基于激光Lamb波频率‑波数分析的金属板缺陷定位方法与流程

本发明提供了一种基于激光Lamb波频率-波数分析的金属板缺陷定位方法，属于激光超声无损检测技术领域。

背景技术：

板型结构或类板型结构在航空工业和石油化工领域有着大量的应用，采用无损检测方法对板结构进行检测研究不仅具有极高的科研价值，而且具有重要的经济和社会意义。

用于大型板结构无损检测主要有X射线检测法、涡流检测法、热成像法，超声法等等。这些方法已广泛的用于工业现场实际检测，但是不可避免的存在一些问题。例如X射线具有辐射效应，人体长时间暴露在高强度的射线下会受到较严重的伤害；涡流检测的结果是各变量之间的矢量叠加，需通过各种解调方法才能获取所需的结果，且该技术只能用于导电材料的检测；热成像法只能用于板状结构表面、近表面缺陷的检测。而激光Lamb波检测技术结合了激光超声技术和Lamb波检测技术的优点，对于大型金属板结构的缺陷检测更具明显的优势。(1)激光超声检测技术可实现远距离、非接触检测可应用于高温有毒的特殊场合；(2)激光超声检测技术具有高时空分辨力可采集全波场信息；(3)激光激励Lamb波宽频、多模态可方便实现多模态、多频率数据融合成像。

目前，激光Lamb波缺陷检测技术用于金属板结构缺陷检测的方法主要是基于激光传感器阵列的缺陷检测技术。结合不同激光传感器阵列形式和各类成像算法实现缺陷的定位。由于Lamb波多模态、频散的特点，导致在有限传播空间下缺陷波包在时域内很难被识别出来。采用时频分析方法虽然在时间和频率两个维度上使缺陷信息得以更好地识别，但只能判断缺陷是否存在但无法定位。以椭圆成像算法为例，该方法通过对有、无缺陷信号作差，保留缺陷回波信号实现缺陷定位。但是由于上述原因，有无缺陷信号相减之后直达波信号以及边界反射信号难以完全抵消，幅值甚至远大于缺陷信号，难以得到纯净的缺陷信号。因此，该方法不可避免的存在检测盲区和赝像。基于采用常规的时域、频域或者时频域信号处理方法难以利用激光Lamb波实现缺陷的定位，一些学者根据不同模态的Lamb波具有不同的空间传播特性发展了Lamb波频率-波数域分析的缺陷检测方法。目前该方法采用压电传感器激励，激光测振仪在不同位置线扫描接收多组Lamb波信号，基于频率-波数分析方法实现缺陷的定位。不同中心频率的Lamb波对缺陷的敏感度不同，但是压电激励每次只能激励单一的中心频率，无法方便实现多频率缺陷成像。因此，为了实现真正的非接触检测，充分发挥激光高时间、空间分辨率的优势，采取激光激励，激光密集扫描接收Lamb波信号的激励接收方式，发展了基于激光超声和频率-波数分析方法的金属板缺陷定位方法，用于军工行业广泛使用的大型金属板状结构非接触、快速、全面的无损检测。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提出了一种基于激光Lamb波频率-波数分析的金属板缺陷定位方法。通过特定频率提取算法，提取宽频激光Lamb波中对缺陷敏感的频段优化缺陷检测的灵敏度和检测效率，发展了一种完全非接触式的缺陷定位方法。

实现该方法的检测系统包括激光控制器、脉冲激光器、激光激励探头、数字示波器、待检样板、激光接收探头、连续脉冲激光器、分光器、解调器、计算机。激光超声激励部分包括激光控制器、脉冲激光器，激光激励探头。激光控制器向脉冲激光器提供能量激发脉冲激光器产生脉冲激光，然后经激光激励探头发出。同时，激光控制器向示波器提供同步触发信号实现激光超声信号的同步激励采集。激光超声接收系统包括连续脉冲激光器、分光器、解调器，激光接收探头。连续脉冲激光器输出连续激光，经分光器后分成两束。一束作为参考光直接输入到解调器；另一束经激光接收探头照射到铝板表面，然后将经铝板表面反射后携带了超声信号的激光(信号光)也输入到解调器中。在解调器中采用参考光和信号光将超声信号解调出来由示波器采集显示。最后，利用MATLAB处理采集到的超声数据实现缺陷定位。为避免由热弹机制产生的空气冲击波对接收信号的影响，激励和接收探头分置铝板两侧。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于激光Lamb波频率-波数分析的金属板缺陷定位方法包括以下步骤：

