CN109781840A - 一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固‑液/液‑固分层介质的目标定位方法；所述方法包括：根据发射阵元发射的声脉冲经分层界面到达目标的旅行时和目标散射到达接收阵元的旅行时计算旅行时差T；接收阵元提前T发射逆向声束，使得发射阵元到目标正向接收的旅行时等于逆向接收的旅行时，在空间中的每一个点对上将发射阵元到各个接收阵元的信号进行卷积叠加，得到每种目标散射信号的山峰状声场分布，叠加后得到总声场分布；其最大值对应的点为目标的位置。本发明的方法可以将多个信号进行区分，并且抑制界面信号的干扰，对于固‑液/液‑固分层介质能够实现目标的检测与定位。

Description

一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法

技术领域

本发明涉及介质分层的缺陷检测领域，特别涉及时间反转和逆时偏移混合法用于固-液的分层介质的缺陷检测与定位，具体涉及一种固-液/液-固分层介质的缺陷的定位方法。

背景技术

分层结构在军用和民用领域中的使用非常广泛，为防止事故的发生，其中的目标或缺陷必须进行检测。目前已经完成了时间反转和逆时偏移混合法用于液体与液体分层界面中的目标或缺陷的检测与定位的研究，该方法能有效地抑制液体分层界面的反射波。

由于固体与液体不同，存在着P波与S波，从而使上述方法较为复杂，不再适用。

发明内容

本发明的目的在于：通过对不同波形信号的处理得到不同的声场，对含有固体分层介质中的缺陷进行检测与定位。为了检验四种波形的定位准确性，可以将得到的声场对目标的位置可以进行互相的验证，并且通过不同声场的叠加的总声场来实现精确的定位。

为了实现上述目的，本发明提供了一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法；所述方法包括：

根据发射阵元发射的声脉冲经分层界面到达目标的旅行时和目标散射到达接收阵元的旅行时计算旅行时差T；接收阵元提前T发射逆向声束，使得发射阵元到目标正向接收的旅行时等于逆向接收的旅行时，在空间中的每一个点对上将发射阵元到各个接收阵元的信号进行卷积叠加，得到每种目标散射信号的山峰状声场分布，叠加后得到总声场分布；其最大值对应的点为目标的位置。

作为上述方法的一种改进，当分层介质为固-液时，所述方法具体包括：

步骤1)换能器的1个发射阵元发射一个声脉冲，接收阵元接收声脉冲经过固-液分层介质的四个反射信号以及声脉冲经过目标散射的散射信号；所述反射信号包括PP信号、PS信号、SP信号和SS信号；所述散射信号包括：SPS信号，PPS信号，SPP信号和PPP信号；

步骤2)将接收阵元接收到的每种散射信号进行时间反转处理后形成逆向声束，提前一个旅行时差将逆向声速发射出去；在发出逆向声束后的一个旅行时差之后，再利用发射阵元发射一个前向声束，

步骤3)对于每对发射阵元和接收阵元；执行步骤1)至步骤2)，在空间中的每一个点对上对所述散射信号的前向声束和逆向声束分别进行卷积操作得到声场值，形成四个山峰状声场分布；

步骤4)将四个山峰状声场分布进行叠加得到总声场分布，总声场分布中最大值对应的点为目标的位置。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)接收阵元j发射的接收信号经过时间反转后的逆向声束分别为：

SPS信号的逆向声束R_jss(t)为：

PPS信号的逆向声束R_jps(t)为：

SPP信号的逆向声束R_jsp(t)为：

PPP信号的逆向声束R_jpp(t)为：

其中，1≤j≤n，n为接收阵元的总数；a_1j1,a_1j2,a_1j3,a_1j4分别是PP信号，PS信号，SP信号，SS信号的界面反射系数，每个反射信号的旅行时分别是b_1j1,b_1j2,b_1j3,b_1j4分别为是SPS信号，PPS信号，SPP信号，PPP信号的散射系数；是发射阵元发射的信号经过界面到达目标的四种散射信号所用的旅行时；是从目标到接收阵元j的四种散射信号所需的旅行时；

