一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其步骤包括：构建SLDV采样系统；确定空间稀疏采样网格坐标，将采样坐标输入SLDV采样系统，分别在健康状态与含损伤状态下采集超声导波信号，将两组信号相减，得到包含损伤散射信息的差值信号；对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标；建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法求解假定源的激励函数；利用求得的激励函数重构全波场，对重构的全波场进行RMS成像，得到损伤成像结果。本发明专利技术将压缩感知技术应用到超声导波场损伤检测领域，利用空间上规则分布的稀疏采样信号进行波场重构和损伤成像，可将获取全波场的测量时间缩减90％以上，同时获得与全测量波场相干系数接近0.8的重构波场。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法
本专利技术属于无损检测
，尤其涉及一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法。
技术介绍
板状结构作为一种常见的结构形式，在航空航天、交通运输和石油工程等领域都有十分广泛的应用。薄板结构在长期的服役过程中受荷载和环境等因素的作用，会出现不同程度的结构损伤。因此对这类结构的安全检测不仅有助于预防安全事故的发生，也可以避免不必要的经济损失。目前，适用于板状结构的传统无损检测方法主要有：漏磁检测、超声C扫描、渗透以及声发射检测等。其中，漏磁检测和超声C扫描检测方法虽然应用相对较为广泛，但其缺点在于检测过程费时费力，检测效率低；渗透发简洁方便，但只能检测表面损伤；声发射检测通常需要较为复杂的外部条件，且易受噪音信号的干扰，信号分析困难。超声导波能够沿波导结构长距离传播且衰减小，检测范围大，且对不同类型损伤敏感，非常适用于对大面积板、壳、管道等结构中各类损伤进行检测与评估，极具发展前景。传统的超声导波检测方法常依据分布式稀疏阵列之间的渡越时间实现损伤的定位，但受限于空间分辨率，难以针对损伤的尺度、取向等特征作精确评估。使用非接触扫描式激光多普勒测振仪(ScanningLaserDopplerVibrometer,SLDV)能够获得板状结构被测区域内高空间分辨率导波场，并据此得到损伤导致的波场特征变化，以可达到对损伤精确评估之目的。然而SLDV扫描时需逐点多次测量以提高信噪比，密集扫描形成海量数据不仅耗时，而且给数据的存储、传输及信号分析带来极大挑战。借助于SLDV测量，寻求高效的数据采样策略，稀疏重构全波场，则是达成高效评价损伤特征的有效手段之一。近来，有学者提出基于压缩感知的方法来稀疏重构全波场，然而其方法需在空间上随机采样，商用SLDV系统需额外组件支持随机测量，因此实现该方法较为困难。本文用均匀的稀疏采样策略替代随机采样策略，并将假定源设定为随机分布，不仅能满足构建压缩感知方程时对传感矩阵的要求，还能满足SLDV测量设置要求，节约了系统成本。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术中存在的问题，提出了一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法。本专利技术所采用的技术方案如下：一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，包括：构建SLDV采样系统；确定空间稀疏采样网格坐标，将采样坐标输入SLDV采样系统，分别在健康状态与含损伤状态下采集超声导波信号，将两组信号相减，得到包含损伤散射信息的差值信号；对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标；建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法求解假定源的激励函数；利用求得的激励函数重构全波场，对重构的全波场进行RMS成像，得到损伤成像结果。进一步，构建SLDV采样系统，其中SLDV采样系统包括：计算机、扫描式激光多普勒测振仪(ScanningLaserDopplerVibrometer,SLDV)、任意信号发生器、功率放大器、PZT激励源等。进一步，确定空间稀疏采样网格坐标，将采样坐标输入SLDV采样系统，分别在健康状态与含损伤状态下采集超声导波信号，将两组信号相减，得到包含损伤散射信息的差值信号，其中使用的稀疏采样网格为等间距网格。进一步，对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标的步骤为：a、确定假定源区域，尽量覆盖所有可能存在源的位置；b、在该区域设置均匀网格，网格间距d不超过导波场最小波长的二分之一；c、在每个网格内部，以网格中心点(x0,y0)为基准点随机取点，生成假定源坐标(x,y)：其中random为均匀随机函数。进一步，建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法对假定源的激励函数进行求解，具体过程包括：a、假设所有假定源的激励函数是各向同性的，构建假定源到稀疏测量点的传递矩阵A∈CM×N，其中M与N分别表示稀疏测量点数量与假定源数量，CM×N表示M×N的复数空间。A中第m行s列元素为第s个假定源的激励信号传播到第m个测点的传递函数，在仅考虑单模态时，表示为：其中dm，s为假定源与测点的距离，为模态u下假定源到激励源方向上的波数，采用材料已知的色散关系进行估计；b、将结构在健康状态下与含损伤状态下测得的信号y1与y2相减，得到差值信号y,联合传递矩阵A构建压缩感知方程Av＝y，通过基追踪降噪法求解假定源激励函数v。