步骤一：调节激光超声检测系统至最佳工作状态；

首先架设待检板结构，保证板结构稳定。开启激光超声检测系统，设置连续脉冲激光器的输出能量以及示波器的采样参数和通道触发方式。调节板结构和激光接收探头之间的距离和夹角，直至系统输出幅值高且稳定的交流信号。

步骤二：Lamb波信号的激励接收；

激光激励探头在板结构固定位置激励，激光接收探头以步长x逐点采集Lamb波信号f_x(t)，x为激光接收光斑和激光激励光斑之间的距离。最后获得M行N列的Lamb波数据矩阵。M为空间采样点数，N为时间采样点数。

步骤三：宽频激光Lamb波特定频率成分的提取；

对于宽频的激光Lamb波信号，采用连续小波变换的方法提取特定频率信号，便于缺陷识别。对于任意平方可积的函数f(t)，即f(t)∈L²(R)，的连续小波变换为：

其中t为时间，R为实数集，L²(R)为平方可积函数集，ψ(t)为一个基本小波或母小波。将母函数ψ(t)经伸缩和平移后可得小波序列：

其中：a为伸缩因子，b为平移因子。

步骤四：二维汉宁窗函数的构造；

在MATLAB中构造一个二维汉宁窗，对得到的Lamb矩阵信号在空间上逐段截取。该窗和步骤二中采集的Lamb波信号在时间上维度保持一致，空间上的维度根据Lamb波的波长决定。二维窗函数W(t,x)表达式如下：

其中x为空间位置，D_x为窗的半宽。

步骤五：对提取中心频率后的时间-空间波场信号u(t,x)逐段加窗截取，对截取后的每段时间-空间波场信号做二维傅里叶变换；

借鉴短时傅里叶变换的思想，对提取中心频率后的时间-空间波场信号在空间上逐段截取，使空间信息得以保留，再对各段进行二维傅里叶变换。为保证波数的准确，二维汉宁窗的空间维度要大于一个波长。为防止在窗的边界出现赝像，两次加窗的部分要有重叠。上述过程可表示为：

其中L(s,ω,k)为空间-频率-波数谱，s为空间位置索引，ω是角频率，k是波数；

步骤六：一维空间-波数缺陷定位。

提取步骤五得到的所有二维傅里叶变换结果中特定频率下的波数谱，按顺序组合得到空间-波数谱。当待测样板中无缺陷时，空间-波数谱只存在正波数谱；当待测样板中有缺陷时，空间-波数谱中不仅存在正波数谱还存在负波数谱。负波数谱的末端和正波数谱出现能量骤减的位置就是缺陷的位置。

附图说明

图1激光超声检测系统示意图。

图2铝板及缺陷位置示意图。

图3激光Lamb波时域信号。

图4激光Lamb波激励接收方式示意图。

图5激光Lamb波时间-空间波场信号。

图6提取160kHz频率附近的时域信号。

图7提取160kHz频率附近的时间-空间波场图。

图8二维汉宁窗。

图9 160kHz频率附近的时间-空间波场加窗截取结果。

图10加窗波场二维傅里叶变换结果。

图中标号说明如下：1-铝板，2-缺陷，3-激励光斑，4-接收光斑，5-缺陷回波。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实验实施例：

图1为激光超声检测系统，分为激励和接收两部分。激光超声激励部分包括激光控制器、脉冲激光器，激光激励探头。激光控制器向脉冲激光器提供能量激发脉冲激光器产生脉冲激光，然后经激光激励探头发出。同时，激光控制器向示波器提供同步触发信号实现激光超声信号的同步激励采集。激光超声接收系统包括连续脉冲激光器、分光器、解调器，激光接收探头。连续脉冲激光器输出连续激光，经分光器后分成两束。一束作为参考光直接输入到解调器；另一束经激光接收探头照射到铝板表面，然后将经铝板表面反射后携带了超声信号的激光(信号光)也输入到解调器中。在解调器中采用参考光和信号光将超声信号解调出来由示波器采集显示。最后，利用MATLAB处理采集到的超声数据实现缺陷定位。为避免由热弹机制产生的空气冲击波对接收信号的影响，所以本实例中激励和接收探头分置铝板两侧。

