一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法技术

本发明专利技术公开了一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，该方法通过如下几步实现：首先，在待测结构上布置矩形的激励/传感阵列；然后，组建监测通道，采集所有激励/传感路径的Lamb波响应信号，通过Lamb波被动和主动监测方法，计算出冲击损伤的对比度定位成像矩阵；最后，融合主被动定位成像信息后得到一个新的定位成像矩阵，重构出被测结构中冲击损伤的位置并且进行成像。本发明专利技术方法相较于单一的主被动方法定位更加的准确。

Damage localization imaging method for Lamb wave active and passive monitoring information fusion

The invention discloses a Lamb wave active passive monitoring information fusion imaging method for damage localization, the method by the following steps: firstly, the structure arrangement of rectangular excitation / sensing array to be tested; then, set up monitoring channels, collecting all the excitation / sensing path Lamb wave response signal by Lamb wave passive and the active monitoring method, to calculate the impact damage location contrast imaging matrix; finally, fusion of active and passive positioning imaging information to obtain a new location image matrix, reconstruct the measured position in the structure of impact damage and imaging. The method of the invention is more accurate than the single main passive method.

【技术实现步骤摘要】
一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法
本专利技术涉及一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，特别是涉及板壳类工程结构的损伤定位，属于结构健康定位

技术介绍
随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的检测和诊断日益引起人们的高度重视，尤其是针对冲击损伤的定位及损伤范围的检测。为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行全时段的监测和有效快速的损伤检测及修复。现有的Lamb波结构健康监测技术是利用板结构中传播的Lamb波对微小损伤敏感的特性，采用压电阵列术、先进信号分析与处理等技术实现对结构损伤的在线监测与诊断，其技术实现分为主动Lamb波监测方法和被动Lamb波监测方法。Lamb主被动方法在损伤发展的各阶段都有其技术优势：被动方法能够对结构进行持续地、实时在线的监测，能够在第一时间监测冲击发生位置，并能够对冲击点的坐标精确定位，但其对于固有损伤很难起到监测作用，无法有效地监测损伤发展过程；主动方法能够多次对结构进行扫描，对于固有损伤能够确定其损伤范围，通过多次扫查还能监测其损伤发展趋势，由于其是通过损伤散射信号进行监测，散射信号是在损伤区域边界进行散射，所以主动方法对其区域监测较为灵敏，而对于其损伤发生的原始位置并不敏感。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，通过分时利用主被动方法对被测结构损伤进行监测，进而对Lamb波主被动监测信息进行融合，得到一种新的定位成像矩阵，重构出被测结构中冲击损伤的位置并获得损伤成像的信息。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，包括如下步骤：步骤1，在待测结构上，根据监测区域的大小，布置K个压电传感器组成激励/传感矩形阵列；步骤2，在激励/传感矩形阵列中选择所有的压电传感器作为传感器，设置触发通道，采集结构冲击响应状态下所有传感通道的Lamb波响应信号，作为被动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤3，在激励/传感矩形阵列中选择其中一个压电传感器作为激励器，剩余压电传感器作为传感器，组建激励/传感监测通道，采集结构当前损伤状态下所有监测通道的Lamb波响应信号，即当前状态下的主动扫查响应信号，通过对比结构健康状态下的主动扫查响应信号，得到主动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤4，分析被动和主动监测方式的Lamb波损伤信号，对监测区域求取被动和主动监测方式下的成像结果，得到被动和主动监测成像对比度矩阵AMN和BMN，其中，M、N分别表示将监测区域坐标化并等分为M×N个像素点后，横、纵坐标的最大值；步骤5，利用min-max标准化方法分别对被动和主动监测成像对比度矩阵中的元素值进行归一化处理，得到处理后的被动和主动定位成像矩阵和步骤6，根据被动和主动监测方式中使用压电传感器的数量对被动和主动监测方式分配权值并归一化处理，得到被动和主动监测方式下的权值分别为δp、δa，根据如下公式对被动定位成像矩阵和主动定位成像矩阵进行融合：对进行定位并成像，从而得到主被动信息融合成像结果。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述被动监测成像对比度矩阵AMN中元素的计算公式为：其中，αmn为AMN中元素，K为传感器数量，γab为a号传感器和b号传感器的距离权值，ta、tb分别为a号传感器、b号传感器接收到的冲击响应波达时间，分别为像素点(m,n)到a号、b号压电传感器的距离，v为波速值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤4所述主动监测成像对比度矩阵BMN中元素的计算公式为：其中，βmn为BMN中元素，K为传感器数量，z号传感器作为激励器，Δta、Δtb分别为a号、b号传感器接收到的Lamb波散射信号的到达时间，分别为像素点(m,n)到a号、b号、z号传感器的距离值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤5所述被动定位成像矩阵中元素的计算公式为：其中，为归一化后矩阵中的元素，min(AMN)为矩阵AMN中的最小元素，max(AMN)为矩阵AMN中的最大元素，M、N分别表示将监测区域坐标化并等分为M×N个像素点后，横、纵坐标的最大值。作为本专利技术的一种优选方案，步骤6所述被动和主动监测方式下的权值之比为：其中，δp、δa分别为被动和主动监测方式下的权值，K为传感器数量。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术利用Lamb波主被动监测方法在损伤发展阶段各自的优势，融合Lamb波主动和被动监测定位成像信息，获得损伤形成及发展阶段更准确丰富的定位成像信息。2、本专利技术可以有效的融合主被动监测的损伤信息，提高损伤定位的准确性，为Lamb波结构健康监测领域提供了一种新的定位成像技术方法。附图说明图1是本专利技术待测结构以及传感/激励阵列的布局示意图。图2(a)是本专利技术被动方法定位成像效果图。图2(b)是本专利技术被动方法定位成像设阈值后效果图。图3(a)是本专利技术主动方法定位成像效果图。图3(b)是本专利技术主动方法定位成像设阈值后效果图。图4(a)是本专利技术中Lamb主被动融合成像的效果图。图4(b)是本专利技术中Lamb主被动融合成像设阈值后的效果图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。Lamb波在结构中传播时会遍布结构的每个点，且衰减较慢，传播距离较远，对微小损伤敏感等特性及在结构健康监测领域已经成熟的主被动监测方法的压电阵列排布技术、信号处理的先进技术等。基于此，本专利技术提出一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，利用Lamb波主被动监测方法对损伤发展阶段的优势，分时应用两种监测方式，并融合不同阶段方法的信息，得到丰富的、多层次损伤信息，提高其损伤定位成像的准确性。具体步骤如下：(1)在待测结构上，根据检测区域大小，布置一组压电传感器组成激励/传感矩形阵列，传感器数量为K；(2)在激励/传感阵列中选择所有的压电传感器作为传感器，设置触发通道，采集结构冲击响应状态下所有传感通道的Lamb波响应信号，此时为被动监测方式的Lamb波损伤信号fp(k)，k＝1,2,3,…,K；(3)在激励/传感阵列中选择一个压电传感器作为激励器，剩下所有压电传感器作为传感器，组建检测通道，采集结构当前损伤状态下所有激励/传感通道的Lamb波响应信号，即当前状态下的主动扫查响应信号，通过对比结构健康状态下的主动扫查响应信号，得到主动监测方式的Lamb波损伤信号fa(l)，(4)分析主被动方式下Lamb波损伤信号，对待测结构求取被动监测方式下的成像结果，像素点赋值采用监测信号计算得到的对比度值αmn，获得成像对比度矩阵AMN，即被动监测成像结果；并求取主动监测方式下的成像结果，像素点赋值采用损伤前后监测信号计算得到的对比度值βmn，获得成像对比度矩阵BMN，即主动监测成像结果。对比度矩阵AMN、BMN具有相同的维度M×N。其中，m＝1,2,3,…,M，n＝1,2,3,…,N；具体如下：(4-1)将监测区域表面坐标化，并等分为M×N个像素点，像素点的单位面积大小取决于系统整体可接受的误差精度；此时，每个像素点的坐标信息(m,n)与真实冲击损伤坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在待测结构上，根据监测区域的大小，布置K个压电传感器组成激励/传感矩形阵列；步骤2，在激励/传感矩形阵列中选择所有的压电传感器作为传感器，设置触发通道，采集结构冲击响应状态下所有传感通道的Lamb波响应信号，作为被动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤3，在激励/传感矩形阵列中选择其中一个压电传感器作为激励器，剩余压电传感器作为传感器，组建激励/传感监测通道，采集结构当前损伤状态下所有监测通道的Lamb波响应信号，即当前状态下的主动扫查响应信号，通过对比结构健康状态下的主动扫查响应信号，得到主动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤4，分析被动和主动监测方式的Lamb波损伤信号，对监测区域求取被动和主动监测方式下的成像结果，得到被动和主动监测成像对比度矩阵A

