CN111624252B - 一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法，包括如下步骤：将第一传感器阵列和第二传感器阵列在被测结构表面按照竖直和水平方向布置；第一传感器阵列产生第一激励信号对被测结构表面上以第一传感器阵列为对称轴的任意2个对称焦点同时进行检测，当第一传感器阵列接收到第一回波信号时，则2个对称焦点中至少一个为损伤点；第二传感器阵列产生第二激励信号对所述对称焦点分别进行检测，当第二传感器阵列从所述对称焦点中的某个焦点接收到第二回波信号时，则该焦点为损伤点；计算所述损伤点的能量，根据能量大小确定损伤点的损伤程度。

Description

一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法

技术领域

本公开属于结构健康监测领域，具体涉及一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法。

背景技术

Lamb波是一种存在于薄板结构中的超声导波，具有长距离传播低衰减性以及对薄板结构的内部和表面损伤的高敏感性的特点，因此广泛应用于各种板状或壳状结构的健康监测，如飞机外壳及叶片、储油(气)罐和各种输油(气)管道等的结构损伤检测。

Lamb波相控阵聚焦是一种提高损伤检测分辨率的方法，多个激励器激发的Lamb波聚焦在同一点，从而可以增强损伤点反射回来的信号强度，提高损伤检测分辨率。通常，Lamb波相控阵聚焦采用单点聚焦，即所有激励器激发的Lamb波只聚焦在一点，这是通过采用二维传感器阵列来实现的。二维传感器阵列排布形式多种多样，有环形排布、矩形排布以及分布式排布等。这种二维传感器阵列的单点聚焦方式在聚焦点数量大时，不仅耗费的时间长，而且数据量也大。然而，一维线性阵列传感器激发的Lamb波可以同时拥有两个聚焦点，意味着一维线性阵列传感器可以同时检测两个点。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法，能提高Lamb波相控阵聚焦检测速度，极大节省结构损伤的检测时间。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法，包括如下步骤：

S100：将第一传感器阵列和第二传感器阵列在被测结构表面按照竖直和水平方向布置；

S200：第一传感器阵列产生第一激励信号对被测结构表面上以第一传感器阵列为对称轴的任意2个对称焦点同时进行检测，当第一传感器阵列接收到第一回波信号时，则2个对称焦点中至少一个为损伤点；

S300：第二传感器阵列产生第二激励信号对所述对称焦点分别进行检测，当第二传感器阵列从所述对称焦点中的某个焦点接收到第二回波信号时，则该焦点为损伤点；

S400：计算所述损伤点的能量，根据能量大小确定损伤点的损伤程度。

优选的，步骤S200和步骤S300中，所述第一和第二激励信号定义如下：

其中，f_m为调制频率，f_c为中心频率，且f_c＝(3～5)f_m，t为焦点处信号的持续时间，1/f_m为时间长度，π为圆周率。

优选的，由于所述第一和第二激励信号在传播中呈频散状态，需要对所述第一和第二激励信号进行频散预补偿获得频散预补偿激励信号，所述频散预补偿激励信号为：

其中，w为角频率，t为频散补偿后的信号时间长度，G(w)为信号g_mn(t)的频域表示形式，e为自然对数符号，i为虚数单位，k(w)为与角频率相关的波数，单位为1/m，L_mn为第m个激励器到第n个焦点的距离。

优选的，所述第m个传感器到第n个焦点的距离L_mn定义为：

其中，m表示传感器阵元数目，n表示预设的焦点的数目，P_xm为第m个传感器阵元的x坐标值，P_ym为第m个传感器阵元的y坐标值，F_xn为第n个待检测焦点的x坐标值，F_yn为第n个待检测焦点的y坐标值。

优选的，所述第一和第二回波信号定义为：

其中，w为角频率，S(w)为焦点聚焦信号s_n(t)的频域表示，i表示虚数，L_mn为第n个焦点到第m个传感器的距离。

优选的，所述焦点聚焦信号s_n(t)定义为：

优选的，由于所述第一和第二回波信号在传播过程中成时域弥散状态，需要对所述第一和第二回波信号进行时域压缩获得时域压缩信号，所述时域压缩信号表示为：

其中，w为角频率，R(w)为接收的回波信号的频域形式，L_mn为第n个焦点到第m个传感器阵元的距离。

优选的，所述损伤点的能量通过下式计算：

其中，p_n(t)为时域压缩信号的和，记为

t为接收的回波信号的时间长度，t₁为初始聚焦时刻，w＝1/f_m为积分时间宽度。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：能够解决线性阵列传感器的双焦点问题，也能够将Lamb波相控阵聚焦检测方法的数据量缩小一倍，从而使得检测速度提高一倍，大大节省了检测时间，同时，也节省了较二维阵列单焦点检测方法一半的数据存储空间。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法流程图；

