一种面向各向异性结构的超声导波成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向各向异性结构的超声导波成像方法及系统，该方法步骤包括：根据各向异性结构材料参数计算其刚度系数矩阵并获取全方位速度，依次激励并采集所有传感路径的超声导波信号；根据上、下百分比区间内的数据包络拟合线交点分别获取不同路径无损伤信号与损伤散射信号的到达时间；将导波信号中目标分量提取后获取重构非线性分量，获取信号的时频信息，通过首波信号提取并计算非线性损伤指数，对不同路径受损伤影响程度进行评估；以实际损伤时间差与参考点时间差进行比较，确定损伤路径，结合损伤指数对参考点损伤概率的估计，在概率分布函数嵌入尺度控制系数实现各向异性结构损伤的定位成像。本发明专利技术实现高精度准确定位成像，鲁棒性强。鲁棒性强。鲁棒性强。

【技术实现步骤摘要】
一种面向各向异性结构的超声导波成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及无损检测及结构健康监测
，具体涉及一种面向各向异性结构的超声导波成像方法及系统。

技术介绍

[0002]先进复合材料结构因其优异的综合性能在航空和海洋高端装备领域受到高度重视，但复合材料结构的各向异性等特性也为其结构健康监测和损伤检测带来难题。
[0003]由于不同材料间的属性差异，各向异性复合结构内部尤其是不同组分间的交界面处，在制造和使用过程中容易形成分层和裂纹等缺陷。此外，各向异性结构在航空航天和海洋高端装备领域服役环境十分恶劣，这无疑会增加各向异性结构产生损伤的概率。损伤一旦产生，各向异性结构的整体完整性遭到了严重破坏，且随着损伤的发展与扩大，材料的性能急剧下降，存在重大的安全隐患。通常，结构中宏观损伤的开始是由材料微观结构的演变引起的。这种对微小状态变化的检测及表征能力，对于将早期剩余寿命预测转移到结构使用寿命更早时间进行检测是至关重要的。通过改善检测技术来提升检测极限，为最大化结构可用性和最小化生命周期成本方面提供了明显的优势。在工程结构服役的几年到几十年时间中，损伤的扩展和累积占据了材料损伤到失效的大部分时间。为保证各向异性结构在使用过程中的可靠性，采取有效的检测手段对结构损伤尤其是早期结构损伤进行检测是十分有价值且具有现实意义的。
[0004]在无损评估和结构健康监测领域中，超声导波检测技术以其检测灵敏度高、检测效率高、成本低、操作方便快捷等优点而受到高度认可。超声导波主要分为线性和非线性超声导波检测技术两大类。线性超声导波依据导波信号的线性特征(如时间、幅值等)变化对损伤进行检测，针对反射效应明显的较大尺寸裂纹和孔洞等具有较好的检测效果，但对于微裂纹、分层等损伤进行检测时，由损伤造成的线性特征差异较弱，致使检测效果不理想。非线性超声导波通过有限振幅声波与结构内存在的微损伤相互作用对结构内部存在的微损伤或状态变化非常敏感，为微损伤及早期结构损伤的检测带来了极大的便利。然而，与线性特征相比，非线性特征非常微弱。此外，超声导波传播过程中在波导结构内多次反射，具有频散、多模态特性，同时各向异性特性使超声导波在其内部传播所包含的模态更为复杂，为非线性特征提取带来巨大挑战。并且非线性特征通常在频域内进行分析，丢失信号的时间信息，使得即使非线性超声导波检测技术能够检测并表征损伤，也难以实现损伤的定位成像。
[0005]另一方面，概率成像方法可以通过少量传感器组成的稀疏传感网络获得高质量的成像效果，掀起了成像检测的热潮，为非线性超声导波损伤成像检测研究提供了良好的契机。然而，概率成像方法在各向同性材料中具有较好的成像效果，但对于各向异性结构，其波速随方向变化而变化，无法获取相应的椭圆路径，使得椭圆概率成像方法在面对各向异性结构时仍然无法获得良好的成像效果。另一方面，各向异性结构及其不均匀性使导波信号更为复杂，并且微弱的非线性分量致使其损伤特征波动较大，采用部分传感路径的成像
鲁棒性较差。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术提供一种面向各向异性结构的超声导波成像方法及系统，根据数据包络拟合线交点确定信号起点的方式，可以更准确的获取导波信号到达时间，且受噪声、零漂等干扰时具有更好的鲁棒性；通过高分辨率SPWVD方法可以更准确提取微弱的非线性特征，对不同路径受损伤影响的程度进行准确评估，对微小损伤进行有效、准确的检测；引入参考点概念，将实际损伤时间差与参考点进行比较，进而避免了损伤位置的解析求解过程，实现各向异性结构的准确定位成像检测。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种面向各向异性结构的超声导波成像方法，包括下述步骤：
[0009]根据各向异性结构材料参数计算其刚度系数矩阵并获取各向异性结构的全方位速度；
[0010]根据各向异性结构材料属性分布传感器阵列位置，通过循环激励方式依次激励并采集所有传感路径的超声导波信号；
[0011]在各向异性结构全方位速度的基础上，以信号首波的最大值为参考，根据上、下百分比区间内的数据包络拟合线交点分别获取不同路径无损伤信号与损伤散射信号的到达时间；
[0012]采用小波包分解将导波信号中目标分量提取后进行重构，获取重构非线性分量，采用高分辨率时频分析方法获取信号的时频信息，通过首波信号提取并计算非线性损伤指数，对不同路径受损伤影响程度进行评估；
