CN111537444A - 一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统。该方法包括：利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据；根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据；根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像；根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率；根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。本发明通过形成虚拟的不同重复频率激励的导波波场数据，确定损伤检测效果中最佳的激光激励重复频率，从而确定最高损伤成像分辨率，提高检测速率和检测效果。

Description

一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，特别是涉及一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统。

背景技术

航空航天领域中，飞行器结构的安全和可靠性是避免航空航天事故发生的关键。飞行器结构的检测中常常采用无损检测技术，超声检测就是无损检测技术中的一种。超声检测是利用基于压电材料的超声换能器激励和传感结构中的纵波，通过分析反射波的到达时间或幅值信息，从而确定损伤的尺寸和位置。这类检测手段需要探头接触或者近距离靠近结构进行扫查，对于具有复杂曲面的大面积航空航天结构，如果采用这类超声检测的常规无损检测技术进行检测，则检测的效率低、适应性差，从而难以满足航空航天领域未来的发展需求。针对上述问题，超声检测之后，激光超声检测技术运用而生。激光超声检测技术采用的扫描方式，通过脉冲激光在结构表面产生的热弹效应激励结构中的导波，分析导波传播特征进行损伤位置和程度的识别。该技术进行损伤检测的基础是通过声学互易原理实现导波传播的可视化。因此，激光激励的重复频率不宜过高，否则不同激励点产生的导波相互影响，导致导波数据信噪比低。但是较低的重复频率大大地降低了检测速度，难以充分发挥激光超声检测技术非接触、扫描快的优点。

实现激光超声技术中重复频率的调控，获取最佳激光重复频率下的损伤图像，不仅能够提高损伤检测的精度，而且可以最大限度的发挥激光超声的检测效率。但是，在激光器参数受系统硬件影响的前提下，重复频率相对固定且难以自动化调节。同时，采用不同重复频率进行结构的检测非常耗费时间。因此，对于如何实现最佳重复频率的确定，从而获取损伤分辨率高的检测结果是激光超声检测技术面临的一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统，通过形成虚拟的不同重复频率激励的导波波场数据，确定损伤检测效果中最佳的激光激励重复频率，从而确定最高损伤成像分辨率，提高检测速率和检测效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，所述方法包括：

利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据；

根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据；

根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像；

根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率；

根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

进一步，所述利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据，具体包括：

对损伤被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号；

根据所述导波响应信号，确定单次激光激励的导波信号持续时间；

根据所述导波信号持续时间，确定导波波场数据测量的重复频率上限；

根据所述重复频率上限，选取低重复频率；所述低重复频率小于所述重复频率上限；

按照所述低重复频率进行扫描，获取所述低重复频率激励的导波波场数据。

进一步，所述根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据，具体包括：

获取待重构的导波波场数据的虚拟重复频率；

获取待重构的导波波场数据的叠加点数；

根据所述虚拟重复频率计算叠加延时；

根据所述低重复频率激励的导波波场数据、所述叠加点数、所述叠加延时，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

进一步，所述根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像，具体包括：

根据所述导波响应信号，确定导波能量计算时间范围；

根据所述导波能量计算时间范围以及所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

进一步，所述根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率，具体包括：

根据所述损伤图像计算基于数据融合的损伤图像；

对比所述损伤图像和所述基于数据融合的损伤图像，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

本发明还公开了一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，所述系统包括：

导波波场数据获取模块，用于利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据；

重构模块，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据；

损伤图像计算模块，用于根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像；

最佳重复频率确定模块，用于根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率；

检测模块，用于根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

进一步，所述导波波场数据获取模块具体包括：

导波响应信号获取单元，对所述被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号；

导波信号持续时间确定单元，用于根据所述导波响应信号，确定单次激光激励的导波信号持续时间；

重复频率上限确定单元，用于根据所述导波信号持续时间，确定导波波场数据测量的重复频率上限；

低重复频率选取单元，用于根据所述重复频率上限，选取低重复频率；所述低重复频率小于所述重复频率上限；

导波波场数据获取单元，用于按照所述低重复频率进行扫描，获取所述低重复频率激励的导波波场数据。

进一步，所述重构模块具体包括：

虚拟重复频率获取单元，用于获取待重构的导波波场数据的虚拟重复频率；

叠加点数获取单元，用于获取待重构的导波波场数据的叠加点数；

叠加延时获取单元，用于根据所述虚拟重复频率计算叠加延时；

重构单元，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据、所述叠加点数、所述叠加延时，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

