基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，該方法包括：對需采用N－S陣列同步探測的實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行N×S次獨(dú)立的單通道激勵(lì)-單通道接收的主動應(yīng)力波探測；將S陣列中各單元的N路接收信號線性疊加得到S路合成信號；將S路合成信號進(jìn)行時(shí)間反演放大，對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行N×S次獨(dú)立單通道激勵(lì)-單通道接收的時(shí)間反演探測；將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時(shí)反信號；采用合成時(shí)反繼續(xù)對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號；采用基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演成像方法，對合成迭代信號進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵(lì)回傳，實(shí)現(xiàn)損傷聚焦成像。
【專利說明】基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測試測量技術(shù)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]時(shí)間反演是指對測量所得的時(shí)域信號的一種逆序處理，它將所測信號按照到達(dá)接收點(diǎn)的順序進(jìn)行前后反轉(zhuǎn)。根據(jù)互易原理，時(shí)間反演具有時(shí)空聚焦特性，具體體現(xiàn)為:空間中多點(diǎn)測得的來自損傷目標(biāo)的接收信號經(jīng)過時(shí)間反演處理后，所得的多路時(shí)間反演信號能夠無需先驗(yàn)知識、自適應(yīng)地穿過復(fù)雜介質(zhì)在同一時(shí)間在空間損傷目標(biāo)處疊加出最大能量，并形成類似于原始損傷散射信號的逆時(shí)域波形的聚焦信號。時(shí)間反演技術(shù)利用時(shí)間反演信號的聚焦特性有效降低了頻散效應(yīng)和非均勻介質(zhì)的影響。目前人們已經(jīng)利用時(shí)間反演聚焦信號的峰值、能量、時(shí)空聚焦等特征，應(yīng)用時(shí)間反演技術(shù)處理各種損傷測方法檢測到的損傷信號后對多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷檢測。傳統(tǒng)時(shí)間反演鏡成像方法正是利用了時(shí)間反演技術(shù)的時(shí)空聚焦特性，對空間中多點(diǎn)測得的接收信號進(jìn)行時(shí)間反演處理，然后把時(shí)間反演信號同步回傳到多接收點(diǎn)上重新激勵(lì)，記錄成像空間中每一時(shí)刻的應(yīng)力分布，只要找出成像空間中所有時(shí)間段最大信號出現(xiàn)的位置就能找到損傷目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)時(shí)間演鏡成像方法的目標(biāo)成像依據(jù)只有在接收陣列單元數(shù)量較多時(shí)且傳播路徑較短、傳播損耗較小、多損傷干擾小時(shí)，損傷目標(biāo)點(diǎn)才可能成為空間最大信號所在的點(diǎn)。比如當(dāng)接收陣列單元個(gè)數(shù)為I時(shí)，那么在時(shí)間反演過程中，到達(dá)損傷目標(biāo)處的時(shí)間反演聚焦信號雖然能夠在時(shí)域上恢復(fù)原始波形，但是該聚焦信號由于受到傳播路徑的損耗，其信號大小肯定要比用于激勵(lì)時(shí)間反演信號的接收單元處的信號小，成像結(jié)果就會把目標(biāo)錯(cuò)誤定位在接收單元處。
[0003]根據(jù)以上分析，實(shí)際檢測中若采用傳統(tǒng)時(shí)間反演鏡成像方法，需要針對多個(gè)發(fā)射陣列單元和接收陣列單元設(shè)計(jì)同步激勵(lì)和同步采集裝置，這對硬件設(shè)備的性能要求極高；此外，傳統(tǒng)時(shí)間反演鏡成像算法的準(zhǔn)確度也受限于接收陣列單元個(gè)數(shù)、傳播路徑損耗、多損傷目標(biāo)等因素限制。因此，建立一種滿足測試測量需求并能有效實(shí)現(xiàn)最大目標(biāo)檢測的結(jié)構(gòu)損傷成像監(jiān)測方法具有重要的研究意義和前瞻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法。所述技術(shù)方案如下:
[0005]一種基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，包括:
[0006]對需采用N - S陣列同步探測的實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立的單通道激勵(lì)-單通道接收的主動應(yīng)力波探測；
[0007]將S陣列中各單元的N路接收信號線性疊加得到S路合成信號；
[0008]將S路合成信號進(jìn)行時(shí)間反演放大，對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立單通道激勵(lì)-單通道接收的時(shí)間反演探測；[0009]將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時(shí)反信號；
[0010]采用合成時(shí)反繼續(xù)對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號；
[0011]采用基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演成像方法，對合成迭代信號進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵(lì)回傳，實(shí)現(xiàn)損傷聚焦成像。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例可以具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0013]通過采用主動應(yīng)力波方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)損失進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)了對大范圍結(jié)構(gòu)損傷的長距離、實(shí)時(shí)主動監(jiān)測；
