CN115754007A - 一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法。将被检测对象上的测试区域分隔成多个单元格，生成初始模型，将在测试区域设置的每对激励传感器与响应传感器之间的弹性波传播视为射线；根据所述初始模型利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出射线所经过的单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵；根据所述距离矩阵依据图像重建算法实现所述被检测对象内部损伤特征的显现。本发明可以解决一些有损或无损检测方法不能实现损伤位置的可视化以及精确判断损伤的位置与大小等等问题，为材料结构损伤检测提供一种新的方案。本发明方法的算法已经通过我们编写出的软件成功实现。

Description

一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法。

背景技术

近年来，我国基础设施建设的发展日新月异，但在水利工程、桥梁、建筑以及现代工业等领域，仍然存在大部分结构材料因长时间使用、外部环境的侵蚀、材料自身的老化以及长期受载产生的疲劳等因素的耦合作用，而产生结构及系统的损伤和变形，使得其抵抗灾害的能力大打折扣。一旦这些结构较大的基础设施发生损坏，将会造成巨大的经济损失，甚至是不可弥补的人员伤亡。因此，及时检测发现结构损伤极其重要。目前，传统的无损检测技术，例如电磁探伤和超声波探伤等技术被广泛地应用于疲劳损伤检测中。

目前，现有技术中的无损检测方法可以探测到结构的表面或内部的缺陷，从而保证结构的健康状态，但是不能探测到结构内部早期的损伤，不能实现损伤位置的可视化以及精确判断损伤的位置与大小等。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法，以实现有效地对材料进行损伤检测。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法，包括：

将被检测对象上的测试区域分隔成多个单元格，生成初始模型，在测试区域设置多个激励传感器与响应传感器，将每对激励传感器与响应传感器之间弹性波的传播视为射线；

根据所述初始模型利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出射线所经过的单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵；

根据所述距离矩阵依据图像重建算法实现所述被检测对象内部损伤特征的显现。

优选地，所述的将被检测对象上的测试区域分隔成多个单元格，生成初始模型，在测试区域设置多个激励传感器与响应传感器，将每对激励传感器与响应传感器之间弹性波传播视为射线，包括：

将被检测对象上的测试区域进行离散化处理，将测试区域分隔成多个面积相同的矩形的单元格，生成初始模型；

在测试区域内的被检测对象的两侧平行设置相等数量的激励传感器和响应传感器，每个激励传感器与响应传感器之间的连线称为一条射线。

优选地，所述的根据所述初始模型利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出射线所经过的单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵，包括：

根据测试区域所构建的初始模型，利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出是经过的哪个单元格；

当有m条射线穿过测试区域时，通过正演算法得到成像方程如下：

其中，a_mn为第m条射线穿过的第n个网格的路径长度；

s_n为第n个单元网格内的波慢，该波慢为速度的倒数；

t_m为第m条射线穿越网格的旅行时间将上述式(1)写成矩阵形式：AS＝T；

式中A为距离矩阵；T为旅行时间列向量；S为慢度列向量。

获取每条射线与网格线的水平交点和垂直交点，去除重合的交点以及不在测试范围中的交点，并将剩余交点按照横坐标值进行排序，根据排序后的交点计算出每个单元格中各段射线长度，对各线段中点进行求解，通过中点坐标将各段射线长度与单元格进行匹配，求出距离矩阵A。

优选地，所述的根据所述距离矩阵依据图像重建算法实现所述被检测对象内部损伤特征的显现，包括：

给距离矩阵中的第j个单元格元素赋予初始波慢值，再按照距离矩阵中的网格单元的顺序，利用公式(2)从第一个单元格到最后一个单元格进行迭代计算，迭代完成后，得到第j个单元格元素的波慢值为

一轮迭代结束，之后判断

是否满足迭代收敛准则，如果满足要求则退出迭代计算，不满足收敛准，则将

作为下一轮迭代计算中的波速初值，再利用公式(2)迭代计算第j个单元格元素的波慢值，不断循环上述迭代计算过程，直到第j个单元格元素的波慢值满足迭代收敛准则；

迭代计算距离矩阵中的各个单元格元素的波慢值的计算公式如下：

s⁰为波速初值，k为迭代次数；i为第i条射线，M_j为距离矩阵A中的第j列中非零元素的个数，s^k代表第k轮迭代求出的所有单元格的波慢值，

代表第k轮求出的第j个单元格的波慢，a_ij代表距离矩阵中的第i行第j列个元素，a_i代表距离矩阵A的第i行，t_i代表第i条射线的旅行时间；

迭代收敛标准：

式中，s^k+1为第k+1轮迭代求出的波慢值，s^k为第k轮迭代求出的波慢值，ε为收敛因子；

用不同的颜色代表不同的波慢值，根据每个单元格元素的波慢值大小填入相应的颜色，汇成波速场图像，在波速场图像中单元格元素的波慢值越大，则代表该单元格元素区域中的被检测对象的损伤越严重。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明可以解决一些有损或无损检测方法不能实现损伤位置的可视化以及精确判断损伤的位置与大小等等问题，为材料结构损伤检测提供一种新的方案。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法的检测流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法的软件流程图；

