[发明专利]一种适用于导波换能器阵列的低信噪比导波信号达到时刻的提取方法

说明书

一种适用于导波换能器阵列的低信噪比导波信号达到时刻的提取方法，涉及超声无损检测领域。本发明是为了解决现有导波阵列信号处理方法无法从低信噪比的接收信号中提取信息，从而限制了导波检测范围的问题。本发明超声导波换能器阵列中各阵元接收的信号中，损伤散射信号成分具有高度相关性，而损伤散射信号成分与噪声不具有相关性，从而实现从低信噪比的阵列接收信号中提取所需要的损伤散射信号成分，大大提高了导波的有效检测范围以及对小损伤的检测能力。

技术领域

本发明属于超声无损检测领域。

背景技术

超声导波是一种可在薄板、管道、杆件等具有有限边界的结构构件内传播的超声波。相比常规超声波，超声导波可以在上述结构中长距离大范围传播，在遇到结构微小缺陷或损伤时，除了继续传播的部分之外，还会在缺陷处发生波的散射或反射，对上述各种来源波的特征进行分析可以识别出结构的微小缺陷或损伤，进一步的分析可以对缺陷进行定位、定量甚至对其进行成像。基于超声导波的结构损伤识别方法对结构局部微小缺陷敏感，相对传统超声无损检测，可以检测更大范围和距离，是目前得到广泛关注、研究和应用的结构无损检测方法之一。

尽管导波检测技术可以检测更大范围和更长距离，但在实际工程应用过程时，由于导波在远距离传播过程中显著的衰减，使得传感器接收到的导波信号的信噪比大大降低。再加上导波所固有的频散特性和多模态特性，这些因素都增加了传感器接收到的导波信号的复杂性，进而增加了从导波信号中提取结构远距离处损伤信息的难度。低信噪比的复杂导波信号会导致损伤识别和定位精度的降低，甚至无法识别出损伤。该问题极大限制了导波检测技术在实际工程结构远距离检测中的应用。

为了提高基于导波方法的损伤识别的能力和定位的精度，大量研究人员提出了各种方法，例如阈值法、相关系数法、Hilbert包络法、连续小波变换法等。除了这些确定性的方法，一些研究人员还考虑了导波检测过程中的不确定性，来提高损伤定位的效果并且推广到了针对复杂结构及多损伤情况的检测。这些考虑不确定性的方法包括概率密度函数法、贝叶斯系统识别法等。上述具有降噪特性的方法可以在一定程度上实现损伤定位，但目前这些方法的关注点大都集中在如何提高损伤定位精度，而很少关注如何从信噪比极低的接收信号中提取有效波包并反演结构损伤信息。在实际导波长距离检测过程中，接收信号的信噪比极低的情况常常发生，而且大型结构的长距离大范围检测也有着极大的实际需求，例如大跨桥梁结构、长距离输油管道以及大型风力发电机叶片等。

发明内容

本发明是为了解决现有导波阵列信号处理方法无法从低信噪比的接收信号中提取信息，从而限制了导波检测范围的问题，现提供一种适用于导波换能器阵列的低信噪比导波信号达到时刻的提取方法。

一种适用于导波换能器阵列的低信噪比导波信号达到时刻的提取方法，利用换能器阵列在波导中采集来自远场的损伤散射信号，将采集的损伤散射信号构成导波检测信号矩阵，

所述提取方法包括以下步骤：

步骤一：通过矩形时间窗、以窗口长度Δt按照时间顺序依次对导波检测信号矩阵进行截取，获得多个子信号矩阵，

所述矩形时间窗的窗口长度与波导中激励信号的包络宽度相等；

步骤二：分别对每个子信号矩阵求协方差矩阵；

步骤三：分别对每个协方差矩阵进行特征分解并提取最大特征值，将所有最大特征值按照时间顺序进行排列，将所有最大特征值中的峰值所对应的时间窗的中心时刻作为来自损伤源的导波信号的到达时刻。

换能器阵列采集的导波检测信号矩阵表达式为：