图2是本公开一个实施例提供的传感器布置示意图；

图3是本公开一个实施例提供的传感器对焦点进行检测的示意图；

图4为本公开一个实施例提供的预补偿时延激励信号随着传播过程的波形变化图。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法，包括如下步骤：

S100：将第一传感器阵列和第二传感器阵列在被测结构表面按照竖直和水平方向布置；

该步骤中，示例性的，如图2所示，将两个传感器阵列在被测结构表面按照竖直和水平方向进行布置，被测结构与传感器阵列用粘接剂固定，其中，竖直方向布置的传感器阵列P_y为损伤检测阵列；水平方向布置的传感器阵列P_x为去伪损伤阵列。传感器阵列P_y和P_x将检测焦点对称划分为四个板块，且四个板块的形状必须完全一样。左右对称的焦点板块为竖直排布的传感器阵列P_y的检测区域，上下对称的焦点板块为水平排布的传感器阵列P_x的检测区域。

S200：第一传感器阵列产生第一激励信号对被测结构表面上以第一传感器阵列为对称轴的任意2个对称焦点同时进行检测，当第一传感器阵列接收到第一回波信号时，则2个对称焦点中至少一个为损伤点；

该步骤中，示例性的，如图3所示，两列传感器阵列分时激励，首先使用线性阵列P_y检测所有焦点，将能量对称聚焦在点D_T和D_F，当某一焦点(F_xi，F_yi)处存在损伤时，将会出现两个对称损伤点，一个为真实损伤点(F_xi，F_yi)，另一个为伪损伤点(F′_xi，F′_yi)，且F_xi＝-F′_xi，F_yi＝F′_yi(若水平阵列P_x作为损伤检测阵列，竖直阵列P_y为去伪损伤阵列，则：F_xi＝F′_xi，F_yi＝-F′_yi)，这两个焦点位置任一个出现损伤时P_y将会接收到反射回来的信号，相当于一次激励信号就能检测两个焦点，但是此时尚不能确定哪一个焦点才是真正的损伤点，这就是线性阵列传感器布置方法的双焦点问题。

另外，传感器阵列发出的激励信号需要根据传感器到焦点的距离进行设计，假设各个传感器阵元的坐标为(P_x1，P_y1)…(P_xm，P_ym)，待检测焦点坐标为(F_x1，F_y1)…(F_xn，F_yn)，则传感器阵元到焦点的距离矩阵为：

式中，

其中，m为传感器阵元的数目，n为预设焦点的数目。

第一和第二激励信号定义为：

其中，f_m为调制频率，f_c为中心频率，且f_c＝(3～5)f_m，t为焦点处信号的持续时间，1/f_m为时间长度，π为圆周率；

能够理解，由于Lamb波在传播过程中是频散的，信号的不同频率成分有不同的速度，这会造成激励的信号会随着传播距离和时间的增加，原来紧凑的时域信号会被拉长，呈现弥散的状态，造成信号的能量降低和定位不准的问题。因此需要对激励信号进行频散预补偿，以使信号到达待检测点时能够在时域上紧凑(即呈现非弥散状态)。

对第一和第二激励信号进行频散预补偿获得的频散预补偿信号如下所示：

其中，w为角频率，t为频散补偿后的信号时间长度，G(w)为信号g_mn(t)的频域表示形式，e为自然对数符号，i为虚数单位，k(w)为与角频率相关的波数，单位为1/m，L_mn为第m个激励器到第n个焦点的距离。

另外，为了使各个传感器发出的激励信号到达焦点的时刻相同，如图4所示，应当对激励信号进行延时处理，延时时间为：t_d＝t_s-t_tof，t_s为设定的到达焦点时刻，t_tof为信号峰值从激励器到焦点的传播时间。频散补偿加延时处理的激励信号能够在设定的0.5ms时刻聚焦，明显可以看出聚焦信号的相对幅值最高。