图3为本发明实施例提供的一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法的算法原理图；

图4为本发明实施例提供的一种激励传感器与响应传感器之间的连线形成射线示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例以层析成像技术为基础进行损伤检测。层析成像检测技术是重建物体内部结构特征的成像技术，也是一种重要的无损检测方法。超声层析成像是在被测物体外部发射超声波信号，接收器接收穿过物体且携带物体内部信息的信号，再利用计算机图像重建方法，重现物体内部二维或三维清晰图像。

本发明实施例提供的一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法的检测流程图如图1所示，软件流程图如图2所示，算法原理图如图3所示，包括如下的处理步骤：

步骤S1：获取数据构建模型。

首先根据测试区域大小设置相等数量的激励传感器与响应传感器。传感器的布置选用两侧式布置，即在被检测对象的两侧平行设置激励传感器坐标和响应传感器坐标。每个激励传感器与响应传感器之间的弹性波传播视为一条射线。图4为本发明实施例提供的一种激励传感器与响应传感器之间的连线形成射线示意图。

之后对测试区域进行离散化处理，通过设计、划分合适数量的网格，，将测试区域分隔成n个面积相同的矩形的单元格，生成初始模型。

通过实验可以获取每条射线的旅行时间，进行后续的算法处理。步骤S2：算法模块。

根据测试区域所构建的初始模型，利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出是经过的哪个单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵。再依据图像重建算法，利用处理器反演研究对象内部未知的物理量分布，实现对象内部特征的重现。

1)成像方程

当有m条射线穿过测试区域时，通过正演算法得到成像方程如下：

其中，a_mn为第m条射线穿过的第n个网格的路径长度；

s_n为第n个单元网格内的波慢，该波慢为速度的倒数；

t_m为第m条射线穿越网格的旅行时间将上述式(1)写成矩阵形式：AS＝T；

式中A为距离矩阵；T为旅行时间列向量；S为慢度列向量。

获取每条射线与网格线的水平交点和垂直交点，去除重合的交点以及不在测试范围中的交点，并将剩余交点按照横坐标值进行排序，根据排序后的交点计算出每个单元格中各段射线长度，对各线段中点进行求解，通过中点坐标将各段射线长度与单元格进行匹配，求出距离矩阵A。

2)图像重建算法

距离矩阵中的各个单元格元素的波慢值的计算公式如下：

上述迭代公式中：s⁰为波速初值；k为表示迭代次数；i为第i条射线，M_j为距离矩阵A中的第j列中非零元素的个数。s^k代表第k轮迭代求出的所有单元格的波慢值，

代表第k轮求出的第j个单元格的波慢，a_ij代表距离矩阵中的第i行第j列个元素，a_i代表距离矩阵A的第i行，t_i代表第i条射线的旅行时间。

给距离矩阵中的第j个单元格元素赋予初始波慢值，再按照距离矩阵中的网格单元的顺序，利用公式(2)从第一个单元格到最后一个单元格进行迭代计算，迭代完成后，得到第j个单元格元素的波慢值为

一轮迭代结束，之后判断

是否满足迭代收敛准则，如果满足要求则退出迭代计算，不满足收敛准，则将

作为下一轮迭代计算中的波速初值，再利用公式(2)迭代计算第j个单元格元素的波慢值，不断循环上述迭代计算过程，直到该单元格元素的波慢值满足迭代收敛准则；

迭代收敛标准：

式中，s^k+1——下一轮迭代求出的波慢值，s^k——本轮迭代求出的波慢值，ε——收敛因子。

根据迭代算法逐个完成各个单元格的波慢计算，从而完成检测区域波速场计算。在实际应用中，可以用不同的颜色代表不同的波速，根据每个单元格波速大小填入颜色，汇成波速场图像。在波速场图像中单元格元素的波慢值越大，则代表该单元格元素区域中的被检测对象的损伤越严重。

弹性波传播过程中由于材料内部分布不均匀或存在缺陷等原因，出现衍射、散射等现象。因此在穿过损伤区域后到达另一端的时间变长，以及振幅发生衰减。当波速越小时，则代表损伤越严重。从而通过波速场图像颜色即可实现损伤区域可视化，对材料损伤的形状、大小和位置等做出分析。

人机交互界面(软件设计)

前处理(Prepro)：

1)数据获取模块：输入测试区域、激励探头坐标、响应探头坐标、输入旅行时间数据。

2)模型构件模块：设计、划分网格；生成模型预览。

后处理(Postpro)：

算法模块：输入迭代次数、设置波速初值。

波速场仿真：根据波速设置的不同，具有重新计算与显示功能。

结果显示(Displm)：

1)热力图输出，显示网格计算速度；热力图采用图像重构算法，经测试该算法误差率较低，足以得出准确的波速场图像。

2)色彩图与等势云图，显示波速场分布，等高线，等速云图，热力图，伪色彩图，等势图，可以得到每个区域的坐标尺寸以及波速场值。

求出各单元波速之后，用不同的颜色代表不同的波慢值，根据每个单元格元素的波慢值大小填入相应的颜色，汇成波速场图像。热力图则是在色彩图的基础上，将各单元的波速标注清楚。等势云图是将同等波速的区域进行连接。三个图像均通过MATLAB函数实现。

