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

【發(fā)明內容】

[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于合成時反的結構損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法。所述技術方案如下:
[0005]一種基于合成時反的結構損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，包括:
[0006]對需采用N - S陣列同步探測的實物結構進行NXS次獨立的單通道激勵-單通道接收的主動應力波探測；
[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路合成信號進行時間反演放大，對實物結構進行NXS次獨立單通道激勵-單通道接收的時間反演探測；[0009]將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時反信號；
[0010]采用合成時反繼續(xù)對實物結構進行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號；
[0011]采用基于時域聚焦的時間反演成像方法，對合成迭代信號進行時間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵回傳，實現(xiàn)損傷聚焦成像。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點:
[0013]通過采用主動應力波方式進行結構損失進行檢測，實現(xiàn)了對大范圍結構損傷的長距離、實時主動監(jiān)測；
[0014]通過合成時反技術，采用單通道激勵一單通道接收系統(tǒng)即可等效合成多通道同步激勵一多通道同步接收信號，使實物探測試驗能夠不受多通道同步激勵一多通道同步接收系統(tǒng)的極高性能要求限制，實現(xiàn)探測信號增強，提高損傷目標散射信號分辨率；
[0015]通過應用迭代探測技術，實現(xiàn)了對結構最大損傷目標的聚焦增強檢測，提高最大損傷目標檢測準確性、最大損傷目標散射信號分辨率；
[0016]通過基于時域聚焦的時間反演鏡成像方法，采用時域有限差分數(shù)值模擬實現(xiàn)了對損傷目標的聚焦成像，成像效果不受限于陣列單元個數(shù)和傳播路徑損耗。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0017]圖1是基于合成時反的結構損傷迭代聚焦成像方法流程圖；
[0018]圖2是基于合成時反的結構損傷迭代檢測模型圖；
[0019]圖3是二維仿真實施案例模型圖；
[0020]圖圖4^4^41^41^4(^4(^4(^和4d2是實施案例模型中S陣列各單元的接收信號及合成信號圖；
[0021]圖5是實施案例模型中S陣列合成信號的時間反演放大信號圖；
[0022]圖和6d2是實施案例模型中N陣列各單元接收到的時反信號及合成時反信號圖；
[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。
【具體實施方式】
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述:
[0026]如圖1所示，本實施例提供了一種基于合成時反的結構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陣列同步探測的實物結構進行NXS次獨立的單通道激勵-單通道接收的主動應力波探測；
[0028]采用主動應力波探測技術初始激勵N陣列各單元，N路初始激勵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的PZT換能器，N陣列PZT換能器受初始激勵電信號激勵時可在被測結構上產生相應應力波。
[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換能器感應到結構中傳播的應力波時可將應力波轉化為電信號，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-S陣列同步接收時采集到的S路信號是等價的。
[0031]步驟30將S路合成信號進行時間反演放大，對實物結構進行NXS次獨立單通道激勵-單通道接收的時間反演探測；
[0032]對S路合成信號進行時間反演處理，考慮到S路合成信號相對N路初始激勵信號的傳播衰減，將各時間反演信號按同等倍數(shù)放大到激勵水平，并各自回傳到S陣列各單元中進行重新激勵，從而實現(xiàn)對實物結構再次進行SXN次獨立單通道激勵一單通道接收的主動應力波時間反演探測。
[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路合成時反信號；
[0034]根據(jù)合成時反思想，該N路合成時反信號與S陣列同步時反激勵-N陣列同步接收時采集到的N路時反信號是等價的。合成時反處理實現(xiàn)了與傳統(tǒng)同步時間反演一致的探測信號增強、損傷目標散射信號分辨率提高的效果。
[0035]步驟50采用合成時反繼續(xù)對實物結構進行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號;
[0036]采用上述合成時反思想繼續(xù)對實物結構進行迭代探測，實現(xiàn)探測信號增強和最大損傷目標聚焦，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反信號時間反演放大處理后重新激勵N陣列產生探測應力波，探測應力波經過結構傳播后被S陣列感應接收，將S陣列的合成信號進行時間反演后放大到激勵水平重新激勵S陣列產生時反探測應力波，時反探測應力波經過結構傳播后又被N陣列感應接收形成新的合成時反信號，以上就是一次迭代探測過程。