S300：第二传感器阵列产生第二激励信号对所述对称焦点分别进行检测，当第二传感器阵列从所述对称焦点中的某个焦点接收到第二回波信号时，则该焦点为损伤点；

第一和第二回波信号定义为：

其中，w为角频率，S(w)为焦点聚焦信号s_n(t)的频域表示，L_mn为第n个焦点到第m个传感器阵元的距离。

能够理解，传感器接收的第一和第二回波信号为时域弥散的，因此，需要对第一和第二回波信号进行时域压缩获得时域压缩信号r_mn(t)，表示为：

其中，w为角频率，R(w)为接收的回波信号的频域形式，L_mn为第n个焦点到第m个传感器阵元的距离。

S400：计算所述损伤点的能量，根据能量大小确定损伤点的损伤程度。

该步骤中，需要进一步对时域压缩信号进行求和，以增强对焦点的健康状态的识别能力，时域压缩信号求和记为：

根据时域压缩信号求和在聚焦时间段(t₁，t₁+w)的能量对待测焦点的损伤程度进行诊断，所述能量记为：

其中，t₁为初始聚焦时刻。

通过对所有待测焦点的能量进行归一化处理，设定阈值为0.8，将损伤点的能量与该阈值进行比较，可以表征该损伤点的健康状况。

现有的检测方式是通过二维传感器阵列的形式进行单焦点检测，即二维阵列的所有传感器同时激励Lamb波进行聚焦检测。而本公开采用2个一维阵列，一个作为损伤检测阵列，一个作为去伪损伤阵列。若被测结构共设n个检测焦点，二维的单焦点检测传感器阵列需要激励n次Lamb波信号，而本公开基于新的传感器布置的检测方法只需要激励n/2次Lamb波信号，这是由线性阵列可以一次检测两个对称点实现的。因此，在数据量和检测时间上均为所述二维阵列布置方法的一半，在结构健康检测的数据存储和快速性上面占有明显的优势。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (8)

1.一种提高Lamb波相控阵聚焦检测速度的方法，包括如下步骤：

S100：将第一传感器阵列和第二传感器阵列在被测结构表面按照竖直和水平方向布置；

S200：第一传感器阵列产生第一激励信号对被测结构表面上以第一传感器阵列为对称轴的任意2个对称焦点同时进行检测，当第一传感器阵列接收到第一回波信号时，则2个对称焦点中至少一个为损伤点；

S300：第二传感器阵列产生第二激励信号对所述对称焦点分别进行检测，当第二传感器阵列从所述对称焦点中的某个焦点接收到第二回波信号时，则该焦点为损伤点；

S400：计算所述损伤点的能量，根据能量大小确定损伤点的损伤程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤S200和步骤S300中，所述第一激励信号和第二激励信号定义如下：

其中，f_m为调制频率，f_c为中心频率，且f_c＝(3～5)f_m，t为焦点处信号的持续时间，1/f_m为时间长度，π为圆周率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，由于所述第一激励信号和第二激励信号在传播中呈频散状态，需要对所述第一激励信号和第二激励信号进行频散预补偿获得频散预补偿激励信号，所述频散预补偿激励信号为：

其中，w为角频率，t为频散补偿后的信号时间长度，G(w)为信号g_mn(t)的频域表示形式，e为自然对数符号，i为虚数单位，k(w)为与角频率相关的波数，单位为1/m，L_mn为第m个激励器到第n个焦点的距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第m个传感器到第n个焦点的距离L_mn定义为：

其中，m表示传感器阵元数目，n表示预设的焦点的数目，P_xm为第m个传感器阵元的x坐标值，P_ym为第m个传感器阵元的y坐标值，F_xn为第n个待检测焦点的x坐标值，F_yn为第n个待检测焦点的y坐标值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一回波信号和第二回波信号定义为：

其中，w为角频率，k(w)为与角频率相关的波数，S(w)为焦点聚焦信号s_n(t)的频域表示，i表示虚数，L_mn为第n个焦点到第m个传感器的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述焦点聚焦信号s_n(t)定义为：

其中，所述g_mn(t)为激励信号。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，由于所述第一回波信号和第二回波信号在传播过程中成时域弥散状态，需要对所述第一回波信号和第二回波信号进行时域压缩获得时域压缩信号，所述时域压缩信号表示为：

其中，w为角频率，R(w)为接收的回波信号的频域形式，L_mn为第n个焦点到第m个传感器阵元的距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述损伤点的能量通过下式计算：

其中，p_n(t)为时域压缩信号的和，记为

t为接收的回波信号的时间长度，t₁为初始聚焦时刻，w＝1/f_m为积分时间宽度。

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