SPS信号，PPS信号，SPP信号，PPP信号的旅行时差分别为：

步骤2-2)发射阵元发射的前向声束分别为：

SPS信号的前向声束F_ss(t)为：

PPS信号的前向声束F_ps(t)为：

SPP信号的前向声束F_sp(t)为：

PPP信号的前向声束F_pp(t)为：

作为上述方法的一种改进，所述声场值的计算过程为：

SPS信号的声场值：

其中，(x,z)为空间中任一点的坐标，F_ss(x,z,t)为F_ss(t)在(x,z)的表达式；R_jss(x,z,t)为R_jss(t)在(x,z)的表达式；

PPS信号的声场值：

其中，F_ps(x,z,t)为F_ps(t)在(x,z)的表达式；R_jps(x,z,t)为R_jps(t)在(x,z)的表达式；

SPP信号的声场值：

其中，F_sp(x,z,t)为F_sp(t)在(x,z)的表达式；R_jsp(x,z,t)为R_jsp(t)在(x,z)的表达式；

PPP信号的声场值：

其中，F_pp(x,z,t)为F_pp(t)在(x,z)的表达式；R_jpp(x,z,t)为R_jpp(t)在(x,z)的表达式。

作为上述方法的一种改进，当分层介质为液-固时，所述方法具体包括：

步骤1′)换能器的1个发射阵元发射一个声脉冲，接收阵元接收声脉冲经过液-固分层介质的反射信号以及声脉冲经过目标散射的散射信号；所述反射信号包括PP信号；所述散射信号包括：PSS信号、PPS信号、PSP信号和PPP信号；

步骤2′)将接收阵元接收到的每种散射信号进行时间反转处理后形成逆向声束，提前一个旅行时差将逆向声速发射出去；在发出逆向声束后的一个旅行时差之后，再利用发射阵元发射一个前向声束，

步骤3′)对于每对发射阵元和接收阵元；执行步骤1)至步骤2)，在空间中的每一个点对上对四种散射信号的前向声束和逆向声束进行卷积操作得到声场值，形成四个山峰状声场分布；

步骤4′)将四个山峰状声场分布进行叠加得到总声场分布，总声场分布中最大值对应的点为目标的位置。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2′)具体包括：

步骤2-1′)接收阵元j发射的接收信号经过时间反转后的逆向声束分别为：

PSS信号的逆向声束R′_jss(t)为：

PPS信号的逆向声束R′_jps(t)为：

PSP信号的逆向声束R′_jsp(t)为：

PPP信号的逆向声束R_jpp(t)为：

P′_r(t)＝a′_1j1f(t-t′_1jR1)

其中，a′_1j1分别是PP信号的界面反射系数，该反射信号的旅行时分别是b′_1j1,b′_1j2,b′_1j3,b′_1j4分别为是PSS信号，PPS信号，PSP信号，PPP信号的散射系数；是发射阵元发射的信号经过界面到达目标的四种散射信号所用的旅行时；是从目标到接收阵元j的四种散射信号所需的旅行时；

PSS信号，PPS信号，PSP信号，PPP信号的旅行时差分别为：

步骤2-2′)发射阵元发射的前向声束分别为：

PSS信号的前向声束F′_ss(t)为：

PPS信号的前向声束F′_ps(t)为：

PSP信号的前向声束F′_sp(t)为：

PPP信号的前向声束F′_pp(t)为：

作为上述方法的一种改进，所述声场值的计算过程为：

PSS信号的声场值：

其中，(x,z)为空间中任一点的坐标，F_ss′(x,z,t)为F′_ss(t)在(x,z)的表达式；R′_jss(x,z,t)为R′_jss(t)在(x,z)的表达式；

