应于10mm长裂纹的损伤散射信号s12(t)，可看到由于频散效应，损伤散射信号非常复杂，从裂纹处反射过来的损伤散射波包几乎淹没在噪声中。
步骤130、针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱。
该步骤可具体包括：
通过傅立叶变换计算各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)；
利用下述公式，针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度θ，对各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)进行频域波束合成处理，得到每个扫查角度θ对应的波束合成信号频谱G(θ,ω)：
其中，ω为角频率，i为虚数，K0(ω)为Lamb波信号的波数，Δrmn(θ)为扫查角度θ下的smn(t)所需的距离延迟。
步骤140、基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号。
该步骤可具体包括：
利用下述公式，确定频域插值弯折函数：
其中为K0(ω)的逆函数，Klin(ω)为K0(ω)在信号中心频率ωc处的局部线性化结果，具体为：Klin(ω)＝K0(ωc)+(ω-ωc)/cg(ωc)，其中cg(ωc)为信号在ωc处的群速度；
对激励信号va(t)进行傅立叶变换，得到激励信号频谱Va(ω)；
利用下述公式计算每个扫查角度θ的频散补偿后的波束合成信号频谱：
Glin(θ,ω)＝G[θ,Ωlin(ω)]·Clin(ω)
其中Clin(ω)为波形修正因子，具体为Clin(ω)＝Va(ω)/Va[Ωlin(ω)]；
对频散补偿后的波束合成信号频谱Glin(θ,ω)进行逆傅立叶变换，得到每个扫查角度θ的补偿后的波束合成时域信号glin(θ,t)。
接上述实例，根据表1中的材料参数，数值计算出A0模式的波数K0(ω)，如图5所示，得到A0模式传感信号在中心频率120kHz处的群速度为2446.7m/s，再根据Klin(ω)＝K0(ωc)+(ω-ωc)/cg(ωc)，得到K0(ω)在中心频率处的线性化波数Klin(ω)，如图6所示。然后由确定频域插值弯折函数Ωlin(ω)，如图7所示。
对激励信号va(t)(如图3所示)进行傅立叶变换，得到激励信号频谱Va(ω)；
通过Glin(θ,ω)＝G[θ,Ωlin(ω)]·Clin(ω)计算得到频散补偿后的波束合成信号频谱，其中Clin(ω)为波形修正因子，通过Clin(ω)＝Va(ω)/Va[Ωlin(ω)]求取；
对频散补偿后的波束合成信号频谱Glin(θ,ω)进行逆傅立叶变换，得到频散补偿后的波束合成时域信号glin(θ,t)。图8为对应于10mm裂纹的损伤角度38°下的波束合成信号glin(38°,t)。由于通过频域波束合成和考虑波形修正的频散补偿处理，避免了频散效应对波束合成的影响，所以glin(38°,t)中523.3μs处的损伤散射波包得到再压缩，其波形与激励信号波形(见图3)类似，仍为一个三波峰调制正弦信号，具有较高的信噪比和分辨率，便于信号分析和后续相控阵成像。
为了便于对比，也通过其他波束合成算法计算出38°下的波束合成信号，分别如图9～图12所示。其中，图9为直接对损伤散射信号进行波束合成的结果g0(38°,t)，由于频散效应破坏了相控阵波束合成过程，使得g0(38°,t)中的损伤散射波包被抑制并完全淹没于噪声中。图10～图11为前面背景介绍中所述的第一种方法的计算结果。图10为先对各损伤散射信号进行时间－距离域映射的频散补偿处理，然后进行38°下的波束合成得到的距离域波束合成信号g1lin(38°,r)，图11则为先进行38°下的波束合成，再进行时间－距离域映射的频散补偿处理得到的结果g2lin(38°,r)。g1lin(38°,r)和g2lin(38°,r)基本相同，由于传统的时间－距离域映射处理未考虑波形修正，可看到信号中1300mm处的损伤散射波包虽然得到了部分再压缩，但是波包的波峰数由3个变成了6个，这种类似于频移的波形畸变将为信号解释和后续损伤成像增加困扰。图12为利用前面背景介绍中所述的第二种方法得到的波束合成信号g3lin(38°,t)，即先对损伤散射信号进行线性映射的频散补偿处理，然后进行38°下的波束合成得到的结果。由于线性映射处理不能保持波包内初始相位的一致性，在后面的时域波束合成中，将无法对损伤散射波包进行同相叠加增强，反而被抑制，从图12中可看到在相应的波达时刻523.3μs处并未出现明显损伤散射波包，波束合成结果发生错误。
步骤150、利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果。
该步骤可具体包括：
计算每个扫查角度θ的补偿后的波束合成信号glin(θ,t)的包络线gslin(θ,t)；
根据gslin(θ,t)将被测结构相控阵损伤扫查区域每个坐标点的像素值计算为：
