CN110715978A - 一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法及系统，该方法包括：采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板扫描获得三维超声信号；确定三维超声信号的时间维度中超声探头接收到对碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；将时间帧信号转换成波数域信号，并将波数域信号中所包含角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；根据各信号强度累加值中最大值对应的角度确定时间帧信号对应时刻的纤维角度；根据按照时间顺序进行排列的各纤维铺层角度确定碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。本发明避免对检测材料结构造成破坏，不影响操作人员的身体健康，提高了结构铺层顺序的识别效率。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强型复合材料的质量检测技术领域，特别是涉及一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法及系统。
背景技术
碳纤维增强型复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)在航空航天等领域的广泛应用，对其结构设计、加工成型、运行维护等方方面面都提出了更高的要求。当前在CFRP结构自动化加工还未普及的前提下，人工参与仍是CFRP加工成型的主要环节。人工铺设难免会存在错铺、漏铺现象，违背结构设计初衷，影响结构工作性能，因此有必要对出厂件进行铺层顺序的质量检测。目前常用边缘撕拨方法，在CFRP结构边缘将层合板逐层撕开观察，但本质上会对结构产生破坏性影响。
无损检测技术是指在不影响结构本身健康状态的前提下，对结构内部的特性进行表征、检测的方法，可以服务于从结构设计到运行维护的各个阶段。X光断层扫描技术能够对CFRP层合板中的纤维排布进行三维成像，但该技术不利于操作人员身体健康；涡流检测方法对纤维方向敏感性高，能够识别出结构中存在的纤维铺设角度种类，但难以区分其在厚度方向上的铺设顺序。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，避免对碳纤维增强型复合材料结构造成破坏的同时不影响操作人员的身体健康，提高了结构铺层顺序的识别效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，所述方法包括：
采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间；
确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；
将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号；
根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；
确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；
将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；
根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度；
将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
可选的，所述超声探头的发射信号频率为20MHz，所述超声探头的接收反射信号的采样频率为100MHz，所述超声探头在水平方向(x,y)上的扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。
可选的，所述确定所述超声探头接收到反射信号的时间范围的具体方法包括：
随机提取一个扫描点的反射信号，根据所述反射信号中上表面反射波中最大幅值对应的时刻T0和下表面反射波中最大幅值对应的时刻T1确定所述时间范围为不小于T0且不大于T1。
可选的，所述波数域信号中各像素点对应的角度的计算方法：
对各所述时间帧信号中反射信号做二维傅里叶变换：
将所述二维空间内反射信号A(x,y,t0)转换至二维波数域(kx，ky)内，t0表示各所述时间帧信号对应的时刻；
利用公式计算像素点(kx，ky)对应的角度θ。
可选的，所述超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，所述超声探头在所述机械手臂的驱动下实现二维空间的S形扫描。
本发明还公开了一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，所述系统包括：
三维超声信号获取模块，用于采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间；
时间范围确定模块，用于确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；
时间帧信号定义模块，用于将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号；
波数域像素点对应角度确定模块，用于根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；
信号强度累加模块，用于将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；
纤维角度确定模块，用于根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度；