[0014]通過合成時(shí)反技術(shù)，采用單通道激勵(lì)一單通道接收系統(tǒng)即可等效合成多通道同步激勵(lì)一多通道同步接收信號，使實(shí)物探測試驗(yàn)?zāi)軌虿皇芏嗤ǖ劳郊?lì)一多通道同步接收系統(tǒng)的極高性能要求限制，實(shí)現(xiàn)探測信號增強(qiáng)，提高損傷目標(biāo)散射信號分辨率；
[0015]通過應(yīng)用迭代探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)最大損傷目標(biāo)的聚焦增強(qiáng)檢測，提高最大損傷目標(biāo)檢測準(zhǔn)確性、最大損傷目標(biāo)散射信號分辨率；
[0016]通過基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演鏡成像方法，采用時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了對損傷目標(biāo)的聚焦成像，成像效果不受限于陣列單元個(gè)數(shù)和傳播路徑損耗。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0017]圖1是基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像方法流程圖；
[0018]圖2是基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代檢測模型圖；
[0019]圖3是二維仿真實(shí)施案例模型圖；
[0020]圖圖4^4^41^41^4(^4(^4(^和4d2是實(shí)施案例模型中S陣列各單元的接收信號及合成信號圖；
[0021]圖5是實(shí)施案例模型中S陣列合成信號的時(shí)間反演放大信號圖；
[0022]圖和6d2是實(shí)施案例模型中N陣列各單元接收到的時(shí)反信號及合成時(shí)反信號圖；
[0023]圖7是案例模型中一次迭代探測的合成迭代信號圖；
[0024]圖8是案例模型中一次合成迭代信號的損傷聚焦成像圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述:
[0026]如圖1所示，本實(shí)施例提供了一種基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像檢測方法，該方法包括以下步驟:
[0027]步驟10對需采用N - S陣列同步探測的實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立的單通道激勵(lì)-單通道接收的主動應(yīng)力波探測；
[0028]采用主動應(yīng)力波探測技術(shù)初始激勵(lì)N陣列各單元，N路初始激勵(lì)信號均選用一致的寬帶高斯脈沖信號。N — S探測陣列的陣列單元均采用基于正逆壓電效應(yīng)的PZT換能器，N陣列PZT換能器受初始激勵(lì)電信號激勵(lì)時(shí)可在被測結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)力波。
[0029]步驟20將S陣列中各單元的N路接收信號線性疊加得到S路合成信號；
[0030]S陣列PZT換能器感應(yīng)到結(jié)構(gòu)中傳播的應(yīng)力波時(shí)可將應(yīng)力波轉(zhuǎn)化為電信號，將S陣列中各單元接收到的N路信號線性疊加，可得到S路合成信號，該S路合成信號與N陣列同步激勵(lì)-S陣列同步接收時(shí)采集到的S路信號是等價(jià)的。
[0031]步驟30將S路合成信號進(jìn)行時(shí)間反演放大，對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立單通道激勵(lì)-單通道接收的時(shí)間反演探測；
[0032]對S路合成信號進(jìn)行時(shí)間反演處理，考慮到S路合成信號相對N路初始激勵(lì)信號的傳播衰減，將各時(shí)間反演信號按同等倍數(shù)放大到激勵(lì)水平，并各自回傳到S陣列各單元中進(jìn)行重新激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)物結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行SXN次獨(dú)立單通道激勵(lì)一單通道接收的主動應(yīng)力波時(shí)間反演探測。
[0033]步驟40將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時(shí)反信號；
[0034]根據(jù)合成時(shí)反思想，該N路合成時(shí)反信號與S陣列同步時(shí)反激勵(lì)-N陣列同步接收時(shí)采集到的N路時(shí)反信號是等價(jià)的。合成時(shí)反處理實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)同步時(shí)間反演一致的探測信號增強(qiáng)、損傷目標(biāo)散射信號分辨率提高的效果。
[0035]步驟50采用合成時(shí)反繼續(xù)對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號;
[0036]采用上述合成時(shí)反思想繼續(xù)對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代探測，實(shí)現(xiàn)探測信號增強(qiáng)和最大損傷目標(biāo)聚焦，最終得到N路合成迭代信號。所述迭代探測是指將N陣列上一次接收的合成時(shí)反信號時(shí)間反演放大處理后重新激勵(lì)N陣列產(chǎn)生探測應(yīng)力波，探測應(yīng)力波經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳播后被S陣列感應(yīng)接收，將S陣列的合成信號進(jìn)行時(shí)間反演后放大到激勵(lì)水平重新激勵(lì)S陣列產(chǎn)生時(shí)反探測應(yīng)力波，時(shí)反探測應(yīng)力波經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳播后又被N陣列感應(yīng)接收形成新的合成時(shí)反信號，以上就是一次迭代探測過程。
[0037]步驟60采用基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演成像方法，對合成迭代信號進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵(lì)回傳，實(shí)現(xiàn)損傷聚焦成像。