PPS信号的声场值：

其中，F′_ps(x,z,t)为F_p′_s(t)在(x,z)的表达式；R′_jps(x,z,t)为R′_jps(t)在(x,z)的表达式；

PSP信号的声场值：

其中，F′_sp(x,z,t)为F′_sp(t)在(x,z)的表达式；R′_jsp(x,z,t)为R′_jsp(t)在(x,z)的表达式；

PPP信号的声场值：

其中，F′_pp(x,z,t)为F′_pp(t)在(x,z)的表达式；R′_jpp(x,z,t)为R′_jpp(t)在(x,z)的表达式。

本发明的优势在于：

1、本发明的方法对于不同的接收信号，建立了声场，并通过4种散射声场以其叠加的总声场互相验证了目标点位置的准确性；

2、本发明的方法可以将多个信号进行区分，并且抑制界面信号的干扰，对于固-液/液-固分层介质能够实现目标的检测与定位；

3、通过本发明的方法，只需简单地进行一次实验测量，由发射换能器一次发射，经过目标和界面散射的信号到接收换能器传至各阵元接收即可；之后的步骤完全在计算机中进行，时间反转(TR)和逆时偏移(RTM)处理就可检测出目标(缺陷)，并定位；该方法具有简单、快速的优点。

附图说明

图1(a)为本发明提供的固-液分层介质的缺陷的定位方法的示意图；

图1(b)为本发明提供的液-固分层介质的缺陷的定位方法的示意图；

图2为利用本发明实例1的固-液8种信号各阵元接收时间图；

图3为本发明实例1的固-液SPS波第5个阵元的声场图；

图4(a)为本发明实例1的固-液SPS波声场图；

图4(b)为本发明实例1固-液PPP波声场图；

图4(c)为本发明实例1固-液PPS波声场图；

图4(d)为本发明实例1固-液SPP波声场图；

图5(a)为本发明实例1固-液总声场图；

图5(b)为本发明实例1固-液等高线图；

图6(a)为本发明实例2液-固PPP波声场图；

图6(b)为本发明实例2液-固PPS波声场图；

图6(c)为本发明实例2液-固PSP波声场图；

图6(d)为本发明实例2液-固PSS波声场图；

图7(a)为本发明实例2液-固总声场图；

图7(b)为本发明实例2液-固等高线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方法进行详细说明。

本发明分别对P-P波，S-S波，P-S波，S-P波进行了处理，得到了对应这些波形的声场分布图，将这些波的声场进行叠加得到总的声场，分别对固-液和液-固两种情况加以讨论。

本发明提供一种时间反转和逆时偏移混合法用于含有固体分层介质中的缺陷检测与定位中。首先对换能器阵中每个发射和接收对，可以测得源发射经界面到达目标的旅行时tj和目标散射到达接收阵元的旅行时tk.让旅行时差T＝tk-tj,让接收阵元提前T时间发射逆向声束，就使得发射源到目标正向接收的旅行时等于逆向接收的旅行时，让发射点到各个接收阵元的信号进行卷积叠加，就使得散射信号在目标处声束的聚焦，而此时界面反射的信号仍然是散焦的，从而实现了在分层介质中目标的检测与定位。含有固体介质的分层介质分两种不同的情况，如固-液分层介质，液-固分层介质。该方法具体包括：

步骤1)换能器的发射阵元发射一个声脉冲，经过固-液分层介质界面，声束经目标散射后由接收阵元接收到信号；

接收到的信号表示为：

P_ij(t)＝P_r(t)+P_s(t)

为4种界面反射信号，分别是PP波，PS波，SP波，SS波。反射系数分别是a_1j1,a_1j2,a_1j3,a_1j4。PP波，PS波，SP波，SS波界面反射信号的旅行时分别是因此，四种界面反射信号所用的时间分别为：

其中r_1j1,r_1j2p,r_1j3s是发射阵元到界面反射点的距离，r_1j2s,r_1j3p是界面反射点到接收阵元的距离；

是穿过界面由目标散射的信号，分别是SPS波，PPS波，SPP波，PPP波。其散射系数分别是b_1j1,b_1j2,b_1j3,b_1j4；是发射阵元经过界面到达目标所用的旅行时，是声脉冲经过目标散射和界面反射后到达接收阵元所用的旅行时；则SPS波，SPP波，PPS波，PPP波的对应旅行时是：

SPS:PPS:

SPP:PPP:

