CN117074367A - 一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，包括S1、利用脉冲激光在样品表面激发声表面波，并通过接触式压电传感器拾取样品表面所需检测区域两端的声表面波时域信号；S2、利用同步压缩小波变换对拾取到的一对激光声表面波进行时频分析，得到相应的原始含噪声时频分布图；S3、通过Rényi熵从原始含噪声时频分布图中提取声表面波信号；S4、基于互相关函数估计提取出的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；S5、利用余弦插值计算相对时间延迟估计误差并对相对时间延迟进行矫正，从而得到准确的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；S6、用采样距离除以校正后的时间延迟得到声表面波不同频率分量的相速度，即频散曲线。
Description
技术领域
本发明属于超声检测技术领域，具体涉及一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的新方法。
背景技术
声表面波，作为超声导波的一种，目前已广泛用于材料近表面的无损评估和结构健康监测。与超声体波相比，超声导波检测具有监测范围更远、灵敏度更高和花费成本更低等优势。声表面波以自由表面为波导，因此其能量主要集中在表面以下的一个波长范围内。当波导的机械性能在深度方向上不均匀时，无频散的声表面波变得色散，即声表面波速度与频率相关。由此产生的频散现象使基于激光激发宽带声表面波反演涂层的机械性能甚至是加工表面的亚表面损伤成为可能。
为了准确反演材料近表面的机械性能，实验声表面波频散特性的准确量化至关重要。目前，已经提出了多种多通道分析方法用于计算声表面波相速度频散曲线，如频率-波数变换、相移法和高分辨率线性Radon变换等。然而，这些方法均需要多个空间采样点，这通常意味着获得的频散曲线描述的是材料的平均特性。为了评估材料局部表面性能，允许仅从两个相邻位置计算频散数据的方法是很重要的。目前，基于复数傅里叶变换的相位法是常用的两点计算方法，但是这种方法对信号质量要求很高且无法计算多模信号。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，该方法鲁棒性高，不仅适用于各种频散程度，同时也适用于多模声表面波信号。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，包括：
S1、利用脉冲激光在待测样品表面激发声表面波，并通过接触式压电传感器拾取待测样品表面所需检测区域两端的声表面波时域信号；
S2、利用同步压缩小波变换对拾取到的一对激光声表面波进行时频分析，得到相应的原始含噪声时频分布图；
S3、通过Rényi熵从原始含噪声时频分布图中提取声表面波信号；
S4、基于互相关函数估计提取出的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S5、利用余弦插值计算相对时间延迟估计误差并对相对时间延迟进行矫正，从而得到准确的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S6、用采样距离除以校正后的时间延迟得到声表面波不同频率分量的相速度，即频散曲线。
进一步的，S2中原始含噪声时频分布图通过如下同步压缩小变换获得：
式中，Ts(ωl,b)为声表面波信号的时频分布图，Ws(a,b)是时域信号的连续小波变换系数，a是比例因子，b是时间平移，ω是瞬时频率，Δω＝ωl-ωl-1，(Δa)k＝ak-ak-1，l、k为离散值。
进一步的，S3中基于Rényi熵的频谱降噪公式为：
式中，为降噪后的时频分布图，/>为降噪前的原始时频分布图，为能量均匀化后的时频分布图，t*为能量阈值，由下式计算：
式中，G表示值从高到低离散成的256个等级{0,1,2,…,255}，/>和分别表示与目标和背景分布相关的Rényi熵：
式中，α是熵的阶数，pi为能量均匀化后的时频分布图中离散的能级概率密度函数。
进一步的，S4中用于相对时间延迟估计的互相关函数公式为：
式中，T1和T2为步骤S1中拾取到的两个声表面波时域信号经过降噪后的时频分布图，f为声表面波频率，b表示时间，τ为时间延迟。
进一步的，S5中基于余弦插值的相对时间延迟估计误差公式为：
式中，scos是声表面波互相关信号某个局部最大离散点n与拟合余弦曲线最大值之间的距离，fs是采样频率，和ω分别是拟合余弦曲线的相位和角频率，由下式计算：
式中，yn-1、yn、yn+1分别是互相关结果n－1、n、n+1位置处对应的互相关函数值。
