專利名稱：一種具有頻偏修正效果的時間－距離域映射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Lamb波信號處理領(lǐng)域，尤其涉及Lamb波頻散補償方法。
背景技術(shù)：
諸如載人飛行器、核反應堆和橋梁等重要結(jié)構(gòu)在其服役過程中很容易產(chǎn)生各種形式的損傷，為了避免結(jié)構(gòu)損傷帶來的災難或損失，必須對這些結(jié)構(gòu)進行長期有效的監(jiān)測，而傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)已不能很好滿足該監(jiān)測要求。為此，研究者們提出了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一種在線、動態(tài)、實時的監(jiān)測技術(shù)，其近幾年得到高速發(fā)展并在工程結(jié)構(gòu)的安全和可靠性評估中發(fā)揮著日益重要的作用。Lamb波是一種板類結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導波，因其能夠傳播較遠距離并且對結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部損 傷均敏感的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到日益廣泛的應用，Lamb波監(jiān)測技術(shù)已成為一個研究熱點。Lamb波具有多模和頻散特性，即使對于單模式的Lamb波信號，頻散效應也使其波包發(fā)生擴展和變形，幅值隨之減小，這種現(xiàn)象會隨著傳播距離的增大表現(xiàn)得越明顯，嚴重降低了傳感信號的分辨率和信噪比。現(xiàn)有技術(shù)中，時間反轉(zhuǎn)方法無需Lamb波在結(jié)構(gòu)中傳播的先驗知識便可自動補償頻散特性，但同時也消除了 Lamb波的傳播時間，為后續(xù)損傷識別增加了難度。Alleyne通過信號再次激勵來抑制傳播距離已知的特定模態(tài)的頻散現(xiàn)象。Sicard等基于后向傳播函數(shù)提出一種頻散補償方法，該方法需要積分運算，計算量較大[參考文獻I]。Wilcox通過把信號從時域變換到空間域來消除頻散特性[參考文獻2]，由于未修正處理過程中對激勵信號波數(shù)譜的影響，使處理結(jié)果發(fā)生頻偏現(xiàn)象[參考文獻3]，為信號解釋造成困難。[參考文獻 I] Sicard R，Goyette J，Zellouf D. A numerical dispersioncompensation technique for time recompression of Lamb wave signals. Ultrasonics,2002，40(1-8) :727-732.
[參考文獻 2]Wilcox PD. A rapid signal processing technique to remove theeffect of dispersion from guided wave signals. IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics, and Frequency Control，2003，50 (4) :419-427.
[參考文獻 3]Xu B，Yu L，Giurgiutiu V. Lamb Wave Dispersion Compensationin Piezoelectric Wafer Active Sensor Phased-Array Applications In KunduTribikram(ed. ). Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2009.Proceedings ofthe SPIE，2009，7295.。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種具有頻偏修正效果的時間-距離域映射方法。本發(fā)明的具有頻偏修正效果的時間-距離域映射方法，包括下列步驟
I)求取頻散波數(shù)和非頻散波數(shù)關(guān)系數(shù)值求解或?qū)嶒灉y得Lamb波信號的頻散波數(shù)關(guān)系Κ(ω)，并計算非頻散波數(shù)關(guān)系Kmax (ω):
Kmax( ) = /cgo
其中，ω為解頻率，Cg0為信號在中心頻率處的群速度；
2)計算原始頻散信號頻譜；對原始頻散信號v(t)進行傅立葉變換得到其頻譜為ν(ω)；
3)求取信號波數(shù)譜
首先，根據(jù)Κ(ω)，計算出插值映射序列Ω(10 ； Ω (k) = Γ1 ( ω )
其中，IT1(Co)為Κ(ω)的逆函數(shù)。
其次，對ν(ω)在ω = Ω (k)處進行插值處理，得到信號波數(shù)譜V' (k)
V' (k) = ν[Ω (k)]
其中，ν[Ω (k)]為對ν(ω)在ω = Ω (k)處的插值處理結(jié)果
4)修正激勵信號波數(shù)譜
首先，計算插值映射序列ΩηΧη(10
il . - K K+ :.
