本發(fā)明涉及一種基于稀疏陣列層析成像的絕熱層脫粘損傷監(jiān)測方法，屬于帶絕熱層的板類工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

國內(nèi)外航天領(lǐng)域面臨著日益增長的空間運載需求，為此世界各航天大國均在尋找降低航天運載器的發(fā)射費用、提高可靠性、安全性和任務(wù)適應(yīng)性的途徑，而可重復(fù)使用運載飛行器便是其中重要的發(fā)展項目。液氫/液氧推進劑作為理想的推進劑，被廣泛運用在可重復(fù)使用運載飛行器上。液氫/液氧沸點很低，通常需要使用粘接劑將絕熱層結(jié)構(gòu)粘接在貯箱基體表面，實現(xiàn)絕熱防護功能。然而由于貯箱在發(fā)射和飛行期間承受了復(fù)雜的外載荷以及劇烈的環(huán)境變化，若粘接劑出現(xiàn)失效，造成絕熱層脫粘等現(xiàn)象，嚴重時甚至可能引起安全事故。因此關(guān)于絕熱層脫粘損傷的檢測/監(jiān)測技術(shù)一直備受重視。

針對板類大面積結(jié)構(gòu)，由于超聲導(dǎo)波的傳播距離遠、檢測范圍廣，成為了近年來損傷監(jiān)測方法的研究熱點。采用粘接式或嵌入式傳感器激勵接收導(dǎo)波信號，提取與損傷相關(guān)的散射信號特征，進而診斷成像，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的完整性評估。然而對絕熱層脫粘進行監(jiān)測時，脫粘損傷通常不會產(chǎn)生明顯的導(dǎo)波散射回波，傳統(tǒng)的基于加權(quán)概率的導(dǎo)波成像方法對于此種損傷類型的定位、定量化能力受到嚴重影響。

射線層析成像技術(shù)對于無明顯散射或衍射現(xiàn)象的損傷識別具有較高的精度，但通常需要密集型的傳感器陣列，從而加重了設(shè)備負擔，也影響了成像結(jié)果的重建速度，在實際工程應(yīng)用上有一定局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出一種基于稀疏陣列層析成像的絕熱層脫粘損傷監(jiān)測方法，其特點是通過布置稀疏的傳感器陣列，激勵/接收超聲導(dǎo)波信號，提取損傷的信號特征，使用自適應(yīng)的代數(shù)迭代算法重建初始解，隨后進行正則化處理，改善所求解稀疏矩陣的不適定性，修正迭代法結(jié)果，直至獲得較高的成像精度。具體包括以下步驟：

步驟1：將待測結(jié)構(gòu)的監(jiān)測區(qū)域離散化為x×y個小網(wǎng)格，在監(jiān)測區(qū)域邊界布置若干個壓電元件組成的稀疏陣列，建立直角坐標系；

步驟2：將上述壓電陣列設(shè)置m條監(jiān)測路徑記做im-jm(m＝1,2,…,m),im表示第m條監(jiān)測路徑中作為激勵端的壓電元件，jm表示激勵端的壓電元件對應(yīng)的接收端的壓電元件,計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣st(m×z)，其中z＝x·y；

步驟3：采用函數(shù)發(fā)生器和功率放大器激發(fā)窄帶信號，將激發(fā)的窄帶信號加載到步驟2中的監(jiān)測路徑中的某一個激勵端的壓電元件im上，在待測結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，同時選定所述壓電元件im對應(yīng)接收端的壓電元件jm接收超聲導(dǎo)波信號，采集含絕熱層粘接信息的超聲導(dǎo)波回波信號；

步驟4：按照步驟3的方式完成剩余監(jiān)測路徑的信號采集，以絕熱層粘接完好狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為基準信號e，將待檢狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為監(jiān)測信號記為e’；

步驟5：計算基準信號e與監(jiān)測信號e’之間的信號差異作為層析成像的投影系數(shù)矩陣c(m×1)；

步驟6:根據(jù)代數(shù)迭代算法預(yù)設(shè)的迭代參數(shù)，按照路徑數(shù)m進行一輪迭代，確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾(z×1)；

步驟7：將步驟6得到的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾代入tv正則化表達式，進入正則化求解迭代過程，達到迭代次數(shù)后輸出為p^(tv)；