纤维铺层顺序确定模块，用于将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
可选的，所述超声探头的发射信号频率为20MHz，所述超声探头的接收反射信号的采样频率为100MHz，所述超声探头在水平方向(x,y)上的扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。
可选的，所述确定所述超声探头接收到反射信号的时间范围的具体方法包括：
随机提取一个扫描点的反射信号，根据所述反射信号中上表面反射波中最大幅值对应的时刻T0和下表面反射波中最大幅值对应的时刻T1确定所述时间范围为不小于T0且不大于T1。
可选的，所述波数域信号中各像素点对应的角度的计算方法：
对各所述时间帧信号中反射信号做二维傅里叶变换：
将所述二维空间内反射信号A(x,y,t0)转换至二维波数域(kx，ky)内，t0表示各所述时间帧信号对应的时刻；
利用公式计算像素点(kx，ky)对应的角度θ。
可选的，所述超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，所述超声探头在所述机械手臂的驱动下实现二维空间的S形扫描。
根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法及系统，该方法包括：采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号；确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；将所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度作为所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度；将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序，避免了对碳纤维增强型复合材料层合板结构上的破坏，而且操作简单识别快速，提高了纤维铺层顺序的识别效率。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法流程图；
图2为本发明实施例超声C扫实验示意图；
图3为本发明实施例超声探头扫描方法示意图；
图4为本发明实施例三维超声信号示意图；
图5为本发明实施例三维超声信号中一维时间信号示意图；
图6为本发明实施例三维超声信号中二维空间信号示意图；
图7为本发明实施例不同扫描点的时间信号示意图；
图8为本发明实施例t0＝5.5μs时刻的二维空间信号示意图；
图9为本发明实施例t0＝5.5μs时刻的二维波数域图形；
图10为本发明实施例波数域像素点对应的角度示意图；
图11为本发明实施例角度-强度曲线；
图12为本发明实施例CFRP层合板正面朝上时的角度-时间强度图；
图13为本发明实施例CFRP层合板背面朝上时的角度-时间强度图；
图14为本发明实施例CFRP层合板正面朝上时最上层表面二维空间信号示意图；
图15为本发明实施例CFRP层合板背面朝上时最上层表面二维空间信号示意图；
图16为本发明实施例一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
本发明的目的是提供一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，避免对碳纤维增强型复合材料结构造成破坏的同时不影响操作人员的身体健康，提高了结构铺层顺序的识别效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
解释一些跟技术方案有关的专业术语：
碳纤维增强型复合材料：由基体(环氧树脂)和增强体(碳纤维)两部分组成，具有高比强度和比刚度，在航空航天、石油化工、汽车船舶等领域应用广泛。
铺层顺序：CFRP层合结构通常由诸多CFRP单层按一定顺序铺叠、加工而成。如某CFRP层合板铺层顺序为[45/0/-45/90]S,表示该结构由8层CFRP单层组成，每层纤维方向分别为45°，0°，-45°，90°，90°，-45°，0°，45°。
超声波无损检测技术：基于超声波方法，在不损坏结构本身健康状态的前提下，对发生在结构内部的缺陷(包括缺陷类型、位置、尺寸等)进行检测的技术。
如图1所示，本发明公开了一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，该方法包括：
步骤101：采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间。
其中，步骤101具体包括，搭建如图2所示的超声C扫实验平台，将CFRP层合板放置水箱底部，并在水箱中注入适量水(超声探头下端浸入水中)，水作为耦合剂。超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，机械手臂在电机驱动下使超声实现二维(x，y)空间S形扫描。本实施例中，超声探头中心频率为20MHz，反射采样频率为100MHz，(x，y)方向上扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。探头扫描某点(x0，y0)时，电脑端记录相应时域信号A(x0，y0，t)。当探头完成C扫描后，保存三维超声信号A(x，y，t)。
其中，超声探头向CFRP发射振动信号，并在CFRP结构中产生超声纵波，纵波信号在CFRP结构中受材料不均匀性调制，产生反射波，被该超声探头接收到，如图3所示，超声探头在单个扫描点处接收的信号受该点区域‘缺陷’调制，反映了局部的材料不均匀性；超声C扫技术使超声探头在二维平面内移动，融合探头在二维空间内的信号，可体现材料的全局不均匀性，即能够反映出纤维的空间指向特征。当超声探头在二维空间(x，y)内移动并完成超声C扫实验后，可获得三维超声信号，用A(x，y，t)表示，三维超声信号如图4所示。其中，超声探头在单点(x0，y0)接收到的信号实则为一维超声信号(图4中标号1表示一维超声信号)，一维超声信号具体如图5所示，用A(x0，y0，t)表示。截取三维超声信号中特定时刻t0的二维空间信号(图4中标号2表示二维超声信号)，用A(x，y，t0)表示，可明显观察到纤维方向信息，二维空间信号具体如图6所示。