【技术特征摘要】
1.一种Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在待测结构上，根据监测区域的大小，布置K个压电传感器组成激励/传感矩形阵列；步骤2，在激励/传感矩形阵列中选择所有的压电传感器作为传感器，设置触发通道，采集结构冲击响应状态下所有传感通道的Lamb波响应信号，作为被动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤3，在激励/传感矩形阵列中选择其中一个压电传感器作为激励器，剩余压电传感器作为传感器，组建激励/传感监测通道，采集结构当前损伤状态下所有监测通道的Lamb波响应信号，即当前状态下的主动扫查响应信号，通过对比结构健康状态下的主动扫查响应信号，得到主动监测方式的Lamb波损伤信号；步骤4，分析被动和主动监测方式的Lamb波损伤信号，对监测区域求取被动和主动监测方式下的成像结果，得到被动和主动监测成像对比度矩阵AMN和BMN，其中，M、N分别表示将监测区域坐标化并等分为M×N个像素点后，横、纵坐标的最大值；步骤5，利用min-max标准化方法分别对被动和主动监测成像对比度矩阵中的元素值进行归一化处理，得到处理后的被动和主动定位成像矩阵和步骤6，根据被动和主动监测方式中使用压电传感器的数量对被动和主动监测方式分配权值并归一化处理，得到被动和主动监测方式下的权值分别为δp、δa，根据如下公式对被动定位成像矩阵和主动定位成像矩阵进行融合：对进行定位并成像，从而得到主被动信息融合成像结果。2.根据权利要求1所述Lamb波主被动监测信息融合的损伤定位成像方法，其特征在于，步骤4所述被动监测成像对比度矩阵AMN中元素的计算公式为：其中，αmn为AMN中元素，K为传感器数量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，华杰，岳东，纪东辰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32