本發(fā)明涉及一種Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息融合的損傷定位成像方法，特別是涉及板殼類(lèi)工程結(jié)構(gòu)的損傷定位，屬于結(jié)構(gòu)健康定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著對(duì)結(jié)構(gòu)安全性、可靠性要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)和診斷日益引起人們的高度重視，尤其是針對(duì)沖擊損傷的定位及損傷范圍的檢測(cè)。為了防止結(jié)構(gòu)損傷所帶來(lái)的災(zāi)難或損失，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全時(shí)段的監(jiān)測(cè)和有效快速的損傷檢測(cè)及修復(fù)。

現(xiàn)有的Lamb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用板結(jié)構(gòu)中傳播的Lamb波對(duì)微小損傷敏感的特性，采用壓電陣列術(shù)、先進(jìn)信號(hào)分析與處理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)分為主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)方法和被動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)方法。Lamb主被動(dòng)方法在損傷發(fā)展的各階段都有其技術(shù)優(yōu)勢(shì)：被動(dòng)方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)地、實(shí)時(shí)在線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，能夠在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)沖擊發(fā)生位置，并能夠?qū)_擊點(diǎn)的坐標(biāo)精確定位，但其對(duì)于固有損傷很難起到監(jiān)測(cè)作用，無(wú)法有效地監(jiān)測(cè)損傷發(fā)展過(guò)程；主動(dòng)方法能夠多次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，對(duì)于固有損傷能夠確定其損傷范圍，通過(guò)多次掃查還能監(jiān)測(cè)其損傷發(fā)展趨勢(shì)，由于其是通過(guò)損傷散射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，散射信號(hào)是在損傷區(qū)域邊界進(jìn)行散射，所以主動(dòng)方法對(duì)其區(qū)域監(jiān)測(cè)較為靈敏，而對(duì)于其損傷發(fā)生的原始位置并不敏感。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息融合的損傷定位成像方法，通過(guò)分時(shí)利用主被動(dòng)方法對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行融合，得到一種新的定位成像矩陣，重構(gòu)出被測(cè)結(jié)構(gòu)中沖擊損傷的位置并獲得損傷成像的信息。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息融合的損傷定位成像方法，包括如下步驟：

步驟1，在待測(cè)結(jié)構(gòu)上，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小，布置K個(gè)壓電傳感器組成激勵(lì)/傳感矩形陣列；

步驟2，在激勵(lì)/傳感矩形陣列中選擇所有的壓電傳感器作為傳感器，設(shè)置觸發(fā)通道，采集結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)狀態(tài)下所有傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，作為被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的Lamb波損傷信號(hào)；

步驟3，在激勵(lì)/傳感矩形陣列中選擇其中一個(gè)壓電傳感器作為激勵(lì)器，剩余壓電傳感器作為傳感器，組建激勵(lì)/傳感監(jiān)測(cè)通道，采集結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀態(tài)下所有監(jiān)測(cè)通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，即當(dāng)前狀態(tài)下的主動(dòng)掃查響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的主動(dòng)掃查響應(yīng)信號(hào)，得到主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的Lamb波損傷信號(hào)；

步驟4，分析被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的Lamb波損傷信號(hào)，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域求取被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的成像結(jié)果，得到被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)成像對(duì)比度矩陣A_MN和B_MN，其中，M、N分別表示將監(jiān)測(cè)區(qū)域坐標(biāo)化并等分為M×N個(gè)像素點(diǎn)后，橫、縱坐標(biāo)的最大值；

步驟5，利用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法分別對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)成像對(duì)比度矩陣中的元素值進(jìn)行歸一化處理，得到處理后的被動(dòng)和主動(dòng)定位成像矩陣和

步驟6，根據(jù)被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式中使用壓電傳感器的數(shù)量對(duì)被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式分配權(quán)值并歸一化處理，得到被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的權(quán)值分別為δ_p、δ_a，根據(jù)如下公式對(duì)被動(dòng)定位成像矩陣和主動(dòng)定位成像矩陣進(jìn)行融合：對(duì)進(jìn)行定位并成像，從而得到主被動(dòng)信息融合成像結(jié)果。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟4所述被動(dòng)監(jiān)測(cè)成像對(duì)比度矩陣A_MN中元素的計(jì)算公式為：

其中，α_mn為A_MN中元素，K為傳感器數(shù)量，γ_ab為a號(hào)傳感器和b號(hào)傳感器的距離權(quán)值，t_a、t_b分別為a號(hào)傳感器、b號(hào)傳感器接收到的沖擊響應(yīng)波達(dá)時(shí)間，分別為像素點(diǎn)(m,n)到a號(hào)、b號(hào)壓電傳感器的距離，v為波速值。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟4所述主動(dòng)監(jiān)測(cè)成像對(duì)比度矩陣B_MN中元素的計(jì)算公式為：