进一步，所述损伤图像计算模块具体包括：

时间范围计算单元，用于根据所述导波响应信号，确定导波能量计算时间范围；

损伤图像计算单元，用于根据所述导波能量计算时间范围以及所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

进一步，所述最佳重复频率计算模块具体包括：

融合损伤图像计算单元，用于根据所述损伤图形计算基于数据融合的损伤图像；

最佳重复频率计算单元，用于对比所述损伤图像以及所述基于数据融合的损伤图像，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的方法无需选取不同的激光激励重复频率进行结构的扫描，就能够获取不同激光激励重复频率下的导波波场数据，实现激光激励重复频率的虚拟调控，解决了激光超声系统难以任意改变激光激励重复频率的问题，且消除了反复扫描所需花费的大量时间。此外，本发明通过激光激励重复频率的调控，能够获取最佳激光重复频率下的损伤图像，提高了损伤检测的效果。同时，给出的最佳激光重复频率可以为后续结构的检测提供硬件参数设置的指导依据，选取最佳激光重复频率进行结构的扫描可以最大限度的发挥激光超声的检测效率。

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为本发明实施例重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法的流程图；

图2为本发明实施例激光超声系统获取导波波场数据的原理图；

图3为本发明实施例单次激光激励的导波响应信号示意图；

图4为本发明实施例重复频率虚拟调控的损伤图像示意图；

图5为本发明实施例重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统结构框图。

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重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统，通过形成虚拟的不同重复频率激励的导波波场数据，确定损伤检测效果中最佳的激光激励重复频率，从而确定最高损伤成像分辨率，提高检测速率和检测效果。

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。

如图1所示，一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，包括：

步骤101：利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据。

1)采用图2所示的激光超声系统对被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号w_single(t)，根据公式(1)确定单次激光激励的导波信号持续时间T；

T＝min{τ|w_single(t)≤W_noise,t≥τ} (1)

其中，W_noise是传感器环境噪声的幅值，即为未进行激光激励时，传感器响应信号的最大值；t和τ是时间变量。

2)根据单次激光激励的导波信号持续时间T，按公式(2)确定导波波场数据测量的重复频率上限f_h；

f_h＝1/T (2)

图2所示的激光超声系统中激光器用于在测控系统的控制下通过二维振镜向被测结构发射激光束，激励被测结构的待检测区域产生超声波信号，并通过声接收传感器采集后发送至信号调理仪获取被测结构的单次激光激励的导波响应信号，将单次激光激励的导波响应信号传输至测控系统进行处理。

图3所示为典型的单次激光激励的导波响应信号w_single(t)。40μs时刻前的信号为激光激励前传感器的环境噪声，由此可得到传感器环境噪声的幅值W_noise为0.1V。根据公式(1)和图3所示的导波响应信号w_single(t)，可以确定单次激光激励的导波信号持续时间T为1000μs；重复频率上限f_h为1kHz。

3)根据导波波场数据测量的重复频率上限f_h，即1kHz，选取激光超声系统硬件支持的激光激励重复频率，如100Hz(100Hz<1kHz)，按照如图2所示的激光扫描路径，即逐行扫描(x为行数，y为列数)，获取100Hz重复频率激励的导波波场数据w(x,y,t)。

步骤102：根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

1)确定待获取待重构的导波波场数据的虚拟重复频率f(f≥100Hz)，本实施例中重点关注虚拟重复频率f为100Hz、500Hz、1kHz、5kHz和10kHz；

2)确定待重构的导波波场数据的叠加点数n，叠加点数n为正整数且n<Tf，实际选择的n不宜过大。本实施例中100Hz、500Hz、1kHz、5kHz和10kHz的虚拟激励频率分别对应n为0、1、2、5和10，并根据待获取导波波场数据的虚拟重复频率f按公式(3)计算得到叠加延时Δt，本案例中100Hz、500Hz、1kHz、5kHz和10kHz的虚拟激励频率分别对应Δt为10ms、2ms、1ms、200μs和100us。