[0013]以实际损伤时间差与参考点时间差进行比较，判断参考点是否位于损伤路径上，结合损伤指数对参考点的损伤概率进行估计，在概率分布函数中嵌入尺度控制系数实现各向异性结构损伤的定位成像。
[0014]作为优选的技术方案，所述根据各向异性结构材料参数计算其刚度系数矩阵并获取各向异性结构的全方位速度，包括下述步骤：
[0015]所述各向异性结构的全方位速度采用有限元仿真一次性获取，仿真中数量为N的接收传感器以激励传感器为圆心均匀分布在距激励传感器相同距离的圆上。
[0016]作为优选的技术方案，所述各向异性结构的全方位速度通过对各传感路径导波速度进行多项式拟合获得，拟合多项式次数根据拟合残差以及曲线是否发生畸变确定。
[0017]作为优选的技术方案，所述采用小波包分解将导波信号中目标分量提取后进行重构获取重构非线性分量，所述目标分量包括基频分量和非线性谐波分量的振幅剖面，所述振幅剖面通过对应频率设定上下频率区间范围的均值获得。
[0018]作为优选的技术方案，所述通过首波信号提取并计算非线性损伤指数，所述非线性损伤指数的计算方式具体表示为：
[0019][0020]其中，E
ω,D
、E
ω,B
、E
2ω,D
和E
2ω,B
分别为损伤和无损伤信号基频分量和非线性谐波分量的能量谱。
[0021]作为优选的技术方案，所述以实际损伤时间差与参考点时间差进行比较，所述时间差的计算步骤包括：
[0022]获取参考点及其激励接收传感器的相对位置和角度，计算得到任意两两位置之间的速度和传播时间，得到导波信号由激励传感器到参考点再到接收传感器的时间与直达波的时间差。
[0023]作为优选的技术方案，所述结合损伤指数对参考点的损伤概率进行估计，所述参考点损伤概率由非线性损伤指数和时间系数确定，具体计算公式表示为：
[0024][0025][0026][0027]其中，p
r
(x,y)为参考点(x,y)在第r条路径影响下的损伤估计概率，W
r
(x,y)为关于时间系数C
T
的尺度控制函数，Δt'、Δt分别为参考点和实际损伤时间差，t0、t1、t2分别为直达波、激励到损伤、损伤到接收的导波传播时间，t0'、t1'、t2'为参考点对应传播时间，γ为控制概率衰减速率的尺度控制系数。
[0028]作为优选的技术方案，将全路径估计损伤概率进行叠加融合获取各向异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，包括下述步骤：根据各向异性结构材料参数计算其刚度系数矩阵并获取各向异性结构的全方位速度；根据各向异性结构材料属性分布传感器阵列位置，通过循环激励方式依次激励并采集所有传感路径的超声导波信号；在各向异性结构全方位速度的基础上，以信号首波的最大值为参考，根据上、下百分比区间内的数据包络拟合线交点分别获取不同路径无损伤信号与损伤散射信号的到达时间；采用小波包分解将导波信号中目标分量提取后进行重构，获取重构非线性分量，采用高分辨率时频分析方法获取信号的时频信息，通过首波信号提取并计算非线性损伤指数，对不同路径受损伤影响程度进行评估；以实际损伤时间差与参考点时间差进行比较，判断参考点是否位于损伤路径上，结合损伤指数对参考点的损伤概率进行估计，在概率分布函数中嵌入尺度控制系数实现各向异性结构损伤的定位成像。2.根据权利要求1所述的面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，所述根据各向异性结构材料参数计算其刚度系数矩阵并获取各向异性结构的全方位速度，包括下述步骤：所述各向异性结构的全方位速度采用有限元仿真一次性获取，仿真中数量为N的接收传感器以激励传感器为圆心均匀分布在距激励传感器相同距离的圆上。3.根据权利要求1所述的面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，所述各向异性结构的全方位速度通过对各传感路径导波速度进行多项式拟合获得，拟合多项式次数根据拟合残差以及曲线是否发生畸变确定。4.根据权利要求1所述的面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，所述采用小波包分解将导波信号中目标分量提取后进行重构获取重构非线性分量，所述目标分量包括基频分量和非线性谐波分量的振幅剖面，所述振幅剖面通过对应频率设定上下频率区间范围的均值获得。5.根据权利要求1所述的面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，所述通过首波信号提取并计算非线性损伤指数，所述非线性损伤指数的计算方式具体表示为：其中，E
ω,D
、E
ω,B
、E
2ω,D
和E
2ω,B
分别为损伤和无损伤信号基频分量和非线性谐波分量的能量谱。6.根据权利要求1所述的面向各向异性结构的超声导波成像方法，其特征在于，所述以实际损伤时间差与参考点时间差进行比较，所述时间差的计算步骤包括：获取参考点及其激励接收传感器的相对位置和角度，计算得到任意两两位置之间的速度和传播时间，得到导波信号由激励传感器到参考点再...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪晓斌，刘远，李彬彬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：