CN114384152B - 基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统 - Google Patents

基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开属于超声导波结构健康监测技术领域，提供了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统，包括以下步骤：获取不同状态下的结构导波信号；根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。

Description

基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统
技术领域
本公开属于超声导波结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
碳纤维复合材料是一种具有耐高温、耐腐蚀、比重小、比强度高等优良力学性能的新型材料，广泛应用于飞机机体、导弹壳体、高速列车和地铁机体及转向架的制造。但随着设备使用时间的增加，复合材料结构内部可能出现裂纹或分层，威胁设备的安全。因此，开展复合材料结构健康监测与损伤检测具有重要意义。超声导波技术以损伤信息为传输介质，具有检测速度快、监测范围广、灵敏度高等优点，已成为无损健康检测领域的研究热点。
目前研究较多的超声导波损伤检测方法主要有飞行时间法(Time Of Flight，简称TOF)和路径成像法。基于飞行时间的损伤三角定位方法是将传播时间和波速相结合，以损伤坐标为未知参数，建立距离-时间的椭圆或双曲线方程，然后通过求解方程组直接得到损伤位置；实现过程简单，但对散射信号到达时间和波速的计算精度要求较高，若参数求解不当，可能会出现无解的情况。相比之下，虚拟时间反转(VTR)和延迟累加和(DAS)方法不需要确定散射信号的到达时间，而是将监测区域划分为多个搜索点，并计算每个搜索点到阵列中传感器的距离；然后结合波速计算搜索点的TOF，将散射信号的能量叠加得到监测区域内的能量分布，并将能量最大的搜索点作为损伤位置。不少研究学者先后开展了VTR和DAS算法的原理及其在结构健康监测中的应用研究，对其在不同的探测结构和不同的应用场景中的有效性和准确性进行了验证。路径成像法是一种加权分布损伤诊断方法，通常以损伤引起的导波变化程度作为损伤指标，结合空间概率分布函数得到各传感路径的损伤指标分布。最后，对每条路径的损伤指数分布进行累加，得到整个监测区域的损伤指数分布，以最大损伤指数集中区域作为损伤位置。传统的路径成像方法将受损信号与健康信号之间的不相关系数作为损伤指标。计算过程简单，但损伤位置只能定位到传感路径的交点处，定位精度较低。
发明人通过分析TOF和基于路径成像的损伤定位技术发现，基于路径成像的损伤定位方法需要较少的先验知识，定位速度快，但定位精度与传感器阵列稀疏有关，传感器路径越多，定位精度越高，传感器路径越少，定位精度越低。基于TOF的损伤定位方法理论比较成熟，其实现依赖于波速的精确测量。然而，复合材料结构各向异性，其各个方向上的波速难以准确测量。精度和效率是结构损伤检测的两个重要因素，开展高精度、高效率的各向异性结构损伤定位方法研究，对碳纤维复合材料结构健康监测具有重要应用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法及系统，通过有效路径选取和搜索点匹配操作，缩小损伤点的搜索区域，提高损伤定位的精度和速度。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，采用如下技术方案：
一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，包括以下步骤：
获取不同状态下的结构导波信号；
根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；
根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。
作为进一步的技术限定，所述不同状态至少包括健康状态和损伤状态。
进一步的，所述筛选损伤有效路径的过程中，基于健康状态和损伤状态下的导波信号，计算出各条传感路径的损伤因子，设置损伤因子阈值，筛选出损伤因子大于损伤因子阈值的传感路径为损伤有效路径。
进一步的，根据所筛选的损伤有效路径，得到损伤有效路径的散射信号，对所得到的损伤有效路径的散射信号进行Hilbert变换，得到损伤有效路径的散射信号包络，所述损伤有效路径的散射信号包络最大值所对应的时间即为损伤有效路径的损伤飞行时间。
作为进一步的技术限定，所述搜索点的飞行时间与搜索点的坐标以及导波的传播速度有关。
作为进一步的技术限定，根据所得到的飞行时间之差，计算搜索点和损伤有效路径的飞行时间之差矩阵，通过判断所得到的飞行时间之差矩阵与激励信号的半个周期长度个数之间的关系，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点。
进一步的，若飞行时间之差矩阵大于激励信号的半个周期长度的个数大于损伤有效路径个数的八分之一，则该搜索点与损伤的匹配程度低，不属于有效搜索点；
若飞行时间之差矩阵大于激励信号的半个周期长度的个数小于或等于损伤有效路径个数的八分之一，则该搜索点与损伤的匹配程度高，属于有效搜索点。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统，采用如下技术方案：