[0038]所述成像模型是與無損實(shí)物結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的數(shù)值模擬模型，采用時(shí)域有限差分方法構(gòu)建，該模型可利用已知空間介質(zhì)網(wǎng)格尺寸、介質(zhì)密度、剛度張量、傳播速度以及發(fā)射陣列、接收陣列坐標(biāo)等信息計(jì)算出空間中所有坐標(biāo)點(diǎn)在時(shí)域上的應(yīng)力信息和速度信息。采用基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演鏡成像方法，對合成迭代信號再次進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元中激勵(lì)回傳，記錄各合成迭代時(shí)反信號在模型中每一時(shí)刻的空間應(yīng)力分布并進(jìn)行歸一化，把模型空間中同坐標(biāo)點(diǎn)的同一時(shí)刻歸一化信號進(jìn)行相乘，并把所有時(shí)刻的結(jié)果相加得到損傷聚焦成像圖形。所述損傷聚焦成像圖形中坐標(biāo)點(diǎn)的像素值表示所有合成迭代時(shí)反信號在該坐標(biāo)點(diǎn)的歸一化合成應(yīng)力，對于多損傷結(jié)構(gòu)，最大損傷目標(biāo)處的合成應(yīng)力最大，則損傷聚焦成像圖形中像素值最大的區(qū)域即為最大損傷目標(biāo)。
[0039]參見圖2，為基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代檢測模型。出于簡化的目的，我們忽略陣列單元的時(shí)域非線性響應(yīng)特性。設(shè)空間中有N個(gè)陣列單元Ρη(1 < η < N)，有S個(gè)陣列單元匕(1 < s < S)，有D個(gè)損傷目標(biāo)Pd (ID)，把各個(gè)損傷目標(biāo)的散射過程簡化為線性響應(yīng)Xd。N陣列單元與損傷目標(biāo)之間的頻域傳遞函數(shù)為H(Pn，Pd, ω)，損傷目標(biāo)與S陣列單元之間的頻域傳遞函數(shù)為H(Pd，Ps，ω)。
[0040]假設(shè)N個(gè)陣列單元的初始激勵(lì)信號均為E ( ω )。N陣列同步激勵(lì)初始信號后，損傷目標(biāo)Pd接收到的來自N陣列的播信號為
【權(quán)利要求】
1.基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述方法包括: 對需采用N - S陣列同步探測的實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立的單通道激勵(lì)-單通道接收的主動應(yīng)力波探測； 將S陣列中各單元的N路接收信號線性疊加得到S路合成信號； 將S路合成信號進(jìn)行時(shí)間反演放大，對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行NXS次獨(dú)立單通道激勵(lì)-單通道接收的時(shí)間反演探測； 將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時(shí)反信號； 采用合成時(shí)反繼續(xù)對實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號； 采用基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演成像方法，對合成迭代信號進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵(lì)回傳，實(shí)現(xiàn)損傷聚焦成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，采用主動應(yīng)力波探測技術(shù)初始激勵(lì)N - S陣列中N陣列各單元時(shí)，N路初始激勵(lì)信號均選用相同的寬帶高斯脈沖信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述N — S陣列的陣列單元均采用基于正逆壓電效應(yīng)的PZT換能器，PZT換能器受電信號激勵(lì)時(shí)在被測結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)力波，PZT換能器感應(yīng)到結(jié)構(gòu)中傳播的應(yīng)力波時(shí)，將應(yīng)力波轉(zhuǎn)化為電信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述迭代探測是指將N陣列上一次接收到的合成時(shí)反信號時(shí)間反演放大處理后重新激勵(lì)N陣列產(chǎn)生探測應(yīng)力波，探測應(yīng)力波經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳播后被S陣列感應(yīng)接收，將S陣列的合成信號進(jìn)行時(shí)間反演后放大到激勵(lì)水平重新激勵(lì)S陣列產(chǎn)生時(shí)反探測應(yīng)力波，時(shí)反探測應(yīng)力波經(jīng)過結(jié)構(gòu)傳播后又被N陣列感應(yīng)接收形成新的合成時(shí)反信號，完成一次迭代探測過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述基于時(shí)域聚焦的時(shí)間反演成像方法包括: 對實(shí)物探測所得合成迭代信號再次進(jìn)行時(shí)間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵(lì)回傳； 記錄各合成迭代時(shí)反信號在模型中每一時(shí)刻的空間應(yīng)力分布并進(jìn)行歸一化； 將同一時(shí)刻相同坐標(biāo)點(diǎn)的各歸一化信號進(jìn)行相乘，并將所有時(shí)刻的結(jié)果相加得到損傷聚焦成像圖形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述成像模型是與無損實(shí)物結(jié)構(gòu)參數(shù)一致的數(shù)值模擬模型，采用時(shí)域有限差分方法構(gòu)建，利用已知空間介質(zhì)網(wǎng)格尺寸、介質(zhì)密度、剛度張量、傳播速度及發(fā)射陣列接收陣列坐標(biāo)信息，計(jì)算出空間中所有坐標(biāo)點(diǎn)在時(shí)域上的應(yīng)力信息和速度信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于合成時(shí)反的結(jié)構(gòu)損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述損傷聚焦成像圖形中坐標(biāo)點(diǎn)的像素值表示所有合成迭代時(shí)反信號在該坐標(biāo)點(diǎn)的歸一化合成應(yīng)力。
【文檔編號】G01N29/04GK104034801SQ201410201131
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】洪曉斌, 吳斯棟, 周建熹, 劉桂雄 申請人:華南理工大學(xué)