E(x,y)＝gslin(θxy,txy)
其中E(x,y)为被测结构坐标点(x,y)的像素值，θxy为：
其中Arctan()为反正切函数，(x0,y0)为相控阵中心的坐标值，txy为：
图13为对10mm长裂纹进行相控阵成像的结果，结果中像素值较大的亮点区域准确对应于实际裂纹位置(如图13中的“X”所示)，成像分辨率和信噪比高。
步骤160、从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
该步骤可具体包括：
提取出像素值高于设定阈值的像素点；
将相连的像素点归类为同一个损伤点，并将每个损伤点的坐标计算为：
其中(XD,YD)为损伤点D的位置坐标，E(xi,yi)表示提取出的第i个坐标为(xi,yi)的像素点的像素值，N为提取出的对应于损伤点D的像素点个数；
利用下述公式，计算损伤点D的严重程度的尺度因子：
基于不同裂纹扩展状态下的相控阵高分辨率成像结果进行了定量化损伤信息提取，结果如表2所示，其中提取出的裂纹位置坐标计算值与实际值之间的误差定义为两者之间的直线距离，可看到该误差≤9.5mm，定位精度较高，而提取出的损伤尺度因子则随着裂纹扩展长度的增大而增大，两者之间的变化曲线具有较好的线性关系，如图14所示，便于后续进行裂纹扩展的定量化预测。
表2 对不同裂纹相控阵成像结果的定量化损伤信息提取结果
本实施例的技术方案，通过频域波束合成和考虑波形修正的频散补偿处理，既消除了频散效应对波束合成过程的影响，又避免频散补偿处理后的波束合成信号波形发生畸变，便于信号解释和后续相控阵高分辨损伤成像；在高分辨损伤成像的基础上进一步进行了损伤信息提取，可直接定量化给出损伤位置和严重程度这两种损伤信息。
实施例二
请参阅图15，为本发明实施例二提供的一种相控阵定量化损伤监测装置的结构示意图。该装置包括：信号采集模块210、波束合成处理模块220和损伤识别模块230。
其中，信号采集模块210用于采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号。
具体地，信号采集模块210可以通过信号发生与采集器和被测结构对应的压电密集阵来实现Lamb波传感信号的采集。即，通过信号发生与采集器向被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对中作为激励器的压电片施加激励信号，并通过所述信号发生与采集器采集各压电片对中作为传感器的压电片输出的Lamb波传感信号。
波束合成处理模块220具体包括：损伤散射信号获取单元221、频域波束合成单元222和频散补偿处理单元223。损伤散射信号获取单元221用于根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；频域波束合成单元222用于针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；频散补偿处理单元223用于基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号。
损伤识别模块230具体包括：损伤成像单元231和损伤信息提取单元232。损伤成像单元231用于利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；损伤信息提取单元232用于从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
在上述方案中，损伤散射信号获取单元221可具体用于：
将所采集的各压电片对的Lamb波传感信号与相应的参考信号进行差信号运算，或者所采集的各压电片对的Lamb波传感信号进行加窗截取，得到各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)；
其中，被测结构对应的压电密集阵由N个压电片组成，N为整数，且N≥3，所述被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对用Pmn(m＜n；m＝1,2,…,N；n＝1,2,…,N)表示，Pmn表示作为激励器的第m个压电片Pm和作为传感器的第n个压电片Pn组成的压电片对。
在上述方案中，频域波束合成单元222可具体用于：
通过傅立叶变换计算各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)；
利用下述公式，针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度θ，对各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)进行频域波束合成处理，得到每个扫查角度θ对应的波束合成信号频谱G(θ,ω)：
其中，ω为角频率，i为虚数，K0(ω)为Lamb波信号的波数，Δrmn(θ)为扫查角度θ下的smn(t)所需的距离延迟。