步驟8：計算p⁽ⁿ⁾與p^(n-1)是否滿足重建算法預(yù)設(shè)的迭代終止條件，若滿足進入步驟9，若不滿足，將p⁽ⁿ⁾重新代入步驟6-7進行下一輪迭代；

步驟9：將滿足迭代終止條件的p⁽ⁿ⁾作為圖像像素值，重建出最終診斷圖像，對該待測結(jié)構(gòu)上的絕熱層脫粘損傷進行位置定位，對絕熱層的粘接情況進行評估。

進一步的，所述步驟3中所述窄帶信號的帶寬范圍為300—700khz。

進一步的，所述步驟5中的投影系數(shù)矩陣c由基準信號e和監(jiān)測信號e’的信號能量差計算得到。

進一步的，所述步驟6的代數(shù)迭代重建(art)算法為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，上標n是迭代次數(shù)，下標j是對監(jiān)測區(qū)域網(wǎng)格個數(shù)的索引(j＝1,2,…,z)；λart是art松弛因子；c是投影系數(shù)矩陣，是估計投影系數(shù)矩陣,st是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣，i＝nmodm+1是對路徑的索引。

進一步的，所述步驟7的tv正則化公式為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，下標i是對迭代次數(shù)(i＝1,2,…,ntv)的索引，上標tv代表處于正則化迭代步驟；λtv是tv松弛因子；dtv＝||p^(pocs)-p⁽ⁿ⁾||，p^(pocs)是對脫粘指數(shù)的先驗約束；vi是脫粘指數(shù)全變差的梯度方向。

更進一步的，所述步驟7的vi是脫粘指數(shù)全變差的梯度方向,公式為

其中p^(tv)(m×z)是處于正則化迭代步驟的脫粘指數(shù)，ε是一個預(yù)設(shè)的正數(shù)。

更進一步的，所述步驟6的λart是art松弛因子,能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，表達式為

其中αart，βart，γart分別是預(yù)設(shè)的代數(shù)重建迭代參數(shù)。

更進一步的，所述步驟7的λtv是tv松弛因子，能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，表達式為

其中p^(tv)是步驟7得到的監(jiān)測區(qū)域脫粘指數(shù)；αtv，βtv，γtv分別是預(yù)設(shè)的tv正則化迭代參數(shù)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明適合帶絕熱層大面積結(jié)構(gòu)的脫粘損傷實時監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)的導(dǎo)波橢圓加權(quán)成像方法對絕熱層脫粘損傷識別不準的問題，傳感器陣列排布稀疏，診斷圖像重建速度快，診斷結(jié)果定位精度高，大大提升了超聲導(dǎo)波對絕熱層脫粘的實時監(jiān)測能力。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明中基于層析成像的絕熱層脫粘損傷監(jiān)測方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中粘接有絕熱層試片的結(jié)構(gòu)示意圖，并布置了稀疏壓電陣列；

圖3為本發(fā)明實施例中的路徑設(shè)置示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中對監(jiān)測區(qū)域的離散化模型；

圖5為本發(fā)明實施例中基于稀疏陣列層析成像的絕熱層脫粘損傷監(jiān)測方法的具體流程圖；

圖6為本發(fā)明實施例最終的診斷成像結(jié)果。

具體實施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整的描述：

步驟1：將待測結(jié)構(gòu)的監(jiān)測區(qū)域離散化為x×y個小網(wǎng)格，在監(jiān)測區(qū)域邊界布置若干個壓電元件組成的稀疏陣列，建立直角坐標系；

步驟2：將上述壓電陣列設(shè)置m條監(jiān)測路徑記做im-jm(m＝1,2,…,m),im表示第m條監(jiān)測路徑中作為激勵端的壓電元件，jm表示激勵端的壓電元件對應(yīng)的接收端的壓電元件,計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣st(m×z)，其中z＝x·y；

步驟3：采用函數(shù)發(fā)生器和功率放大器激發(fā)窄帶信號，將激發(fā)的窄帶信號加載到步驟2中的監(jiān)測路徑中的某一個激勵端的壓電元件im上，在待測結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生超聲導(dǎo)波，同時選定所述壓電元件im對應(yīng)接收端的壓電元件jm接收超聲導(dǎo)波信號，采集含絕熱層粘接信息的超聲導(dǎo)波回波信號；