进一步的，本发明还提供一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的系统，包括脉冲激光器、半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜、柱面透镜、旋转平台、示波器和计算机；所述旋转平台放置于光学平台上方，所述旋转平台上表面放置有待测样品；所述直角棱镜、柱面透镜设置于微动平台上，所述待测样品上设置有压电传感器，所述压电传感器通过电荷放大器与示波器连接；所述光电探测器放置在待测样品的待检测区域一侧，所述光电探测器与所述示波器连接，示波器与计算机连接；脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜和柱面透镜入射至待测样品。
进一步的，本发明还提供一种电子设备，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计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的步骤。
进一步的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、该方法将同步压缩小波变换与互相关方法相结合以计算声表面波频散曲线，具有较高的鲁棒性；
2、该方法通过Rényi熵降噪及余弦插值算法进一步提高了所得频散曲线的准确性；
3、该方法仅需要一对声表面波时域信号即可获得准确的频散曲线；
4、该方法对于分层介质没有任何限制，即无论声表面波在该介质中传播是强频散的、弱频散的还是多模的都可以通过该方法准确量化。
附图说明
图1为本发明实施例中的流程图；
图2为本发明实施例中激光声表面波检测系统示意图；
图3为本发明实施例中检测到的热氧化硅片表面声表面波信号；
图4为本发明实施例中热氧化硅片表面声表面波有无降噪时的频散数据；
图5为本发明实施例中余弦插值对磨削硅片表面声表面波频散数据的影响；
图6为本发明实施例中检测到的镀铜膜硅片表面上的多模声表面波信号；
图7为本发明实施例中镀铜膜硅片表面上的不同模式声表面波信号的频散数据；
图8为本发明实施例中基于频散曲线反演得到的膜的杨氏模量；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，具体包括如下步骤：
S1、使用如图2所示的激光声表面波系统检测在具有8μm厚度二氧化硅层的热氧化硅片表面传播的声表面波信号，并进行时频分析及Rényi熵降噪处理，如图3所示，其中图3中(a)为声表面波时域信号，图3中(b)为原始时频分布图，图3中(c)为降噪后的时频分布图；
S2、使用互相关函数进行时间延迟估计并将其转换到频率-相速度域，并比较了有无降噪处理对频散数据的影响，如图4所示，其中图4中(a)为原始时频分布图的互相关结果，图4中(b)为降噪后时频分布图的互相关结果，离散点为提取到的频散数据。需要注意的是，余弦插值在强频散情况下并不明显；
S3、采用S1和S2中相同的方法对具有4μm厚度损伤层的磨削硅片上声表面波进行频散分析，并余弦插值，得到如图5所示结果，其中图5中(a)为降噪后时频分布图的互相关结果，图5中(b)为图5中(a)图中频散数据及其余弦插值结果的对比。可以看到在弱频散情况下插值使频散数据连续性得到了显著提升；
S4、采用S1中相同的方法对覆有11μm厚度铜膜的硅片上声表面波进行时频分析，如图6所示，其中图6中(a)为声表面波时域信号，图6中(b)为原始时频分布图。由于铜模较厚，因此可以同时存在两种声表面波模式。由于二者在时频谱中完全分隔开，因此可以分别提取单独模式(将不关注模式区域中的值设置为0)并进行互相关分析得到各自的频散数据，如图7所示，其中图7中(a)为基阶Rayleigh模式的互相关结果及提取到的频散数据，图7中(b)为Sezawa模式的互相关结果及提取到的频散数据；
S5、在层厚度确定的情况下，可以基于所得频散数据对层杨氏模量进行反演，实验频散数据与热氧化硅片、磨削硅片及镀铜膜硅片反演结果的理论频散曲线对比分别如图8中(a)、(b)、(c)图所示。可以看到二氧化硅和多晶铜的杨氏模量值与其他文献中的结果一致，而磨削硅片中的亚表面损伤层由于微裂纹的存在刚度也发生降低，与事实相符。
具体的，见图2，本实施例提供的种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的系统，包括脉冲激光器、半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜、柱面透镜、旋转平台、示波器和计算机；旋转平台放置于光学平台上方，旋转平台上表面放置有测试样品；直角棱镜、柱面透镜设置于微动平台上，测试样品上设置有压电传感器，压电传感器通过电荷放大器与示波器连接；光电探测器与示波器连接，示波器与计算机连接；脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜和柱面透镜入射至测试样品。