在上述方案中，频散补偿处理单元223可具体用于：
利用下述公式，确定频域插值弯折函数：
其中为K0(ω)的逆函数，Klin(ω)为K0(ω)在信号中心频率ωc处的局部线性化结果，具体为：Klin(ω)＝K0(ωc)+(ω-ωc)/cg(ωc)，其中cg(ωc)为信号在ωc处的群速度；
对激励信号va(t)进行傅立叶变换，得到激励信号频谱Va(ω)；
利用下述公式计算每个扫查角度θ的频散补偿后的波束合成信号频谱：
Glin(θ,ω)＝G[θ,Ωlin(ω)]·Clin(ω)
其中Clin(ω)为波形修正因子，具体为Clin(ω)＝Va(ω)/Va[Ωlin(ω)]；
对频散补偿后的波束合成信号频谱Glin(θ,ω)进行逆傅立叶变换，得到每个扫查角度θ的补偿后的波束合成时域信号glin(θ,t)。
在上述方案中，损伤成像单元231可具体用于：
计算每个扫查角度θ的补偿后的波束合成信号glin(θ,t)的包络线gslin(θ,t)；
根据gslin(θ,t)将被测结构相控阵损伤扫查区域每个坐标点的像素值计算为：
E(x,y)＝gslin(θxy,txy)
其中E(x,y)为被测结构坐标点(x,y)的像素值，θxy为：
其中Arctan()为反正切函数，(x0,y0)为相控阵中心的坐标值，txy为：
在上述方案中，损伤信息提取单元232可具体用于：
提取出像素值高于设定阈值的像素点；
将相连的像素点归类为同一个损伤点，并将每个损伤点的坐标计算为：
其中(XD,YD)为损伤点D的位置坐标，E(xi,yi)表示提取出的第i个坐标为(xi,yi)的像素点的像素值，N为提取出的对应于损伤点D的像素点个数；
利用下述公式，计算损伤点D的严重程度的尺度因子：
本发明实施例提供的相控阵定量化损伤监测装置可执行本发明任意实施例所提供的相控阵定量化损伤监测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例三
请参阅图16，为本发明实施例三提供的一种相控阵定量化损伤监测系统的结构示意图。该系统包括：被测结构对应的压电密集阵310和信号发生与采集器320，还包括：本发明任意实施例提供的相控阵定量化损伤监测装置330。
具体地，相控阵定量化损伤监测装置330可以通过信号发生与采集器和被测结构对应的压电密集阵来采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号。
在上述方案中，信号发生与采集器320可具体包括：信号发生单元、功率放大单元、多路选择单元、信号调理单元和信号采集单元。
其中，信号发生单元用于产生激励信号；功率放大单元用于对激励信号进行功率放大，经多路选择单元加载到被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对中作为激励器的压电传感器上；多路选择单元用于按照预设压电传感器扫查策略从压电密集阵包含的压电片对中依次选择作为激励器的压电传感器和作为传感器的压电传感器；信号调理单元用于对多路选择单元选择的作为传感器的压电传感器输出的Lamb波传感信号进行滤波和信号放大；信号采集单元用于采集信号调理单元输出的处理后的Lamb波传感信号。
本发明实施例提供的相控阵定量化损伤监测系统可执行本发明任意实施例所提供的相控阵定量化损伤监测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；实施例中优选的实施方式，并非对其进行限制，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种相控阵定量化损伤监测方法，其特征在于，包括：
采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；
根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；
针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；
基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；
从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号，包括：
将所采集的各压电片对的Lamb波传感信号与相应的参考信号进行差信号运算，或者所采集的各压电片对的Lamb波传感信号进行加窗截取，得到各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)；
其中，被测结构对应的压电密集阵由N个压电片组成，N为整数，且N≥3，所述被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对用Pmnm<n；m＝1,2,…,N；n＝1,2,…,N表示，Pmn表示作为激励器的第m个压电片Pm和作为传感器的第n个压电片Pn组成的压电片对。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱，包括：