由于超声体波具有非频散特性，故时刻t与碳纤维增强型复合材料层合板厚度方向坐标z一一对应。即图6中的二维空间信号对应着碳纤维增强型复合材料层合板某厚度坐标z0，反映了层合板在厚度z0所在层的纤维方向信息。
步骤102：确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围。
其中，步骤102具体包括：随机提取一个扫描点的反射信号，记录上表面反射波中最大幅值处的时刻为T0＝4.33μs，下表面反射波中最大幅值处的时刻为T1＝5.83μs，所述时间范围为大于等于T0且小于等于T1，用T0≤t0≤T1表示，其中t0表示所述时间范围内任意时刻，图7为不同扫描点的时间信号示意图。
步骤103：将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号。
步骤104：根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点。
其中波数域信号中所包含的角度范围为[-90，90]。
步骤105：将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值。
步骤106：根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度。
其中，步骤104-106中具体包括：以t0＝5.50μs时刻(T0≤t0≤T1)为例，提取该时刻对应的二维空间信号A(x，y，t0)，如图8所示。观察该二维空间信号，涵盖了90°，0°和45°三种纤维方向。为进一步确定该时间帧下的真是纤维方向，对该空间信号做二维傅里叶变换：
将二维空间(x，y)信号A(x,y,t0)转换至二维波数(kx，ky)域内，kx是波数域横坐标，ky是波数域纵坐标，分别表示波数的x，y分量，i是虚部，得到的信号A1(kx,ky,t0)如图9所示，其中x表示超声探头在平面内扫描的x轴坐标，y表示超声探头在平面内扫描的y轴坐标。从图9中可观测到4条明亮的条纹，分别指向0°，-45°，90°和45°，表示波数k的方向。波动理论表明，波数k的方向始终垂直于波阵面。即图8中的纤维方向与图10中波数k的方向存在90°夹角。图9中，0°方向的条纹强度明显高于其他方向，恰恰表明90°纤维方向对应的强度最大。
下面定量地评估该时间帧信号下的纤维方向，首先计算图9中每个像素点(kx,ky)对应的纤维角度θ，
将每个像素点对应的角度以强度值表示，绘制图10所示的图形。
结合图9与图10，将图9中的强度值A1(kx，ky)累加至其对应的纤维角度θ下。将图9中的0°明亮条纹中所有像素点的幅值累加到90°纤维角度下，得到A2(90，t0)；将图9中的-45°明亮条纹中所有像素点的幅值累加到45°纤维角度下，得到A2(45，t0)。依次类推，得到角度-强度曲线A2(θ，t0)，如图11所示。该图显示，强度值在0°，45°和90°三种纤维角度下达到极值。表明原始的二维空间信号图中包含了这三种纤维方向(与图8对应)。建立最大幅值原理，即搜索角度-强度曲线A2(θ，t0)中最大幅值对应的角度值θo，作为时刻t0下二维空间信号A(x，y，t0)对应的纤维方向。
步骤107：将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，根据按照时间顺序进行排列的各纤维铺层角度确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
由于，超声波在CFRP结构中衰减较大。当CFRP层合板厚度较大时，纵波信号受材料不均匀性的调制效果会低于噪声水平，无法体现纤维方向信息。另外，超声C扫实验中，超声探头与结构通过水介质耦合，在结构上下表面处(即水-CFRP界面)会产生幅值较大的反射信号，远高于上下表面区域材料不均匀性调制的超声波信号，使得结构上下表面层的纤维方向难以判别。因此本发明提出一种超声波双面扫描的技术方案，能够夯实层合板中间层的铺层顺序检测，同时达到准确检测上下表面层纤维方向的目的。因此，将被检测的CFRP层合板标记为正面和背面，首先，将CFRP层合板正面的朝上放置在水箱中，采用步骤101-107的方法识别CFRP层合板中间层铺层顺序，其中步骤104-107的具体实施过程还包括：对t0(T0≤t0≤T1)进行逐帧运算：
设置t0初始值为t0＝T0。
将步骤104得到的角度-强度曲线A2(θ，t0)关于最大幅值进行归一化，得归一化曲线A2(θ，t0)。
判断t0是否等于结束时刻T1。若否，设置t0＝t0+Δt(Δt为采样频率的倒数，取值为0.01μs)，返回执行步骤104，得到新时刻下的角度-强度曲线；直至t0＝T1。
汇总不同时刻的角度-强度曲线，即A2(θ，t)，其中T0≤t0≤T1。
绘制A2(θ，t)的角度-时间强度图，对该图像进行图像高斯平滑处理，以达到去除高频噪声、增强结果可读性的目的。设计卷积核为：
通过二维卷积操作对A2进行平滑滤波，得滤波后的二维数组A3：