步驟4：按照步驟3的方式完成剩余監(jiān)測路徑的信號采集，以絕熱層粘接完好狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為基準信號e，將待檢狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為監(jiān)測信號記為e’；

步驟5：計算基準信號e與監(jiān)測信號e’之間的信號差異作為層析成像的投影系數(shù)矩陣c(m×1)；

步驟6:根據(jù)代數(shù)迭代算法預(yù)設(shè)的迭代參數(shù)，按照路徑數(shù)m進行一輪迭代，確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾(z×1)；

步驟7：將步驟6得到的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾代入tv正則化表達式，進入正則化求解迭代過程，達到迭代次數(shù)后輸出為p^(tv)；

步驟8：計算p⁽ⁿ⁾與p^(n-1)是否滿足重建算法預(yù)設(shè)的迭代終止條件，若滿足進入步驟9，若不滿足，將p⁽ⁿ⁾重新代入步驟6-7進行下一輪迭代；

步驟9：將滿足迭代終止條件的p⁽ⁿ⁾作為圖像像素值，重建出最終診斷圖像，對該待測結(jié)構(gòu)上的絕熱層脫粘損傷進行位置定位，對絕熱層的粘接情況進行評估。

進一步的，所述步驟3中所述窄帶信號的帶寬范圍為300—700khz。

進一步的，所述步驟5中的投影系數(shù)矩陣c由基準信號e和監(jiān)測信號e’的信號能量差計算得到。

進一步的，所述步驟6的代數(shù)迭代重建(art)算法為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，上標n是迭代次數(shù)，下標j是對監(jiān)測區(qū)域網(wǎng)格個數(shù)的索引(j＝1,2,…,z)；λart是art松弛因子；c是投影系數(shù)矩陣，是估計投影系數(shù)矩陣,st是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣，i＝nmodm+1是對路徑的索引。

進一步的，所述步驟7的tv正則化公式為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，下標i是對迭代次數(shù)(i＝1,2,…,ntv)的索引，上標tv代表處于正則化迭代步驟；λtv是tv松弛因子；dtv＝||p^(pocs)-p⁽ⁿ⁾||，p^(pocs)是對脫粘指數(shù)的先驗約束；vi是脫粘指數(shù)全變差的梯度方向。

更進一步的，所述步驟7的vi是脫粘指數(shù)全變差的梯度方向,公式為

其中p^(tv)(m×z)是處于正則化迭代步驟的脫粘指數(shù)，ε是一個預(yù)設(shè)的正數(shù)。

更進一步的，所述步驟6的λart是art松弛因子，其特征在于能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，表達式為

其中αart，βart，γart分別是預(yù)設(shè)的代數(shù)重建迭代參數(shù)。

更進一步的，所述步驟7的λtv是tv松弛因子，其特征在于能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)，表達式為

其中p^(tv)是步驟7得到的監(jiān)測區(qū)域脫粘指數(shù)；αtv，βtv，γtv分別是預(yù)設(shè)的tv正則化迭代參數(shù)。

實施例：

步驟1：取一塊如圖2所示絕熱層試片，基板1使用鋁合金板，板厚3mm，尺寸為500mm×500mm?；?上粘接有一塊尺寸為360mm×360mm的絕熱層片3，材料為聚酰亞胺，所選用的粘接劑為聚氨酯膠。

步驟2：在鋁板稀疏布置了10個壓電傳感器作為超聲導(dǎo)波的激勵/接收陣列2，如圖2所示，并形成如圖3所示的35條監(jiān)測路徑，記為m；

步驟3：以基板中心為坐標原點，以各傳感器為監(jiān)測區(qū)域邊界，建立直角坐標系。對該監(jiān)測區(qū)域離散化成網(wǎng)格，并從1至z進行編號。本實例中網(wǎng)格大小為20mm×20mm，共得到18×18＝324個網(wǎng)格，如圖4所示。網(wǎng)格編號順序為從左至右，從上至下，共編號z＝324個。

步驟4：計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣st。選擇某條路徑m，計算該路徑穿過監(jiān)測區(qū)域的網(wǎng)格編號j及路徑被網(wǎng)格所截斷的長度l，記為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣的元素stmj＝l。