优选地，本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；
其中，处理器、存储器、通信接口通过总线完成相互间的通信；通信接口用于实现服务器端设备、计量设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输。
处理器用于调用存储器中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的全部步骤。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，包括：
S1、利用脉冲激光在待测样品表面激发声表面波，并通过接触式压电传感器拾取待测样品表面所需检测区域两端的声表面波时域信号；
S2、利用同步压缩小波变换对拾取到的一对激光声表面波进行时频分析，得到相应的原始含噪声时频分布图；
S3、通过Rényi熵从原始含噪声时频分布图中提取声表面波信号；
S4、基于互相关函数估计提取出的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S5、利用余弦插值计算相对时间延迟估计误差并对相对时间延迟进行矫正，从而得到准确的声表面波信号不同频率分量的相对时间延迟；
S6、用采样距离除以校正后的时间延迟得到声表面波不同频率分量的相速度，即频散曲线。
2.根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，S2中原始含噪声时频分布图通过如下同步压缩小变换获得：
式中，Ts(ωl,b)为声表面波信号的时频分布图，Ws(a,b)是时域信号的连续小波变换系数，a是比例因子，b是时间平移，ω是瞬时频率，Δω＝ωl-ωl-1，(Δa)k＝ak-ak-1，l、k为离散值。
3.根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，S3中基于Rényi熵的频谱降噪公式为：
式中，为降噪后的时频分布图，/>为降噪前的原始时频分布图，/>为能量均匀化后的时频分布图，t*为能量阈值，由下式计算：
式中，G表示值从高到低离散成的256个等级{0,1,2,…,255}，/>和/>分别表示与目标和背景分布相关的Rényi熵：
式中，α是熵的阶数，pi为能量均匀化后的时频分布图中离散的能级概率密度函数。
4.根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，S4中用于相对时间延迟估计的互相关函数公式为：
式中，T1和T2为步骤S1中拾取到的两个声表面波时域信号经过降噪后的时频分布图，f为声表面波频率，b表示时间，τ为时间延迟。
5.根据权利要求1所述的一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，S5中基于余弦插值的相对时间延迟估计误差公式为：
式中，scos是声表面波互相关信号某个局部最大离散点n与拟合余弦曲线最大值之间的距离，fs是采样频率，和ω分别是拟合余弦曲线的相位和角频率，由下式计算：
式中，yn-1、yn、yn+1分别是互相关结果n－1、n、n+1位置处对应的互相关函数值。
6.一种量化激光声表面波在分层介质中频散特性的系统，基于权利要求1-5任意一项所述量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法，其特征在于，包括脉冲激光器、半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜、柱面透镜、旋转平台、示波器和计算机；所述旋转平台放置于光学平台上方，所述旋转平台上表面放置有待测样品；所述直角棱镜、柱面透镜设置于微动平台上，所述待测样品上设置有压电传感器，所述压电传感器通过电荷放大器与示波器连接；所述光电探测器放置在待测样品的待检测区域一侧，所述光电探测器与所述示波器连接，示波器与计算机连接；脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过半波片、PBS、扩束镜、直角棱镜和柱面透镜入射至待测样品。
7.一种电子设备，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计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至5任一项所述量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述量化激光声表面波在分层介质中频散特性的方法的步骤。
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