其中，λ. 〃+> 為ΚηΧη(ω)的逆函數(shù)；
其次，計算信號波數(shù)譜的修正因子Cmax (k)；
C-(k) =V0[QnXn(k)]/Va[Q(k)]
其中，為對Κω)在ω = ΩηΧη(10處的插值處理結(jié)果=VJQ (k)]為對Vq(Co)在ω = Ω (k)處的插值處理結(jié)果；
再其次，計算考慮激勵信號修正的信號波數(shù)譜V (k) v(k) =r (k)Cmax(k);
5)計算得到頻偏修正的非頻散距離域信號；對￥(10進行逆傅立葉變換得到非頻散的距離域信號V (r)。
本發(fā)明的方法可補償Lamb波信號中的頻散效應，再壓縮信號中因頻散發(fā)生擴展和變形的各個波包，提高信號分辨率和信噪比。而且，在處理過程中對激勵信號波數(shù)譜進行了修正，從而保持頻散補償前后信號波數(shù)成份不變，便于信號解釋。


圖I是具有頻偏修正效果的時間-距離域映射方法的流程 圖2是壓電片P1和P2在鋁板中的位置和Atl模式傳感信號的傳播路徑示意 圖3是激勵信號；
圖4是原始Atl模式傳感信號；
圖5是頻散波數(shù)關(guān)系Κ(ω)和非頻散波數(shù)關(guān)系曲線Κ_(ω)；
圖6是插值映射序列ΩηΧη(10和Ω (k)；
圖7是經(jīng)具有須偏修正效果的時間-距離域映射方法處理后的A0模式傳感信號；
圖8是經(jīng)未考虛頻偏修正的時間-距離域映射方法處理后的A0模式傳感信號。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
來對本發(fā)明作進一步地詳細說明。實施例I
本實施例采用2024鋁板作為待測結(jié)構(gòu)，尺寸為ImX I. 5mX I. 5mm。該結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表I。在結(jié)構(gòu)中布置有2個壓電片P1和P2，在鋁板結(jié)構(gòu)中的位置如圖2所示。下面將以Lamb波Atl模式傳感信號為例給出本發(fā)明的頻散補償方法的實現(xiàn)過程。為了在結(jié)構(gòu)中激發(fā)Atl模式為主的Lamb波監(jiān)測信號，選擇中心頻率為IOOkHz的三波峰正弦調(diào)制信號作為激勵波形，如圖3所示。以P1作為激勵，P2作為傳感器，采集到的傳感信號如圖4，傳感信號中每個波包的傳播路徑如圖2所示。在圖4顯示的原始傳感信號中，第一個波包為幅值較大的A0模式直達信號，其時域?qū)挾葟脑瓉淼?0 μ s (如圖3所示)增大到60 μ S，波包形狀不再對稱，幅值也由于波包拉伸而下降，隨著傳播距離的增大這種頻散效應表現(xiàn)得更嚴重，使得Atl模式邊界反射信號發(fā)生了嚴重混疊，給信號分析增加了難度。
表I 2024鋁板材料參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種具有頻偏修正效果的時間一 距離域映射方法，其特征在于，包括下列步驟I)求取頻散波數(shù)和非頻散波數(shù)關(guān)系 數(shù)值求解或?qū)嶒灉y得Lamb波信號的頻散波數(shù)關(guān)系10 )，并計算非頻散波數(shù)關(guān)系 ΚΜ ) = ω ^ 其中，為角頻率，Cfi0為信號在中心頻率處的群速度；2)計算原始頻散信號頻譜對原始頻散信號@進行傅立葉變換得到其頻譜為 3)求取信號波數(shù)譜 首先，根據(jù)，計算出插值映射序列_ O0L)=IT1Cffl) 其中，Jr1(O)為jr(<p)的逆函數(shù)， 其次，對FXfiPj在I = 處進行插值處理，得到信號波數(shù)譜#( :) Z(Jt)=F [_ 其中，MilOt)]為對在β = Ω( )處的插值處理結(jié)果；4)修正激勵信號波數(shù)譜 首先，計算插值映射序列《^(*5 其中，為χ (的的逆函數(shù)； 其次，計算信號波數(shù)譜的修正因PCm(Jfc)Cm(k} = Va[^{k)\iVa[Q(k)] 其中為對在fi =q_(Jt)處的插值處理結(jié)果；Fe
為對在 =_)處的插值處理結(jié)果； 再其次，計算考慮激勵信號修正的信號波數(shù)譜》rPi 叩)二 P(JtKfc)；5)計算得到頻偏修正的非頻散距離域信號對》rPJ進行逆傅立葉變換得到非頻散的距離域信號 >·)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有頻偏修正效果的時間－距離域映射方法，包括下列步驟1)求取頻散波數(shù)和非頻散波數(shù)關(guān)系；2)計算原始頻散信號頻譜3)求取信號波數(shù)譜；4)修正激勵信號波數(shù)譜；5)計算得到頻偏修正的非頻散距離域信號。本發(fā)明的方法可補償Lamb波信號中的頻散效應，再壓縮信號中因頻散發(fā)生擴展和變形的各個波包，提高信號分辨率和信噪比。而且，在處理過程中對激勵信號波數(shù)譜進行了修正，從而保持頻散補償前后信號波數(shù)成份不變，便于信號解釋。
文檔編號G01N29/46GK102818860SQ201210267410
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者石立華, 蔡建, 周穎慧, 付尚琛, 馬丁, 李炎新 申請人:中國人民解放軍理工大學