Δt＝1/f (3)

3)根据100Hz重复频率激励的导波波场数据w(x,y,t)、叠加点数n、叠加延时Δt，按公式(4)重构虚拟重复频率的导波波场数据w(x,y,t,f)，本实施例中100Hz、500Hz、1kHz、5kHz和10kHz的虚拟激励频率分别对应导波波场数据w(x,y,t,100)、w(x,y,t,500)、w(x,y,t,1000)、w(x,y,t,5000)和w(x,y,t,10000)。

步骤103：根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

1)根据单次激光激励的传感器信号w_single(t)，确定导波能量计算时间范围[t_l,t_h]。本实施例中w_single(t)如图3所示，为了尽可能避免入射波信号能量过大对损伤图像的影响，同时保证时间范围内有足够强的损伤区域内的导波叠加，选择的导波能量计算时间范围为[0μs,40μs]，即首个导波波包到达之前。

导波能量计算时间范围[t_l,t_h]是根据经验人为选取的，该时间范围中w_single(t)信号里应该避免包含不同模态首次到达的波包。需要强调的是，时间范围[t_l,t_h]可以在首个导波达到之前，也可以在首个导波到达之后。

2)根据重构的虚拟重复频率的导波波场数据w(x,y,t,f)和导波能量计算时间范围[t_l,t_h]，按公式(5)计算虚拟重复频率为f的基于导波信号能量的损伤图像E(x,y,f)。

本实施例中100Hz、500Hz、1kHz、5kHz和10kHz的虚拟激励频率对应的[0μs,40μs]时间范围内的导波能量图为E(x,y,100)、E(x,y,500)、E(x,y,1000)、E(x,y,5000)和E(x,y,10000)，即为不同重复频率激励的损伤图像。图4给出了典型的不同重复频率激励的损伤图像E(x,y,f)，此图例f为1kHz。

步骤104：根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

1)根据不同虚拟重复频率的基于导波信号能量的损伤图像E(x,y,f)，按公式(6)计算得到基于数据融合的损伤图像E*(x,y)。

本实施例中通过E*(x,y)，确定损伤出现在5个不同的位置，每个损伤面积为40mm×20mm。

2)根据损伤图像E*(x,y)中损伤的位置和形状，对比不同虚拟重复频率的基于导波信号能量的损伤图像E(x,y,f)，以E*(x,y)和E(x,y,f)相似为标准，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率f*。

评判E*(x,y)和E(x,y,f)相似可以通过计算不同虚拟重复频率f时E(x,y,f)的损伤因子-噪声比DINR(f)来实现，即：

f^*＝argmaxDINR(f) (7)

其中：

其中Ω为根据E*(x,y)识别出的损伤区域范围。

本实施例中通过E*(x,y)，确定损伤出现在5个不同的位置，每个损伤面积为40mm×20mm；根据损伤图像E*(x,y)中损伤的位置和形状，对比不同虚拟重复频率的基于导波信号能量的损伤图像，即E(x,y,100)、E(x,y,500)、E(x,y,1000)、E(x,y,5000)和E(x,y,10000)。按公式(8)计算得到五个不同损伤在不同虚拟重复频率下的平均损伤因子-噪声比，根据平均损伤因子-噪声比最大的原则，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率f*为1kHz。

步骤105：根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

如图5所示，本发明还提供了一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，所述系统包括：

导波波场数据获取模块501，用于利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据。

所述导波波场数据获取模块501具体包括：

导波响应信号获取单元，对所述被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号；

导波信号持续时间确定单元，用于根据所述导波响应信号，确定单次激光激励的导波信号持续时间；

重复频率上限确定单元，用于根据所述导波信号持续时间，确定导波波场数据测量的重复频率上限；

低重复频率选取单元，用于根据所述重复频率上限，选取低重复频率；所述低重复频率小于所述重复频率上限；

导波波场数据获取单元，用于按照所述低重复频率进行扫描，获取所述低重复频率激励的导波波场数据。

重构模块502，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

所述重构模块502具体包括：

虚拟重复频率获取单元，用于获取待重构的导波波场数据的虚拟重复频率；

叠加点数获取单元，用于获取待重构的导波波场数据的叠加点数；

叠加延时获取单元，用于根据所述虚拟重复频率计算叠加延时；

重构单元，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据、所述叠加点数、所述叠加延时，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