通过傅立叶变换计算各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)；
利用下述公式，针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度θ，对各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)进行频域波束合成处理，得到每个扫查角度θ对应的波束合成信号频谱G(θ,ω)：
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</mrow>
其中，ω为角频率，i为虚数，K0(ω)为Lamb波信号的波数，Δrmn(θ)为扫查角度θ下的smn(t)所需的距离延迟。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号，包括：
利用下述公式，确定频域插值弯折函数：
<mrow>
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其中为K0(ω)的逆函数，Klin(ω)为K0(ω)在信号中心频率ωc处的局部线性化结果，具体为：Klin(ω)＝K0(ωc)+(ω-ωc)/cg(ωc)，其中cg(ωc)为信号在ωc处的群速度；
对激励信号va(t)进行傅立叶变换，得到激励信号频谱Va(ω)；
利用下述公式计算每个扫查角度θ的频散补偿后的波束合成信号频谱：
Glin(θ,ω)＝G[θ,Ωlin(ω)]·Clin(ω)
其中Clin(ω)为波形修正因子，具体为Clin(ω)＝Va(ω)/Va[Ωlin(ω)]；
对频散补偿后的波束合成信号频谱Glin(θ,ω)进行逆傅立叶变换，得到每个扫查角度θ的补偿后的波束合成时域信号glin(θ,t)。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果，包括：
计算每个扫查角度θ的补偿后的波束合成信号glin(θ,t)的包络线gslin(θ,t)；
根据gslin(θ,t)将被测结构相控阵损伤扫查区域每个坐标点的像素值计算为：
E(x,y)＝gslin(θxy,txy)
其中E(x,y)为被测结构坐标点(x,y)的像素值，θxy为：
其中Arctan()为反正切函数，(x0,y0)为相控阵中心的坐标值，txy为：
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息，包括：
提取出像素值高于设定阈值的像素点；
将相连的像素点归类为同一个损伤点，并将每个损伤点的坐标计算为：
<mrow>
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<mi>X</mi>
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</mrow>
其中(XD,YD)为损伤点D的位置坐标，E(xi,yi)表示提取出的第i个坐标为(xi,yi)的像素点的像素值，N为提取出的对应于损伤点D的像素点个数；
利用下述公式，计算损伤点D的严重程度的尺度因子：
<mrow>
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<mo>.</mo>
</mrow>
7.一种相控阵定量化损伤监测装置，其特征在于，包括：信号采集模块、波束合成处理模块和损伤识别模块；
其中，所述信号采集模块用于采集布置于被测结构中的压电密集阵各压电片对的Lamb波传感信号；
所述波束合成处理模块具体包括：损伤散射信号获取单元、频域波束合成单元和频散补偿处理单元；
所述损伤散射信号获取单元用于根据所采集的各压电片对的Lamb波传感信号，获取各压电片对的损伤散射信号；
所述频域波束合成单元用于针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度，对各压电片对的损伤散射信号进行频域波束合成处理，得到各扫查角度的波束合成信号频谱；
所述频散补偿处理单元用于基于波形修正的频散补偿算法，对各扫查角度的波束合成信号频谱进行频散补偿处理，得到各扫查角度的补偿后的波束合成信号；
所述损伤识别模块具体包括：损伤成像单元和损伤信息提取单元；
所述损伤成像单元用于利用各扫查角度的补偿后的波束合成信号进行损伤成像，得到成像结果；
所述损伤信息提取单元用于从所述成像结果中定量化提取所述被测结构的损伤信息。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，损伤散射信号获取单元具体用于：