其中j为二维数组A2的行数，k为二维数组A2的列数，边缘处通过复制来保证数组A3与A2维度相同。如图12所示，绘制滤波后的角度-时间强度图。其横坐标为纤维方向，纵坐标为时间(时间与板厚方向坐标一一对应，不做转换)。从图12中可观察到诸多高亮区域，其纵坐标大小可用于区分铺层所在位置，横坐标则对应铺层纤维方向。将高亮区域以纵坐标由小到大排序，其对应横坐标分别为[0/-45/90/45/0/-45/90/90/-45/0/45/90/-45/0]。观察图12中，开始时刻附近、结束时刻附近存在多个高亮区域，难以通过此图判定上下表面纤维方向。故先将识别的中间层铺层顺序归纳至表1中。然后将CFRP层合板背面的朝上放置在水箱中，采用步骤101-107的方法识别CFRP层合板中间层铺层顺序，其中绘制新的角度-时间强度图如图13所示，将图13中高亮区域按照纵坐标由小到大排序，记录相应的横坐标为[0/45/90/-45/0/45/90/90/45/0/-45/90/45/0]。注意，当层合板背面在上时，原45°纤维方向会以-45°呈现，反之亦然。则中间层铺层顺序为[0/-45/90/45/0/-45/90/90/-45/0/45/90/-45/0]，与CFRP层合板正面朝上时识别结果相同。观测图13，上下表面处也存在高亮区域不唯一的现象，难以判定其铺层顺序。故亦先将识别的中间层铺层顺序归纳至表1中。图12和图13的横坐标表示角度，纵坐标表示时间。
最后，对CFRP层合板的上表面和下表面的纤维铺层方向进行单独识别。对三维超声信号A(x0,y0,t)(A(x0,y0,t)为CFRP层合板正面朝上时获得的三维超声信号)在t＝T0附近进行时间的逐帧扫查，分别绘制二维空间图形，直至能清晰分辨纤维方向，如图14所示。图14表明，上表面铺层的纤维方向为45°，将该结果记录于表1中。
同样地，对三维超声信号B(x0,y0,t)(B(x0,y0,t)为CFRP层合板背面朝上时获得的三维超声信号)在t＝T0附近进行逐帧扫查，观察二维空间图形，直至能清晰分辨纤维方向，如图15所示。图15表明，下表面铺层的纤维方向亦为45°(背面在上时，45°纤维方向以-45°呈现)，将该结果记录于表1中。图14和图15的横坐标为x轴，纵坐标为y轴。
另外，CFRP层合板的上表面和下表面的纤维铺层方向也可以根据步骤104-106的方法确定。
表1每步骤判定的纤维方向，单位：°
综合上述铺层顺序识别结果，得该16层CFRP层合板的铺层顺序为[45/0/-45/90/45/0/-45/90/90/-45/0/45/90/-45/0/45]，也记为[45/0/-45/90]2S。
本发明一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，避免对碳纤维增强型复合材料结构造成破坏的同时不影响操作人员的身体健康，提高了结构铺层顺序的识别效率。另外，本发明通过对被检测碳纤维增强型复合材料层合板进行双面扫描的技术方案，夯实了铺层顺序识别的准确性，再者，本发明分别对被检测碳纤维增强型复合材料层合板的上表面和下表面分别进行单独识别，从而提高了铺层顺序识别的准确性。
如图16所示，本发明公开了一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，该系统包括：
三维超声信号获取模块201，用于采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间。
其中超声探头的发射信号频率为20MHz，所述超声探头的接收反射信号的采样频率为100MHz，所述超声探头在水平方向(x,y)上的扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。所述超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，所述超声探头在所述机械手臂的驱动下实现二维空间的S形扫描。
时间范围确定模块202，用于确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围。
其中所述确定所述超声探头接收到反射信号的时间范围的具体方法包括：
随机提取一个扫描点的反射信号，根据所述反射信号中上表面反射波中最大幅值对应的时刻T0和下表面反射波中最大幅值对应的时刻T1确定所述时间范围为不小于T0且不大于T1。
时间帧信号定义模块203，用于将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号。
波数域像素点对应角度确定模块204，用于根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；
信号强度累加模块205，用于将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；
纤维角度确定模块206，用于根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度。
其中，波数域角度与纤维铺层角度的夹角为90°，若波数域角度为0°，则对应的纤维铺层角度为90°。
纤维铺层顺序确定模块207，用于将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
所述波数域信号中各像素点对应的角度的计算方法：
对各所述时间帧信号中反射信号做二维傅里叶变换：
将所述二维空间内反射信号A(x,y,t0)转换至二维波数域(kx，ky)内，t0表示各所述时间帧信号对应的时刻；
利用公式
计算像素点(kx，ky)对应的角度θ。
纤维铺层顺序确定模块207，用于将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，根据按照时间顺序进行排列的各纤维铺层角度确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
其中，纤维铺层顺序确定模块207具体包括，分别获得CFRP层合板正面朝上时确定的CFRP层合板纤维铺层顺序和CFRP层合板背面朝上时确定的CFRP层合板纤维铺层顺序，并对CFRP层合板的上表面和下表面的纤维铺层方向进行单独识别。
本发明一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，避免对碳纤维增强型复合材料结构造成破坏的同时不影响操作人员的身体健康，提高了结构铺层顺序的识别效率，解决了CFRP加工质量(错铺、漏铺方面)无损检测的难题，同时本发明超声波扫描方法还有操作简单，设备便于携带的优点。另外，本发明通过对被检测碳纤维增强型复合材料层合板进行双面扫描，夯实了铺层顺序识别的准确性，再者，本发明分别对被检测碳纤维增强型复合材料层合板的上表面和下表面分别进行单独识别，从而提高了铺层顺序识别的准确性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，其特征在于，所述方法包括：