其中是发射阵元1到界面折射点的距离；是界面折射点到目标点的距离；是目标点到声束经过目标点散射到达界面折射点的距离；是界面折射点到接收阵元的距离。

步骤2)将接收阵元的信号进行时间反转的处理后，再提前一个时差发射出去。这个时差是接收阵元信号与自发自收的信号的时差。发射出去的声束即为逆向声束，当逆向声束发出经过一个时差的时间之后，再利用发射阵元发射一个前向声束，对于空间中的每一个点对这两个声束进行卷积。则会出现一系列的点满足这两个声束的旅行时相同，即为“脊”；

所述步骤2)中，根据Fermat最短声程原理和snell定律，以SPS波为例，满足以下公式表达式：

其中h是第一层介质固体的厚度，是入射声线在固-液分层界面与法线的夹角，是折射声线在固-液分层界面与法线的夹角，同理，是入射声线在固-液分层界面与法线的夹角，是折射声线在固-液分层界面与法线的夹角。对其他的PPP波，SPP波，PPS波也有类似的方程组；让发射阵元1发射前向声束：F₁(t)＝f(t-t_1ss-t_jss)让接收阵元j发射已记录的接收信号经过时间反转后的逆向声束：

其中是发射波射线到目标点所需旅行时和目标点到接收阵元的射线所需的旅行时的时差。让F₁(t)与R_jss(t)进行卷积，并且让j＝1,2....n时的结果进行叠加，就得到在目标处的声场值，它将是极大值

对PPP波，SPP波，PPS波也会在目标处得到极大值；对于空间各点的声场，有一系列的点能够满足由第j个阵元发出的逆向声束到达这一点的时间等于前向波束到达这一点的时间，就会形成一条“脊”。同理，对不同的j＝1,2,3,4...n的逆向声束也会在空间中各形成一条“脊”。对这些“脊”进行叠加，这样就可以得到一个山峰状的声场分布，各点声场值为：

这样的声场一共有四种(SPS,PPP,PPS,SPP)，而每个声场的峰值(即极大值)的位置都处于目标点的位置处，从而实现了目标的检测与定位；并且将这四个声场进行叠加得到总声场，其峰值的位置也处于目标点的位置处；同理，对于液-固分层介质的四种散射信号PPP波，PSP波，PPS波，和PSS波也进行上述步骤处理。

步骤3)对于每个发射-接收对，在同一个空间中都会形成“脊”，把这些不同的“脊”进行叠加，就会形成一个山峰状的声场，并且可以验证峰值所对应的位置即为目标点或者缺陷的位置；

由于固体与液体不同，存在横波和纵波。因此，针对于固-液和液-固不同的分层介质，接收阵元会接受到不同的散射信号。对于固-液分层介质，散射信号有PPP波，SPP波，PPS波，和SPS波。对于液-固分层介质，散射信号有PPP波，PSP波，PSS波，和PPS波。因此，对于不同的波重复前三个步骤会分别形成四个波形的峰状声场，虽然这四个声场形状不同，但他们的声场和叠加后的总声场峰值所对应的点都在目标(缺陷)点的位置处。

实例1

固-液分层介质:如图1(a)所示，在z＝0处等间距地放置21个换能器阵列，换能器之间的间距为2mm。第一个阵元的坐标为x₁(1,0)，则第i个阵元的坐标为x_i(1+2*(i-1),0)。第一层为固体介质有机玻璃，其纵波(P波)的声速为c_p＝2544m/s，横波(S波)的声速为c_s＝1277m/s，有机玻璃的厚度为h＝36.4mm，密度为1240kg/m³。第二层为液体介质水，其纵波声速为1482m/s，密度为1000kg/m³。取界面反射系数a_ij1,a_ij2,a_ij3,a_ij4和折射系数b_ij1,b_ij2,b_ij3,b_ij4都为1。各阵元接收的八个波形信号所需的时间如图2所示。目标位置为x₀＝24mm,z₀＝56.4mm由发射阵元1发射余弦半周期的信号，经过界面和目标点后由接收阵元j接收。以处理SPS波声场为例，对于第5个阵元接收阵元的声场如图3。

