[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

摘要

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。该方法包括监测准备过程和在线监测过程。监测准备过程：测量超声波传播的波数曲线和群速度；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。在线监测过程：获取压电传感器响应信号作为损伤信号；通过健康信号和损伤信号之差求得损伤散射信号；使用线性映射频散补偿方法对损伤散射信号进行频散补偿；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；把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。本发明可以有效提高超声相控阵方法对多损伤成像的分辨率和定位的精度。

主权项

1.一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，其特征在于，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在健康状态下，扫查0°～180°范围内，0 -- M-1号压电传感器之间采用轮循的方式采集各压电传感器的响应信号，即当其中一个压电传感器作为驱动器时，其他几压电传感器则作为传感器进行响应，这些响应信号作为健康信号，激励信号的中心频率为；B、在线监测过程中：（1）获取压电传感器响应信号作为损伤信号扫查0°～180°范围内，采用轮循的方式，在有损伤状态下采集0 -- M-1号压电传感器的响应信号作为损伤信号，激励信号的中心频率为；（2）通过健康信号和损伤信号之差得到损伤散射信号，其中i和j分别表示激励和传感的压电传感器的编号；（3）使用线性映射频散补偿方法对损伤散射信号进行频散补偿①将损伤监测中采用的正弦调制激励信号进行傅里叶变换，得到其对应频域响应；②将损伤散射信号进行傅里叶变换，得到其频谱响应；③对波数曲线进行线性化：把波数曲线在激励信号的中心角频率处进行泰勒级数展开并保留到一次项得到线性化的波数曲线（4）为处的相速度，为中心频率为的窄带信号的群速度，表示线性化波数曲线的常数项，表示线性化波数曲线的1次比例项，表示正弦调制激励信号的角频率，表示激励信号的中心角频率；④求取线性化波数下的损伤散射信号根据线性化前后的波数，把每个角频率ω改变为（5）其中为测量波数曲线的逆函数，对线性化波数下的损伤散射信号频谱进行插值处理，得到损伤散射信号插值处理后的频谱；为了消除插值处理对激励信号频谱的影响，需要在后面乘以补偿因子，再进行反傅里叶变换，即频散补偿后的损伤散射信号（6）（7）（8）（4）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V(θ)（9）式中，i和j分别表示激励和响应的压电传感器的编号，为损伤散射信号接收过程中信号传播一定距离后幅值的衰减系数；为损伤散射信号的时间；为对每个压电传感器接收到的损伤散射信号附加的时间延迟（10）其中，为相邻两个压电传感器之间的距离，为扫描角度；（5）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。