进一步，利用求得的激励函数重构全波场，具体过程包括：a、在试件表面选定重构区域，在此区域确定待重构点的坐标，构建假定源点到待重构点的传递矩阵A′，计算待重构点的频域波场W＝A′v；b、对W做逆傅里叶变换，得到重构点的时域波场。为评估重构效果，定义重构波场与真实波场的相干性系数如下：其中SR，M(f)表示在频率f下重构波场与测量波场的互功率谱密度，SR(f)与SM(f)分别为在频率f下重构波场和测量波场的自功率谱密度。将C(f)在计算频段(f1,f2)内取均值Cmean作为评价波场重构效果的指标。进一步，对重构的全波场进行RMS成像，得到最终的损伤成像结果，具体过程包括：a、计算RMS成像指标其中rms(P)为板状结构表面P点处重构信号的均方根，t1、t2为测量起止时刻，x(t)为模拟信号；xi为实际重构得到的离散信号，n为信号长度。b、将各点的rms值作为成像指标，得到损伤成像结果。本专利技术的有益效果：首先，本专利技术采用均匀的稀疏采样策略，并将假定源设定为随机分布，不仅能满足构建压缩感知方程时对传感矩阵的要求，还能满足SLDV测量网格输入要求，规避了SLDV测量系统进行随机测量需增加系统成本的限制；其次，将压缩感知技术应用到超声导波场损伤检测领域，利用稀疏测量信号进行波场重构和损伤成像，可将获取全波场的测量时间缩减90％以上，同时获得与全测量波场相干系数接近0.8的重构波场。附图说明图1为一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法的流程图；图2为待测试件示意图；图3为稀疏测量网格与假定源布置示意图；图4为SLDV采样系统示意图；图5为重构波场图；图6为平均相干性系数随采样比率变化的趋势图；图7为RMS成像图；图中，1、计算机，2、SLDV-扫描式激光多普勒测振仪(ScanningLaserDopplerVibrometer,SLDV)，3、信号发生器，4、功率放大器，5、待测试件，6、PZT激励源。图3中圆圈为稀疏测量网格，点为假定源。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提出如图1所示的一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，具体步骤如下：步骤1，构建SLDV采样系统，如图4所示，该系统具体包括：计算机1、扫描式激光多普勒测振仪(ScanningLaserDopplerVibrometer,SLDV)(ScanningLaserDopplerVibrometer,SLDV)2、任意信号发生器3、信号功率放大器4、被测试件5和PZT激励源6，扫描式多普勒激光测振仪2包括超声波激光探头，超声波激光探头将被测试件表面测点的震动速度实时检测结果传输到计算机1上。在本实施例中，使用P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：构建SLDV采样系统；确定空间稀疏采样网格坐标，将采样坐标输入SLDV采样系统，分别在健康状态与含损伤状态下采集超声导波信号，将两组信号相减，得到包含损伤散射信息的差值信号；对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标；建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法求解假定源的激励函数；利用求得的激励函数重构全波场，对重构的全波场进行RMS成像，得到损伤成像结果。

【技术特征摘要】
1.一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：构建SLDV采样系统；确定空间稀疏采样网格坐标，将采样坐标输入SLDV采样系统，分别在健康状态与含损伤状态下采集超声导波信号，将两组信号相减，得到包含损伤散射信息的差值信号；对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标；建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法求解假定源的激励函数；利用求得的激励函数重构全波场，对重构的全波场进行RMS成像，得到损伤成像结果。2.根据权利要求1所述的一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，所述SLDV采样系统包括：计算机、扫描式激光多普勒测振仪、任意信号发生器、功率放大器和PZT激励源。3.根据权利要求1所述的一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，所述空间稀疏采样网格为等间距网格。4.根据权利要求1所述的一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，所述对损伤散射源的位置进行随机估计，得到假定源坐标的具体过程包括：a、确定假定源区域，尽量覆盖所有可能存在源的位置；b、在该区域设置均匀网格，网格间距d不超过导波场最小波长的二分之一；c、在每个网格内部，以网格中心点(x0,y0)为基准点随机取点，生成假定源坐标(x,y)：其中random为均匀随机函数。5.根据权利要求1所述的一种适用于板状结构的基于压缩感知的超声导波场损伤检测方法，其特征在于，所述建立压缩感知方程，并用基追踪降噪算法求解假定源的激励函数的具体过程包括：a、假设所有假定源的激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆英，周杨，李鹏飞，徐晨光，王自平，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32