由图4(a)-4(d)可见声场中出现了一个峰值即为目标点的位置。同理，其他的三个波形PPP波，PPS波，SPP波都按照以上的原理进行处理。

由上图可得，PPP波除了在目标点处形成了聚焦的峰在第一层固体介质中也形成了一个峰，据各种信号分析可得，PPP波和SS波两个接收信号在第8个阵元处会叠加，因此，声场会形成一个干扰的峰。PPS波和SPP波声场出现界面处断层的情况是由于在固体界面处发生了P波到S波(S波到P波)的波形转换。通过四种波形声场对比分析可得，四种波形在目标点处都实现了聚焦，则四种波形的叠加的固-液总声场以及其等高线为图5(a)-5(b)。

实例2

液-固分层介质：如图1(b)所示，第一层介质为液体水，其纵波声速为1482m/s。第二层介质为固体有机玻璃，其纵波(P波)的声速为c_p＝2544m/s，横波(S波)的声速为c_s＝1277m/s，各阵元将收到5种信号，分别为液体中的纵波(P波)反射波，及PP波，PS波，SP波，SS波四种折射信号。目标位置为x₀＝15mm,z₀＝45.5mm；利用TR-RTM混合法处理PP波，PS波，SP波，SS波的四个散射信号的声场如图6(a)-6(d)所示。

四种波形叠加的液-固总声场及其等高线图为图7(a)-7(b)，由图可知，液-固总声场目标位置对应的峰值非常尖锐。可以消除其他信号所形成的平台，对目标点有一个非常好的聚焦效果。总声场中形成的平台的声场值是目标点峰值声场值的四分之一。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种固-液/液-固分层介质的目标定位方法；所述方法包括：

根据发射阵元发射的声脉冲经分层界面到达目标的旅行时和目标散射到达接收阵元的旅行时计算旅行时差T；接收阵元提前T发射逆向声束，使得发射阵元到目标正向接收的旅行时等于逆向接收的旅行时，在空间中的每一个点对上将发射阵元到各个接收阵元的信号进行卷积叠加，得到每种目标散射信号的山峰状声场分布，叠加后得到总声场分布；其最大值对应的点为目标的位置。

2.根据权利要求1所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，当分层介质为固-液时，所述方法具体包括：

步骤1)换能器的1个发射阵元发射一个声脉冲，接收阵元接收声脉冲经过固-液分层介质的四个反射信号以及声脉冲经过目标散射的散射信号；所述反射信号包括PP信号、PS信号、SP信号和SS信号；所述散射信号包括：SPS信号，PPS信号，SPP信号和PPP信号；

步骤2)将接收阵元接收到的每种散射信号进行时间反转处理后形成逆向声束，提前一个旅行时差将逆向声速发射出去；在发出逆向声束后的一个旅行时差之后，再利用发射阵元发射一个前向声束，

步骤3)对于每对发射阵元和接收阵元；执行步骤1)至步骤2)，在空间中的每一个点对上对所述散射信号的前向声束和逆向声束分别进行卷积操作得到声场值，形成四个山峰状声场分布；

步骤4)将四个山峰状声场分布进行叠加得到总声场分布，总声场分布中最大值对应的点为目标的位置。

3.根据权利要求2所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)接收阵元j发射的接收信号经过时间反转后的逆向声束分别为：

SPS信号的逆向声束R_jss(t)为：

PPS信号的逆向声束R_jps(t)为：

SPP信号的逆向声束R_jsp(t)为：

PPP信号的逆向声束R_jpp(t)为：

其中，1≤j≤n，n为接收阵元的总数；a_1j1,a_1j2,a_1j3,a_1j4分别是PP信号，PS信号，SP信号，SS信号的界面反射系数，每个反射信号的旅行时分别是b_1j1,b_1j2,b_1j3,b_1j4分别为是SPS信号，PPS信号，SPP信号，PPP信号的散射系数；是发射阵元发射的信号经过界面到达目标的四种散射信号所用的旅行时；是从目标到接收阵元j的四种散射信号所需的旅行时；