综上所述，本发明实施例方法可以解决一些有损或无损检测方法不能实现损伤位置的可视化以及精确判断损伤的位置与大小等等问题，为材料结构损伤检测提供一种新的方案。

本发明所采用的层析成像技术是一种无损检测方法，其传感器频率范围一般都在100kHz以上，远大于设备运行所产生的音频噪声与振动噪声，该技术可检测振幅为10-14m量级的弹性波，检测灵敏度很高。

本发明实施例方法采用图像重构算法进行结构内部波速场重建，可以得到准确的波速场图像。该迭代算法准确率高，速度快，误差小。

本发明实施例方法可视化显示出结构中裂纹、孔隙等缺陷，有热力图、色彩图、等势图波速场多种显示模式。自动进行参数识别与计算、存储。

本发明实施例方法基于C++语言编写软件，效率高，运行速度快，所占内存空间较小。在实际应用中，利用采集系统独立采集，再用MATLAB等数据分析软件进行数据处理也可提取结果。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于声发射技术和层析成像技术的损伤检测方法，其特征在于，包括：

将被检测对象上的测试区域分隔成多个单元格，生成初始模型，在测试区域设置多个激励传感器与响应传感器，将每对激励传感器与响应传感器之间弹性波的传播视为射线；

根据所述初始模型利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出射线所经过的单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵；

根据所述距离矩阵依据图像重建算法实现所述被检测对象内部损伤特征的显现。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将被检测对象上的测试区域分隔成多个单元格，生成初始模型，在测试区域设置多个激励传感器与响应传感器，将每对激励传感器与响应传感器之间弹性波传播视为射线，包括：

将被检测对象上的测试区域进行离散化处理，将测试区域分隔成多个面积相同的矩形的单元格，生成初始模型；

在测试区域内的被检测对象的两侧平行设置相等数量的激励传感器和响应传感器，每个激励传感器与响应传感器之间的连线称为一条射线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述初始模型利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出射线所经过的单元格，通过正演算法形成成像方程中的距离矩阵，包括：

根据测试区域所构建的初始模型，利用射线追踪算法计算出每条射线穿过测试区域时所经过的每个成像的单元格的长度，并标注出是经过的哪个单元格；

当有m条射线穿过测试区域时，通过正演算法得到成像方程如下：

其中，a_mn为第m条射线穿过的第n个网格的路径长度；

s_n为第n个单元网格内的波慢，该波慢为速度的倒数；

t_m为第m条射线穿越网格的旅行时间将上述式(1)写成矩阵形式：AS＝T；

式中A为距离矩阵；T为旅行时间列向量；S为慢度列向量。

获取每条射线与网格线的水平交点和垂直交点，去除重合的交点以及不在测试范围中的交点，并将剩余交点按照横坐标值进行排序，根据排序后的交点计算出每个单元格中各段射线长度，对各线段中点进行求解，通过中点坐标将各段射线长度与单元格进行匹配，求出距离矩阵A。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据所述距离矩阵依据图像重建算法实现所述被检测对象内部损伤特征的显现，包括：

给距离矩阵中的第j个单元格元素赋予初始波慢值，再按照距离矩阵中的网格单元的顺序，利用公式(2)从第一个单元格到最后一个单元格进行迭代计算，迭代完成后，得到第j个单元格元素的波慢值为

一轮迭代结束，之后判断

是否满足迭代收敛准则，如果满足要求则退出迭代计算，不满足收敛准，则将

作为下一轮迭代计算中的波速初值，再利用公式(2)迭代计算第j个单元格元素的波慢值，不断循环上述迭代计算过程，直到第j个单元格元素的波慢值满足迭代收敛准则；

迭代计算距离矩阵中的各个单元格元素的波慢值的计算公式如下：

s⁰为波速初值，k为迭代次数；i为第i条射线，M_j为距离矩阵A中的第j列中非零元素的个数，s^k代表第k轮迭代求出的所有单元格的波慢值，

代表第k轮求出的第j个单元格的波慢，a_ij代表距离矩阵中的第i行第j列个元素，a_i代表距离矩阵A的第i行，t_i代表第i条射线的旅行时间；

迭代收敛标准：

式中，s^k+1为第k+1轮迭代求出的波慢值，s^k为第k轮迭代求出的波慢值，ε为收敛因子；

用不同的颜色代表不同的波慢值，根据每个单元格元素的波慢值大小填入相应的颜色，汇成波速场图像，在波速场图像中单元格元素的波慢值越大，则代表该单元格元素区域中的被检测对象的损伤越严重。

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