一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统，包括：
获取模块，被配置为获取不同状态下的结构导波信号；
筛选模块，被配置为根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
搜索点匹配模块，被配置为分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
损伤定位模块，被配置为根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方案所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方案所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过布置密集的传感阵列监测信号，可以获取更多丰富的损伤信息，实现大面积区域的结构损伤监测；利用压电传感器布置对称的传感网络，可降低波速参数对定位准确性的影响；设置损伤因子阈值，选取受损伤影响较大的传感路径作为有效路径，可降低参与损伤定位的无效路径数量，有效提高定位精度；设置TOF差阈值对搜索点和损伤进行匹配，可有效缩小损伤搜索区域，大幅提高定位效率；基于有效路径的散射信号，可得到有效搜索点的能量分布结果，根据该结果，可实现损伤的精确、快速定位。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法的流程图；
图2是本公开实施例一中的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法的具体工作流程图；
图3是本公开实施例一中的基于超声导波的复合材料结构损伤识别的硬件结构示意图；
图4是本公开实施例二中的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法。
如图1所示的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，包括以下步骤：
获取不同状态下的结构导波信号；
根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；
根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。
本实施例利用压电传感阵列、超声导波检测仪器、上位机搭建复合材料平板结构损伤定位系统，利用有效路径选取和搜索点匹配操作提高损伤定位的精度和速度。首先，基于传感阵列采集的结构在健康状态和损伤状态下的导波信号，计算出各条传感路径的损伤因子D；然后，设定损伤因子阈值dth，将损伤因子大于阈值的路径视为与损伤有关的有效路径，后续只对有效路径的信号进行处理；然后，通过比较有效路径上损伤和搜索点的飞行时间(TOF)差，筛选出与损伤匹配度较高的搜索点，缩小损伤搜索区域，提高定位效率。最后，基于Hilbert变换得到的散射信号包络，计算有效搜索点的能量，将最大能量集中区域的中心认定为损伤位置。
基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法的具体工作流程如图2所示，下面展开详细介绍。
首先，搭建如图3所示的基于超声导波的复合材料结构损伤识别的硬件结构，包括碳纤维复合材料结构、压电传感阵列、超声导波监测仪器、上位机等组成；用环氧树脂将压电传感器PZT1-PZT12粘贴在待测结构表面上，构成圆形传感阵列，负责激励与接收结构表面传播的超声导波信号；用导线将传感阵列与超声导波监测仪连接，导波监测仪具有信号发生、能量放大、高速采集、带通滤波等功能，负责双向传输导波信号；利用通信线缆将导波监测仪与上位机连接，上位机负责设置系统参数、显示与存储导波信号等。
采用“一发多收”轮巡的方式发射五峰波激励信号，基于上述系统采集的结构健康导波信号(shealth)和损伤导波信号(sdamage)，根据公式(1)计算出各条传感路径的损伤因子：
其中，和/>分别代表第i条路径健康信号和损伤信号的平均值。
基于上述得到的损伤因子，通过设置损伤因子阈值dth，认为损伤因子大于所设阈值的路径为受损伤影响较大的损伤有效路径。在后续过程中，只对损伤有效路径的信号进行处理和分析。
根据系统采集的有效路径健康和损伤信号，得到损伤有效路径的散射信号；基于Hilbert变换，得到散射信号包络，将包络最大值对应时间记录为损伤有效路径的损伤飞行时间TOF-TD。
初始化搜索点为监测区域内的任意一点，根据公式(2)计算搜索点(x,y)的飞行时间TOF-TS，其中，(xai,yai)和(xri,yri)分别为第i条路径激励器和接收器的坐标，v为导波在结构中的传播速度：
计算当前搜索点和损伤的TOF差矩阵ΔT＝|TD-TS|：①如果ΔT大于tth(tth约为激励信号的半个周期长度)的个数大于有效路径个数的八分之一，则认为当前搜索点与损伤的匹配程度较低，则不对其累加能量进行计算。②若ΔT大于tth(tth约为激励信号的半个周期长度)的个数小于或等于有效路径个数的八分之一，则认为当前搜索点与损伤有较高的匹配度，标记其为有效搜索点，并根据公式(3)计算出当前搜索点的累加能量E(x,y)，即
再判断是否完成整个监测区域的搜索：若未完成，则更新搜索点，进行一轮的判断和计算；若已完成，则终止迭代，得到所有有效搜索点的累加能量E，并绘制累加能量分布图。
基于上述得到的累加能量图，得到能量大于0.998×最大能量的区域，将该区域的中心作为损伤检测位置。