将所采集的各压电片对的Lamb波传感信号与相应的参考信号进行差信号运算，或者所采集的各压电片对的Lamb波传感信号进行加窗截取，得到各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)；
其中，被测结构对应的压电密集阵由N个压电片组成，N为整数，且N≥3，所述被测结构对应的压电密集阵包含的压电片对用Pmnm<n；m＝1,2,…,N；n＝1,2,…,N表示，Pmn表示作为激励器的第m个压电片Pm和作为传感器的第n个压电片Pn组成的压电片对。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，频域波束合成单元具体用于：
通过傅立叶变换计算各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)；
利用下述公式，针对设定的相控阵损伤扫查区域内的各扫查角度θ，对各压电片对Pmn的损伤散射信号smn(t)的频谱Smn(ω)进行频域波束合成处理，得到每个扫查角度θ对应的波束合成信号频谱G(θ,ω)：
<mrow>
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</mrow>
</msup>
</mrow>
其中，ω为角频率，i为虚数，K0(ω)为Lamb波信号的波数，Δrmn(θ)为扫查角度θ下的smn(t)所需的距离延迟。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，频散补偿处理单元具体用于：
利用下述公式，确定频域插值弯折函数：
<mrow>
<msub>
<mi>&Omega;</mi>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mi>i</mi>
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<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
其中为K0(ω)的逆函数，Klin(ω)为K0(ω)在信号中心频率ωc处的局部线性化结果，具体为：Klin(ω)＝K0(ωc)+(ω-ωc)/cg(ωc)，其中cg(ωc)为信号在ωc处的群速度；
对激励信号va(t)进行傅立叶变换，得到激励信号频谱Va(ω)；
利用下述公式计算每个扫查角度θ的频散补偿后的波束合成信号频谱：
Glin(θ,ω)＝G[θ,Ωlin(ω)]·Clin(ω)
其中Clin(ω)为波形修正因子，具体为Clin(ω)＝Va(ω)/Va[Ωlin(ω)]；
对频散补偿后的波束合成信号频谱Glin(θ,ω)进行逆傅立叶变换，得到每个扫查角度θ的补偿后的波束合成时域信号glin(θ,t)。
11.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，损伤成像单元具体用于：
计算每个扫查角度θ的补偿后的波束合成信号glin(θ,t)的包络线gslin(θ,t)；
根据gslin(θ,t)将被测结构相控阵损伤扫查区域每个坐标点的像素值计算为：
E(x,y)＝gslin(θxy,txy)
其中E(x,y)为被测结构坐标点(x,y)的像素值，θxy为：
其中Arctan()为反正切函数，(x0,y0)为相控阵中心的坐标值，txy为：
12.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，损伤信息提取单元具体用于：
提取出像素值高于设定阈值的像素点；
将相连的像素点归类为同一个损伤点，并将每个损伤点的坐标计算为：
<mrow>
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<mi>X</mi>
<mi>D</mi>
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</mrow>
</mrow>
其中(XD,YD)为损伤点D的位置坐标，E(xi,yi)表示提取出的第i个坐标为(xi,yi)的像素点的像素值，N为提取出的对应于损伤点D的像素点个数；
利用下述公式，计算损伤点D的严重程度的尺度因子：
<mrow>
<mi>D</mi>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
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13.一种相控阵定量化损伤监测系统，包括：被测结构对应的压电密集阵、和信号发生与采集器，其特征在于，还包括：如权利要求7-12任一所述的相控阵定量化损伤监测装置。
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Family Applications (1)
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