SPS信号，PPS信号，SPP信号，PPP信号的旅行时差分别为：

步骤2-2)发射阵元发射的前向声束分别为：

SPS信号的前向声束F_ss(t)为：

PPS信号的前向声束F_ps(t)为：

SPP信号的前向声束F_sp(t)为：

PPP信号的前向声束F_pp(t)为：

4.根据权利要求3所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，所述声场值的计算过程为：

SPS信号的声场值：

其中，(x,z)为空间中任一点的坐标，F_ss(x,z,t)为F_ss(t)在(x,z)的表达式；

R_jss(x,z,t)为R_jss(t)在(x,z)的表达式；

PPS信号的声场值：

其中，F_ps(x,z,t)为F_ps(t)在(x,z)的表达式；R_jps(x,z,t)为R_jps(t)在(x,z)的表达式；

SPP信号的声场值：

其中，F_sp(x,z,t)为F_sp(t)在(x,z)的表达式；R_jsp(x,z,t)为R_jsp(t)在(x,z)的表达式；

PPP信号的声场值：

其中，F_pp(x,z,t)为F_pp(t)在(x,z)的表达式；R_jpp(x,z,t)为R_jpp(t)在(x,z)的表达式。

5.根据权利要求1所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，当分层介质为液-固时，所述方法具体包括：

步骤1′)换能器的1个发射阵元发射一个声脉冲，接收阵元接收声脉冲经过液-固分层介质的反射信号以及声脉冲经过目标散射的散射信号；所述反射信号包括PP信号；所述散射信号包括：PSS信号、PPS信号、PSP信号和PPP信号；

步骤2′)将接收阵元接收到的每种散射信号进行时间反转处理后形成逆向声束，提前一个旅行时差将逆向声速发射出去；在发出逆向声束后的一个旅行时差之后，再利用发射阵元发射一个前向声束，

步骤3′)对于每对发射阵元和接收阵元；执行步骤1)至步骤2)，在空间中的每一个点对上对四种散射信号的前向声束和逆向声束进行卷积操作得到声场值，形成四个山峰状声场分布；

步骤4′)将四个山峰状声场分布进行叠加得到总声场分布，总声场分布中最大值对应的点为目标的位置。

6.根据权利要求5所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，所述步骤2′)具体包括：

步骤2-1′)接收阵元j发射的接收信号经过时间反转后的逆向声束分别为：

PSS信号的逆向声束R′_jss(t)为：

PPS信号的逆向声束R′_jps(t)为：

PSP信号的逆向声束R′_jsp(t)为：

PPP信号的逆向声束R_jpp(t)为：

其中，a′_1j1分别是PP信号的界面反射系数，该反射信号的旅行时分别是b′_1j1,b′_1j2,b′_1j3,b′_1j4分别为是PSS信号，PPS信号，PSP信号，PPP信号的散射系数；是发射阵元发射的信号经过界面到达目标的四种散射信号所用的旅行时；是从目标到接收阵元j的四种散射信号所需的旅行时；

PSS信号，PPS信号，PSP信号，PPP信号的旅行时差分别为：

步骤2-2′)发射阵元发射的前向声束分别为：

PSS信号的前向声束F′_ss(t)为：

PPS信号的前向声束F′_ps(t)为：

PSP信号的前向声束F′_sp(t)为：

PPP信号的前向声束F′_pp(t)为：

7.根据权利要求6所述的固-液/液-固分层介质的目标定位方法，其特征在于，所述声场值的计算过程为：

PSS信号的声场值：

其中，(x,z)为空间中任一点的坐标，F_ss′(x,z,t)为F′_ss(t)在(x,z)的表达式；

R′_jss(x,z,t)为R′_jss(t)在(x,z)的表达式；

PPS信号的声场值：

其中，F′_ps(x,z,t)为F′_ps(t)在(x,z)的表达式；R′_jps(x,z,t)为R′_jps(t)在(x,z)的表达式；

PSP信号的声场值：

其中，F′_sp(x,z,t)为F′_sp(t)在(x,z)的表达式；R′_jsp(x,z,t)为R′_jsp(t)在(x,z)的表达式；

PPP信号的声场值：

其中，F′_pp(x,z,t)为F′_pp(t)在(x,z)的表达式；R′_jpp(x,z,t)为R′_jpp(t)在(x,z)的表达式。