步驟5：選擇某一監(jiān)測路徑，將激勵的窄帶信號加載到該監(jiān)測路徑的激勵端，其中激勵的窄帶信號的帶寬控制在300—700khz。本實例中采用中心頻率400khz，hanning窗調(diào)制的周期數(shù)為5的正弦信號作為激勵信號。同時，該激勵端對應(yīng)的接收端采集超聲導(dǎo)波回波信號，得到的信號記做em(m＝1,2,…,m)，本實例中m為35，采樣頻率為12mhz；

步驟6：按照步驟5的方式完成剩余監(jiān)測路徑的信號采集，并以絕熱層粘接完好狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為基準信號e，將出現(xiàn)脫粘損傷后的待檢狀態(tài)下采集到的超聲導(dǎo)波回波信號作為監(jiān)測信號記為e’。如圖2所示，本實例中預(yù)置脫粘損傷中心位置為(-144,36)，直徑30mm。

步驟7：計算基準信號e與監(jiān)測信號e’之間的信號差異作為層析成像的投影系數(shù)矩陣c(m×1)，差異由二者信號能量差異計算得到。本實例中選擇信號時域能量比值的自然對數(shù)作為投影系數(shù)，表達式為

其中，n為采樣點數(shù)。此時得到層析成像的投影模型為st·p＝c，之后對該模型組成的線性系統(tǒng)進行求解。

步驟8：根據(jù)代數(shù)迭代算法預(yù)設(shè)的迭代參數(shù)，按照路徑數(shù)m進行一輪迭代，確定該輪迭代后監(jiān)測區(qū)域內(nèi)每個網(wǎng)格的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾(z×1)。其中代數(shù)迭代重建(art)算法為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，上標n是迭代次數(shù)，下標j是對監(jiān)測區(qū)域網(wǎng)格個數(shù)的索引(j＝1,2,…,z)；λart是art松弛因子；c是投影系數(shù)矩陣，是估計投影系數(shù)矩陣,st是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣，i＝nmodm+1是對路徑的索引。本實例中，nart設(shè)為1000。另本實例中需計算每輪迭代中各路徑i相對于上輪的差異eri，公式為

步驟9：對迭代完一輪的p⁽ⁿ⁾代入先驗約束，得到p^(pocs)。本實例選擇非負性限制，表達式為

其中p⁽ⁿ⁾是步驟8得到的脫粘指數(shù)p⁽ⁿ⁾。

步驟10：將p^(pocs)賦予tv正則化模型的初值p^(tv)，代入tv正則化模型，表達式為

其中p是所重建的脫粘指數(shù)，下標i是對迭代次數(shù)(i＝1,2,…,ntv)的索引，上標tv代表處于正則化迭代步驟；λtv是tv松弛因子；dtv＝||p^(pocs)-p⁽ⁿ⁾||；vi是脫粘指數(shù)全變差的梯度方向，表示為

其中p^(tv)(m×z)是所重建的脫粘指數(shù)，ε是一個預(yù)設(shè)的正數(shù)。本實例中，ntv＝20，ε＝0.01。

步驟11：進行一次tv正則化迭代過程后，對λtv進行自適應(yīng)的修正調(diào)節(jié)，表示為

其中p^(tv)是步驟10得到的脫粘指數(shù)；αtv，βtv，γtv分別是預(yù)設(shè)的tv正則化迭代參數(shù)。本實例中αtv＝0.1，βtv＝100，γtv＝100。

步驟12：達到tv正則化迭代次數(shù)后，計算p⁽ⁿ⁾與p^(n-1)是否滿足迭代終止條件，若滿足則進入步驟15實現(xiàn)成像過程，若不滿足則進入步驟13進行art參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本實例中選擇的迭代終止條件是

步驟13：若步驟12不滿足迭代終止條件，則進入art參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，公式表示為

其中αart，βart，γart分別是預(yù)設(shè)的代數(shù)重建迭代參數(shù)。本實例中αart＝0.1，βart＝100，γart＝100。

步驟14：更新λart后將p⁽ⁿ⁾重新代入步驟8進行下一輪迭代。

步驟15：將滿足迭代終止條件的p⁽ⁿ⁾作為診斷圖像的像素值，重建出最終診斷圖像，對該待測結(jié)構(gòu)上的絕熱層脫粘損傷進行位置定位，對絕熱層的粘接情況進行評估。本實例最終診斷結(jié)果如圖6所示，圖像高亮部分為診斷損傷的位置,四角星為所預(yù)置損傷位置，診斷結(jié)果較為準確，達到了較高的成像精度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。