损伤图像计算模块503，用于根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

所述损伤图像计算模块503具体包括：

时间范围计算单元，用于根据所述导波响应信号，确定导波能量计算时间范围；

损伤图像计算单元，用于根据所述导波能量计算时间范围以及所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

最佳重复频率确定模块504，用于根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

所述最佳重复频率计算模块504具体包括：

融合损伤图像计算单元，用于根据所述损伤图形计算基于数据融合的损伤图像；

最佳重复频率计算单元，用于对比所述损伤图像以及所述基于数据融合的损伤图像，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

检测模块505，用于根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

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)

1.一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述方法包括：

利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据；

根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据；

根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像；

根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率；

根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

2.根据权利要求1所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据，具体包括：

对损伤被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号；

根据所述导波响应信号，确定单次激光激励的导波信号持续时间；

根据所述导波信号持续时间，确定导波波场数据测量的重复频率上限；

根据所述重复频率上限，选取低重复频率；所述低重复频率小于所述重复频率上限；

按照所述低重复频率进行扫描，获取所述低重复频率激励的导波波场数据。

3.根据权利要求1所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据，具体包括：

获取待重构的导波波场数据的虚拟重复频率；

获取待重构的导波波场数据的叠加点数；

根据所述虚拟重复频率计算叠加延时；

根据所述低重复频率激励的导波波场数据、所述叠加点数、所述叠加延时，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

4.根据权利要求2所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像，具体包括：

根据所述导波响应信号，确定导波能量计算时间范围；

根据所述导波能量计算时间范围以及所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

5.根据权利要求1所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法，其特征在于，所述根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率，具体包括：

根据所述损伤图像计算基于数据融合的损伤图像；

对比所述损伤图像和所述基于数据融合的损伤图像，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

6.一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，其特征在于，所述系统包括：

导波波场数据获取模块，用于利用激光超声系统对被测结构进行扫描，获取低重复频率激励的导波波场数据；

重构模块，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据；

损伤图像计算模块，用于根据所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像；

最佳重复频率确定模块，用于根据所述损伤图像确定检测效果最佳的激光激励的重复频率；

检测模块，用于根据所述检测效果最佳的激光激励的重复频率进行无损检测。

7.根据权利要求6所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，其特征在于，所述导波波场数据获取模块具体包括：

导波响应信号获取单元，对所述被测结构进行单次激光激励，利用传感器获取导波响应信号；

导波信号持续时间确定单元，用于根据所述导波响应信号，确定单次激光激励的导波信号持续时间；

重复频率上限确定单元，用于根据所述导波信号持续时间，确定导波波场数据测量的重复频率上限；

低重复频率选取单元，用于根据所述重复频率上限，选取低重复频率；所述低重复频率小于所述重复频率上限；

导波波场数据获取单元，用于按照所述低重复频率进行扫描，获取所述低重复频率激励的导波波场数据。

8.根据权利要求6所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，其特征在于，所述重构模块具体包括：

虚拟重复频率获取单元，用于获取待重构的导波场数据的虚拟重复频率；

叠加点数获取单元，用于获取待重构的导波场数据的叠加点数；

叠加延时获取单元，用于根据所述虚拟重复频率计算叠加延时；

重构单元，用于根据所述低重复频率激励的导波波场数据、所述叠加点数、所述叠加延时，重构虚拟重复频率激励的导波波场数据。

9.根据权利要求7所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，其特征在于，所述损伤图像计算模块具体包括：

时间范围计算单元，用于根据所述导波响应信号，确定导波能量计算时间范围；

损伤图像计算单元，用于根据所述导波能量计算时间范围以及所述虚拟重复频率激励的导波波场数据，计算不同重复频率激励的损伤图像。

10.根据权利要求6所述的重复频率虚拟调控的激光超声无损检测系统，其特征在于，所述最佳重复频率计算模块具体包括：

融合损伤图像计算单元，用于根据所述损伤图形计算基于数据融合的损伤图像；

最佳重复频率计算单元，用于对比所述损伤图像以及所述基于数据融合的损伤图像，确定检测效果最佳的激光激励的重复频率。

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