其中，β_mn為B_MN中元素，K為傳感器數(shù)量，z號(hào)傳感器作為激勵(lì)器，Δt_a、Δt_b分別為a號(hào)、b號(hào)傳感器接收到的Lamb波散射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，分別為像素點(diǎn)(m,n)到a號(hào)、b號(hào)、z號(hào)傳感器的距離值。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟5所述被動(dòng)定位成像矩陣中元素的計(jì)算公式為：

其中，為歸一化后矩陣中的元素，min(A_MN)為矩陣A_MN中的最小元素，max(A_MN)為矩陣A_MN中的最大元素，M、N分別表示將監(jiān)測(cè)區(qū)域坐標(biāo)化并等分為M×N個(gè)像素點(diǎn)后，橫、縱坐標(biāo)的最大值。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟6所述被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的權(quán)值之比為：

其中，δ_p、δ_a分別為被動(dòng)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的權(quán)值，K為傳感器數(shù)量。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明利用Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法在損傷發(fā)展階段各自的優(yōu)勢(shì)，融合Lamb波主動(dòng)和被動(dòng)監(jiān)測(cè)定位成像信息，獲得損傷形成及發(fā)展階段更準(zhǔn)確豐富的定位成像信息。

2、本發(fā)明可以有效的融合主被動(dòng)監(jiān)測(cè)的損傷信息，提高損傷定位的準(zhǔn)確性，為L(zhǎng)amb波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了一種新的定位成像技術(shù)方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明待測(cè)結(jié)構(gòu)以及傳感/激勵(lì)陣列的布局示意圖。

圖2(a)是本發(fā)明被動(dòng)方法定位成像效果圖。

圖2(b)是本發(fā)明被動(dòng)方法定位成像設(shè)閾值后效果圖。

圖3(a)是本發(fā)明主動(dòng)方法定位成像效果圖。

圖3(b)是本發(fā)明主動(dòng)方法定位成像設(shè)閾值后效果圖。

圖4(a)是本發(fā)明中Lamb主被動(dòng)融合成像的效果圖。

圖4(b)是本發(fā)明中Lamb主被動(dòng)融合成像設(shè)閾值后的效果圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

Lamb波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)會(huì)遍布結(jié)構(gòu)的每個(gè)點(diǎn)，且衰減較慢，傳播距離較遠(yuǎn)，對(duì)微小損傷敏感等特性及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)成熟的主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的壓電陣列排布技術(shù)、信號(hào)處理的先進(jìn)技術(shù)等?；诖耍景l(fā)明提出一種Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)信息融合的損傷定位成像方法，利用Lamb波主被動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)損傷發(fā)展階段的優(yōu)勢(shì)，分時(shí)應(yīng)用兩種監(jiān)測(cè)方式，并融合不同階段方法的信息，得到豐富的、多層次損傷信息，提高其損傷定位成像的準(zhǔn)確性。具體步驟如下：

(1)在待測(cè)結(jié)構(gòu)上，根據(jù)檢測(cè)區(qū)域大小，布置一組壓電傳感器組成激勵(lì)/傳感矩形陣列，傳感器數(shù)量為K；

(2)在激勵(lì)/傳感陣列中選擇所有的壓電傳感器作為傳感器，設(shè)置觸發(fā)通道，采集結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)狀態(tài)下所有傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，此時(shí)為被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的Lamb波損傷信號(hào)f_p(k)，k＝1,2,3,…,K；

(3)在激勵(lì)/傳感陣列中選擇一個(gè)壓電傳感器作為激勵(lì)器，剩下所有壓電傳感器作為傳感器，組建檢測(cè)通道，采集結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，即當(dāng)前狀態(tài)下的主動(dòng)掃查響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的主動(dòng)掃查響應(yīng)信號(hào)，得到主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式的Lamb波損傷信號(hào)f_a(l)，

(4)分析主被動(dòng)方式下Lamb波損傷信號(hào)，對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)求取被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的成像結(jié)果，像素點(diǎn)賦值采用監(jiān)測(cè)信號(hào)計(jì)算得到的對(duì)比度值α_mn，獲得成像對(duì)比度矩陣A_MN，即被動(dòng)監(jiān)測(cè)成像結(jié)果；并求取主動(dòng)監(jiān)測(cè)方式下的成像結(jié)果，像素點(diǎn)賦值采用損傷前后監(jiān)測(cè)信號(hào)計(jì)算得到的對(duì)比度值β_mn，獲得成像對(duì)比度矩陣B_MN，即主動(dòng)監(jiān)測(cè)成像結(jié)果。對(duì)比度矩陣A_MN、B_MN具有相同的維度M×N。其中，m＝1_,2_,3,…,M，n＝1_,2_,3,…,N；具體如下：