如图2所示，在尺寸为1000mm×1000mmmm×1mm的铝板上加工20mm×mmm的通孔缺陷，缺陷距上端面490mm、距下端面490mm、距左端面300mm，距右端面698mm。

本实施例包含如下步骤：

步骤一：调节激光超声检测系统至最佳工作状态；

首先架设待检板结构，保证板结构的稳定。开启激光控制器，设置激光控制器向脉冲激光器提供的能量为3.8J。调节激励探头和铝板之间的距离和夹角，实施例中距离为100mm，夹角为90^o，激励光斑直径为1mm(聚焦)。激励光斑置于缺陷上下中线上，距缺陷右端150mm。

开启激光超声接收系统，设置连续脉冲激光器的输出能量为150mW，将解调器的直流输出和交流输出分别接至示波器的通道2和通道4(其它通道也可以)。设置通道2为触发源，直流触发，通道阻抗为50Ω。移动激光接收探头使接收光斑在激励光斑左侧10.2mm处，上下位置一致。调节激光接收探头和铝板之间的距离和夹角使通道2接收到的直流信号高于500mV，实施例中为1.2V(不能超过3V)。切换通道4为触发源，打开解调器上的高压和校准开关，调节通道4的触发电平直至通道4接收到的交流信号幅值最高且稳定。此时激光接收探头和铝板表面的距离约为40mm，接收光斑直径约为0.3mm(聚焦)。关闭校准开关，再次选择通道2为示波器的触发源，将激光控制器提供的同步触发源和通道2连接。解调器的直流输出接至另外一个示波器，作为超声信号幅值的参考电压。示波器采样率设为50MHz、采样点数为10000，以降低数据量和防止采入边界反射信号。单次按下激励按钮，由示波器采集到的激光Lamb波信号如图3所示。

步骤二：激励接收Lamb波信号；

激光Lamb波激励接收方式如图4所示。激励光斑置于缺陷上下中线上，距缺陷右端150mm固定位置处激励。激励、接收光斑上下位置一致，以激励光斑左侧10.2mm处作为起始位置，以步长0.2mm逐点采集Lamb波信号f_x(t)，x为激励光斑和接收光斑之间的距离。本实施例中共采集了1301组数据，得到1301行10000列的数据矩阵，其时间-空间波场如图5所示。

步骤三：宽频激光Lamb波特定频率成分的提取；

本实施例中采用连续小波变换(CWT)的方法依据公式(1)对1301组宽频激光Lamb波信号提取中心频率为160kHz的信号便于缺陷识别。对其中一组激光Lamb波信号做CWT提取，结果如图6所示，相较于提取前时域信号可以清楚的看到缺陷反射回波。对激光Lamb波时间-空间波场采用CWT提取160kHz中心频率后结果如图7所示。

步骤四：二维汉宁窗的构造；

在MATLAB中构造一个二维汉宁窗，对得到的Lamb波矩阵数据在空间上做汉宁调制。在时间上，窗的维度和步骤二中采集的Lamb波信号一致，为10000。本实施例中，激光接收探头主要接收A₀模态的Lamb波(离面位移为主)，在100kHz～400kHz频带内A₀模态波长上限为17mm，为保证波数不失真，窗函数在空间上的维度选为80mm。二维汉宁窗如图8所示。

步骤五：对提取中心频率后的时间-空间波场信号u(t,x)分段加窗截取，对截取后的每段时间-空间波场信号做二维傅里叶变换；

对经过特定频率成分提取后的波场信号在空间上用长度为80mm的汉宁窗分段截取。将汉宁窗的起始位置和数据矩阵对齐后截取，然后每隔0.2mm移动汉宁窗(保证空间精度)继续截取直至全部截取完毕。经二维汉宁窗截取后的时间-空间波场如图9所示。对截取后的每一段信号根据(4)式做二维傅里叶变换，得到频率-波数谱，如图10所示。从图中可以看出得到的结果和理论频率-波数曲线相吻合并在160kHz附近能量占优，结果和预期的一致。

步骤六：一维空间-波数缺陷定位。

在每段加窗数据二维傅里叶变换的结果中选取160kHz下的波数谱，将这些数据按选取时的先后顺序从左至右排放得到空间-波数谱。当扫描路径上无缺陷时，空间-波数谱只存在正波数谱；当扫描路径上有缺陷时，空间-波数谱中不仅存在正波数谱而且会出现负波数谱。负波数谱的末端和正波数谱出现能量骤减的位置就是缺陷的位置。