采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间；
确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；
将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号；
根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；
确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；
将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；
根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度；
将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
2.根据权利要求1所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，其特征在于，所述超声探头的发射信号频率为20MHz，所述超声探头的接收反射信号的采样频率为100MHz，所述超声探头在水平方向(x,y)上的扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。
3.根据权利要求1所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，其特征在于，所述确定所述超声探头接收到反射信号的时间范围的具体方法包括：
随机提取一个扫描点的反射信号，根据所述反射信号中上表面反射波中最大幅值对应的时刻T0和下表面反射波中最大幅值对应的时刻T1确定所述时间范围为不小于T0且不大于T1。
4.根据权利要求1所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，其特征在于，所述波数域信号中各像素点对应的角度的计算方法：
对各所述时间帧信号中反射信号做二维傅里叶变换：将所述二维空间内反射信号A(x,y,t0)转换至二维波数域(kx，ky)内，t0表示各所述时间帧信号对应的时刻；
利用公式
计算像素点(kx，ky)对应的角度θ。
5.根据权利要求1所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别方法，其特征在于，所述超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，所述超声探头在所述机械手臂的驱动下实现二维空间的S形扫描。
6.一种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，其特征在于，所述系统包括：
三维超声信号获取模块，用于采用超声探头对碳纤维增强型复合材料层合板在一个平面内进行逐点扫描获得三维超声信号，所述三维超声信号是以层结构所在平面为二维平面且以所述超声探头接收到的反射信号的时间为第三维度的三维超声信号空间；
时间范围确定模块，用于确定所述三维超声信号的时间维度中所述超声探头接收到对所述碳纤维增强型复合材料层合板的反射信号的时间范围；
时间帧信号定义模块，用于将所述时间范围内各时刻的二维平面内的反射信号定义为各时间帧信号；
波数域像素点对应角度确定模块，用于根据所述时间帧信号内的反射信号确定所述时间帧信号对应的波数域信号；确定所述波数域信号中所包含的角度及所述角度对应的像素点；
信号强度累加模块，用于将所述波数域信号中与所述角度对应的像素点的波数域信号强度值进行累加，得到各角度的信号强度累加值；
纤维角度确定模块，用于根据所述时间帧信号中各信号强度累加值中最大值对应的角度确定所述时间帧信号对应时刻的纤维铺层角度；
纤维铺层顺序确定模块，用于将各时刻的纤维铺层角度按照时间顺序进行排列，确定所述碳纤维增强型复合材料层合板的纤维铺层顺序。
7.根据权利要求6所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，其特征在于，所述超声探头的发射信号频率为20MHz，所述超声探头的接收反射信号的采样频率为100MHz，所述超声探头在水平方向(x,y)上的扫描点数为100×100，扫描间隔为1mm。
8.根据权利要求6所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，其特征在于，所述确定所述超声探头接收到反射信号的时间范围的具体方法包括：
随机提取一个扫描点的反射信号，根据所述反射信号中上表面反射波中最大幅值对应的时刻T0和下表面反射波中最大幅值对应的时刻T1确定所述时间范围为不小于T0且不大于T1。
9.根据权利要求6所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，其特征在于，所述波数域信号中各像素点对应的角度的计算方法：
对各所述时间帧信号中反射信号做二维傅里叶变换：将所述二维空间内反射信号A(x,y,t0)转换至二维波数域(kx，ky)内，t0表示各所述时间帧信号对应的时刻；
利用公式
计算像素点(kx，ky)对应的角度θ。
10.根据权利要求6所述的种碳纤维增强型复合材料铺层顺序识别系统，其特征在于，所述超声探头通过机械手臂连接到二维扫描平台上，所述超声探头在所述机械手臂的驱动下实现二维空间的S形扫描。
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