(4-1)將監(jiān)測(cè)區(qū)域表面坐標(biāo)化，并等分為M×N個(gè)像素點(diǎn)，像素點(diǎn)的單位面積大小取決于系統(tǒng)整體可接受的誤差精度；此時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)信息(m,n)與真實(shí)沖擊損傷坐標(biāo)信息都存在一個(gè)對(duì)比度值；

(4-2)分析提取被動(dòng)方式下Lamb波損傷信號(hào)，通過(guò)采樣率和波達(dá)點(diǎn)數(shù)計(jì)算波達(dá)時(shí)間t及波速值v，進(jìn)而求取對(duì)比度值α_mn，聯(lián)立每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度可得M×N階矩陣A_MN，矩陣中元素最小值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)即為可信度最高的損傷點(diǎn)坐標(biāo)；

(4-3)分析提取主動(dòng)方式下Lamb波損傷信號(hào)，計(jì)算散射信號(hào)到達(dá)傳感器的波達(dá)時(shí)間Δt，通過(guò)對(duì)比兩對(duì)傳感器之間的距離比值，得出對(duì)比度值β_mn，聯(lián)立每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度可得M×N階矩陣B_MN，矩陣中元素最小值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)即為可信度最高的損傷點(diǎn)坐標(biāo)。

(5)用min-max標(biāo)準(zhǔn)化(Min-Max Normalization)方法使矩陣中的值都映射到[0,1]之中。歸一化處理后被動(dòng)定位成像矩陣為對(duì)比度值為主動(dòng)定位成像矩陣為對(duì)比度值為

(6)根據(jù)主被動(dòng)方法中使用傳感器的數(shù)量對(duì)兩種方法分配權(quán)值并歸一化處理，得到主動(dòng)和被動(dòng)成像矩陣的權(quán)值分別為δ_a、δ_p。融合后的定位成像矩陣為：其元素最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為主被動(dòng)融合后的損傷定位點(diǎn)坐標(biāo)。

以下結(jié)合計(jì)算公式詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明：

1、首先當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)表面未發(fā)生沖擊時(shí)，應(yīng)充分利用被動(dòng)方法對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，當(dāng)沖擊發(fā)生后，采集結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)狀態(tài)下所有傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算壓電傳感器的波達(dá)時(shí)間t及波速值v，得到每個(gè)像素點(diǎn)與真實(shí)沖擊發(fā)生點(diǎn)坐標(biāo)之間的對(duì)比度值α_mn：

其中，K為傳感器數(shù)量，γ_ab為a號(hào)傳感器和b號(hào)傳感器的距離權(quán)值，t_a、t_b為其接收到的沖擊響應(yīng)波達(dá)時(shí)間，為像素點(diǎn)(m,n)到a號(hào)、b號(hào)壓電傳感器的距離，聯(lián)立每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度可得M×N階矩陣，其形式為：A_MN＝[α_mn],m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N?？傻镁仃囍性刈钚≈档膶?duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，即為可信度最高的損傷點(diǎn)坐標(biāo)。

2、在計(jì)算出被動(dòng)損傷定位信息之后，利用Lamb波主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行掃描，采集結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀態(tài)下所有激勵(lì)/傳感通道的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算散射信號(hào)到達(dá)傳感器的波達(dá)時(shí)間Δt，通過(guò)對(duì)比兩對(duì)傳感器之間的距離比值，得出每個(gè)像素點(diǎn)與損傷定位信息的對(duì)比度值，當(dāng)?shù)趜號(hào)傳感器作為激勵(lì)器時(shí)，對(duì)比度值β_mn計(jì)算公式為(z＝1,2,3,…,K)：

其中，K為傳感器數(shù)量，Δt_a、Δt_b為a號(hào)、b號(hào)傳感器接受到的Lamb波散射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，為像素點(diǎn)(m,n)到a號(hào)、b號(hào)、z號(hào)傳感器的距離值。同上，聯(lián)立每個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度可得M×N階矩陣，其形式為：B_MN＝[β_mn],m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N。可得矩陣中元素最小值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，即為可信度最高的損傷點(diǎn)坐標(biāo)。