本实施例通过布置密集、对称的传感阵列，可以获取监测区域内与损伤相关的更多信息，减小波速对各向异性结构定位的影响，保障损伤定位结果的稳定性；利用损伤因子作为有效路径的选取依据，可有效减少参与定位的无效路径数量，提高损伤定位精度；利用TOF进行搜索点与损伤匹配，可大幅度缩小损伤点的搜索区域，有效提高损伤定位效率，为复合材料结构的损伤检测提供新的思路。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统。
如图4所示的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统，包括：
获取模块，被配置为获取不同状态下的结构导波信号；
筛选模块，被配置为根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
搜索点匹配模块，被配置为分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
损伤定位模块，被配置为根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。
详细步骤与实施例一提供的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取不同状态下的结构导波信号：健康信号与损伤信号；
根据所获取的导波信号计算各传感路径的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
第i条路径的损伤因子di的计算公式为：
shealth代表健康信号，sdamage代表损伤信号；和/>分别代表第i条路径健康信号和损伤信号的平均值；
分别计算监测区域内各搜索点在所述损伤有效路径上的飞行时间矩阵TS和所述损伤有效路径的损伤飞行时间矩阵TD，得到损伤有效路径上损伤飞行时间与搜索点的飞行时间矩阵之差ΔT＝|TD-TS|；
所述损伤有效路径的搜索点(x,y)的飞行时间tixy的计算公式为
其中，(xai,yai)和(xri,yri)分别为第i条损伤有效路径上激励器和接收器的坐标，v为导波在结构中的传播速度：
根据所得到的飞行时间矩阵之差ΔT＝|TD-TS|，通过判断所得到的飞行时间矩阵之差ΔT与激励信号半周期长度个数之间的关系，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
根据所述损伤有效路径的散射信号包络和所述有效搜索点，计算有效搜索点的累加能量E(x,y)，确定损伤位置；
能量计算公式为：
判断是否完成整个监测区域的搜索：得到所有有效搜索点的累加能量，并绘制累加能量分布图；基于所述累加能量分布图，得到能量大于0.998×最大能量的区域，将该区域的中心作为损伤检测位置。
2.如权利要求1中所述的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，所述不同状态至少包括健康状态和损伤状态。
3.如权利要求2中所述的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，所述筛选损伤有效路径的过程中，基于健康状态和损伤状态下的导波信号，计算出各条传感路径的损伤因子，设置损伤因子阈值，筛选出损伤因子大于损伤因子阈值的传感路径为损伤有效路径。
4.如权利要求3中所述的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，根据所筛选的损伤有效路径，得到损伤有效路径的散射信号，对所得到的损伤有效路径的散射信号进行线性变换，得到损伤有效路径的散射信号包络，所述损伤有效路径的散射信号包络最大值所对应的时间即为损伤有效路径的损伤飞行时间。
5.如权利要求1中所述的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，所述搜索点的飞行时间与搜索点的坐标以及导波的传播速度有关。
6.如权利要求1中所述的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法，其特征在于，
若飞行时间之差矩阵大于激励信号的半个周期长度的个数大于损伤有效路径个数的八分之一，则该搜索点与损伤的匹配程度低，不属于有效搜索点；
若飞行时间之差矩阵大于激励信号的半个周期长度的个数小于损伤有效路径个数的八分之一，则该搜索点与损伤的匹配程度高，属于有效搜索点。
7.使用权利要求1-6任一项所述基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法的一种基于搜索点匹配的超声导波损伤定位系统，其特征在于，包括：
获取模块，被配置为获取不同状态下的结构导波信号；
筛选模块，被配置为根据所获取的导波信号计算不同状态下的损伤因子，基于所得到的损伤因子筛选损伤有效路径；
搜索点匹配模块，被配置为分别计算搜索点的飞行时间和所述损伤有效路径的损伤飞行时间，得到损伤有效路径的损伤飞行时间与搜索点的飞行时间之差；根据所得到的飞行时间之差，筛选损伤匹配程度高的搜索点，得到有效搜索点；
损伤定位模块，被配置为根据所述损伤有效路径的散射信号和所述有效搜索点，计算有效搜索点的能量，确定损伤位置。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的基于搜索点匹配的超声导波损伤定位方法中的步骤。
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