[发明专利]基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，属于航空结构健康监测技术领域。

背景技术

随着当前国内外对飞行器健康监测与管理技术的日益关注，结构健康监测技术的研究越来越受到人们的重视。压电超声相控阵成像方法通过控制压电传感器阵列接收损伤散射信号的相位延迟，可对结构实现定向扫描，损伤散射信号在特定时间内得到干涉叠加并增强，使得损伤信号的信噪比得到提高，其它噪声信号由于随机累加无法增强，从而得到抑制。因此该方法已经成为结构健康监测领域的一个重要发展方向。

但超声波在板结构中传播时存在频散特性，这种频散特性使得超声波的波包发生扩展和变形，波包能量发生分散，波包在时域上的持续时间也增长，幅值随之减小，从而降低了常规超声相控阵技术合成信号的信噪比和对损伤信号的分辨能力；而且在进行多损伤监测时，多个损伤的损伤散射信号混叠在一起本来就很复杂，再加频散现象的影响，使得相邻波包发生混叠，严重影响常规超声相控阵方法对多损伤的定位，甚至于难以对多损伤进行有效的分辨。

在常规的压电超声相控阵方法中，为了降低超声波频散特性的影响，通常采用如下两种方法：

（1）常需选用特定形式的激励信号，一般选用窄带信号并选择频散特性较低的激励频率，但是该方法不能完全补偿超声波频散特性，而且在确定激励信号带宽时，除了尽可能降低频散效应影响，还应考虑波包的时域分辨率。

（2）选用高频激励信号，这是最常用的方法。高频激励信号的波长短，能够提高成像分辨率，但高频信号在板结构中传播，特别是在复合材料结构中传播时，衰减很快，导致监测区域的面积很小不利于大面积健康监测的实施。所以需要提高激励信号的输出功率，造成系统体积和功耗增加，但航空结构的在线监测又对监测系统提出了体积小、功耗低的苛刻要求。

发明内容

本发明提出了一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，可以显著提高相邻多损伤监测的分辨率和准确性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于线性映射频散补偿的压电超声相控阵多损伤成像方法，将线性映射频散补偿方法和压电超声相控阵成像方法相结合，首先使用线性映射的频散补偿方法对损伤散射信号进行处理，使信号波包得到了压缩，信号的能量更加集中，波包在时域上的持续时间变短；其次，频散补偿后的损伤散射信号按扫描角度进行相位延迟叠加，得到每个角度上的合成信号，再把每个角度上的合成信号的能量按照其角度用灰度的形式画在同一个图上得到损伤成像结果，具体步骤如下：

在被监测结构上布置M+1个压电传感器，其中M个压电传感器组成线形阵列，编号从0到M-1，M为整数，其取值范围为5至21；另外一个压电传感器布置在距离线形阵列中心位置150mm至300mm的范围内，编号为M，然后分为监测准备过程和在线监测过程：

A、监测准备过程：

（1）测量超声波在结构中传播的波数曲线                                                ，选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，从响应信号上加载矩形窗来提取超声波信号的直达波，则波数曲线计算为

                              （1）

其中为响应信号中直达波包和激励信号波包的相位差，L为信号传播距离，计算为

                    （2）

其中表示，表示激励信号的频率响应，表示提取直达波后的响应信号的频率响应的实部，表示的虚部，为反正切函数，范围为-π～π；

（2）群速度测量

选择中心频率为的正弦调制激励信号激励线阵任意一个压电传感器，使其向结构中激发超声波信号，线阵外的M号压电传感器获得相应的响应信号，则信号传播的群速度按如下公式计算：

                        （3）

其中，为激励信号峰值相对于采样零点的时间，为响应信号直达波峰值相对于采样零点的时间，为信号传播距离；

（3）获取结构处于健康状态下的压电传感器响应信号作为健康信号