[0037]步驟60采用基于時域聚焦的時間反演成像方法，對合成迭代信號進行時間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵回傳，實現(xiàn)損傷聚焦成像。
[0038]所述成像模型是與無損實物結構參數(shù)一致的數(shù)值模擬模型，采用時域有限差分方法構建，該模型可利用已知空間介質網格尺寸、介質密度、剛度張量、傳播速度以及發(fā)射陣列、接收陣列坐標等信息計算出空間中所有坐標點在時域上的應力信息和速度信息。采用基于時域聚焦的時間反演鏡成像方法，對合成迭代信號再次進行時間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元中激勵回傳，記錄各合成迭代時反信號在模型中每一時刻的空間應力分布并進行歸一化，把模型空間中同坐標點的同一時刻歸一化信號進行相乘，并把所有時刻的結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點的像素值表示所有合成迭代時反信號在該坐標點的歸一化合成應力，對于多損傷結構，最大損傷目標處的合成應力最大，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。
[0039]參見圖2，為基于合成時反的結構損傷迭代檢測模型。出于簡化的目的，我們忽略陣列單元的時域非線性響應特性。設空間中有N個陣列單元Ρη(1 < η < N)，有S個陣列單元匕(1 < s < S)，有D個損傷目標Pd (ID)，把各個損傷目標的散射過程簡化為線性響應Xd。N陣列單元與損傷目標之間的頻域傳遞函數(shù)為H(Pn，Pd, ω)，損傷目標與S陣列單元之間的頻域傳遞函數(shù)為H(Pd，Ps，ω)。
[0040]假設N個陣列單元的初始激勵信號均為E ( ω )。N陣列同步激勵初始信號后，損傷目標Pd接收到的來自N陣列的播信號為
【權利要求】
1.基于合成時反的結構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陣列同步探測的實物結構進行NXS次獨立的單通道激勵-單通道接收的主動應力波探測； 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路合成信號進行時間反演放大，對實物結構進行NXS次獨立單通道激勵-單通道接收的時間反演探測； 將N陣列中各單元的S路接收信號線性疊加，得到N路合成時反信號； 采用合成時反繼續(xù)對實物結構進行迭代探測，最終得到N路合成迭代信號； 采用基于時域聚焦的時間反演成像方法，對合成迭代信號進行時間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵回傳，實現(xiàn)損傷聚焦成像。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于合成時反的結構損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，采用主動應力波探測技術初始激勵N - S陣列中N陣列各單元時，N路初始激勵信號均選用相同的寬帶高斯脈沖信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于合成時反的結構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的PZT換能器，PZT換能器受電信號激勵時在被測結構上產生相應應力波，PZT換能器感應到結構中傳播的應力波時，將應力波轉化為電信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于合成時反的結構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反信號時間反演放大處理后重新激勵N陣列產生探測應力波，探測應力波經過結構傳播后被S陣列感應接收，將S陣列的合成信號進行時間反演后放大到激勵水平重新激勵S陣列產生時反探測應力波，時反探測應力波經過結構傳播后又被N陣列感應接收形成新的合成時反信號，完成一次迭代探測過程。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于合成時反的結構損傷迭代聚焦成像監(jiān)測方法，其特征在于，所述基于時域聚焦的時間反演成像方法包括: 對實物探測所得合成迭代信號再次進行時間反演放大處理，并各自在成像模型N陣列單元激勵回傳； 記錄各合成迭代時反信號在模型中每一時刻的空間應力分布并進行歸一化； 將同一時刻相同坐標點的各歸一化信號進行相乘，并將所有時刻的結果相加得到損傷聚焦成像圖形。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的基于合成時反的結構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物結構參數(shù)一致的數(shù)值模擬模型，采用時域有限差分方法構建，利用已知空間介質網格尺寸、介質密度、剛度張量、傳播速度及發(fā)射陣列接收陣列坐標信息，計算出空間中所有坐標點在時域上的應力信息和速度信息。
7.根據(jù)權利要求5所述的基于合成時反的結構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點的像素值表示所有合成迭代時反信號在該坐標點的歸一化合成應力。
【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