3、被動(dòng)方法的對(duì)比度值α_mn使用min-max標(biāo)準(zhǔn)化處理的方程為：

其中，為歸一化后矩陣中的元素，min(A_MN)矩陣中的最小元素，max(A_MN)矩陣中的最大元素。組成歸一化后的矩陣m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N。同理：主動(dòng)方法對(duì)比度值歸一化后組成的矩陣m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N。

按照主被動(dòng)方法中使用傳感器的數(shù)量對(duì)兩種方法數(shù)據(jù)融合進(jìn)行權(quán)值的分配，設(shè)兩種方法使用的傳感器數(shù)量K相同，則：

按照權(quán)值歸一化考慮，融合后的定位矩陣為：

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)定位層次主被動(dòng)融合的定位矩陣其元素最小點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)即為主被動(dòng)融合后的損傷定位點(diǎn)坐標(biāo)。

以下將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施例包括下列步驟：

1、本發(fā)明所采用的一個(gè)實(shí)施例的試件為一塊材質(zhì)為增強(qiáng)型玻璃纖維復(fù)合材料，尺寸為1000mm*500mm，厚度為3mm的長(zhǎng)矩形板。壓電傳感器均勻分布在結(jié)構(gòu)表面上，按照?qǐng)D1的策略進(jìn)行排布，壓電傳感器間距A為250mm(可調(diào))。以左下角壓電傳感器為編號(hào)起始1號(hào)，逆時(shí)針編號(hào)如圖1所示。1、2、7、8號(hào)傳感器所組成區(qū)域?yàn)锳區(qū)，2、3、6、7號(hào)傳感器所組成區(qū)域?yàn)锽區(qū)，3、4、5、6號(hào)傳感器所組成區(qū)域?yàn)镃區(qū)。以8號(hào)傳感器作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，8-1正方向?yàn)閤軸，8-5正方向?yàn)閥軸，將結(jié)構(gòu)區(qū)域A、B、C分為750*250個(gè)像素塊，使每個(gè)像素塊大小為1mm*1mm，這樣每個(gè)像素塊的坐標(biāo)定義即以mm作為標(biāo)尺。

2、實(shí)施例儀器包括：上位機(jī)、NI-USB6366數(shù)采卡、多通道帶寬電荷放大器、高頻功率放大器、實(shí)驗(yàn)用復(fù)合材料板(已粘貼壓電傳感器)。模擬沖擊損傷使用沖擊錘敲擊結(jié)構(gòu)表面，模擬裂紋、脫層損傷則在結(jié)構(gòu)表面粘貼質(zhì)量塊，本文粘貼的是質(zhì)量較大的螺母。

依次進(jìn)行被動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和主動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬沖擊，并在模擬沖擊位置粘貼模擬損傷，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)多次，以防實(shí)驗(yàn)設(shè)備和敲擊不精確等帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不可靠。大致位置分別為(125mm,187mm)，(125mm,250mm)，(125mm,313mm)，(125mm,375mm)，根據(jù)式(1)被動(dòng)沖擊信號(hào)波達(dá)時(shí)間t、波速值v及傳感器陣列幾何排布得出沖擊點(diǎn)坐標(biāo)；按照式(2)進(jìn)行損傷定位，得出主動(dòng)方式下的損傷定位點(diǎn)坐標(biāo)；按照式(5)進(jìn)行融合后的損傷定位，得到損傷點(diǎn)的位置坐標(biāo)；各個(gè)定位坐標(biāo)對(duì)比如表1所示。從定位的主被動(dòng)融合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)與單一的Lamb主被動(dòng)方法，主被動(dòng)技術(shù)融合結(jié)果能夠有效提高定位精度，使得定位結(jié)果比單一的方法更逼近與損傷位置。

表1

3、根據(jù)Lamb波主被動(dòng)定位成像矩陣，A_MN＝[α_mn],m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N，B_MN＝[β_mn],m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N，結(jié)合公式(1)、(2)，利用表1中第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)主被動(dòng)定位成像矩陣進(jìn)行成像，成像的結(jié)果如圖2(a)、圖3(a)所示，為了是結(jié)構(gòu)更加的直觀(guān)，分別對(duì)主被動(dòng)成像的結(jié)果進(jìn)行閾值化處理，如圖2(b)、圖3(b)所示；同時(shí)利用公式(3)、(4)、(5)，對(duì)融合結(jié)果進(jìn)行成像并閾值，得到融合后的成像結(jié)果，如圖4(a)、圖4(b)所示。從實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果可以看出，融合后的定位精度得到提高，同時(shí)結(jié)合成像結(jié)果的直觀(guān)性，此方法為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新型損傷評(píng)估方法，具有良好的應(yīng)用前景。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。