一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法及系统与流程

本发明属于无损检测、安全监测技术领域，具体涉及一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法及系统。

背景技术：

现如今，各行各业对于结构完整性的要求越来越高，这是因为结构内部是否存在空洞关系着整个结构的稳定性，如何有效探测出其中的空洞并采取相应的措施便成为了人们一直致力研究的方向。

就目前的研究情况来看，结构空洞位置的辨识(定位)方法都较为复杂，寻求一种简单易行，可靠性高的辨识方法及系统是十分必要的。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是，针对现有结构空洞位置辨识方法的复杂性，提供一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法及系统，简单易行，可靠性高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的解决方案如下：

一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法，包括以下步骤：

步骤1、以需要进行空洞位置辨识的结构为目标区域，在目标区域的不同位置布置多个声发射传感器，现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间(实际传播时间)；

步骤2、针对目标区域构建多个空洞模型；针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径(最短时间路径)，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间(理论传播时间)；

步骤3、分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，最小偏差对应的空洞模型所在位置作为辨识得到的目标区域中的空洞位置。

进一步地，所述步骤1中，在目标区域的不同位置布置多个声发射传感器的方法为：在目标区域的不同位置分别装上m个声发射传感器，m为大于或等于4的整数，声发射传感器的个数关系着空洞定位的精度，个数越多，精度越高。各个声发射传感器的位置均为已知。

进一步地，所述声发射传感器需满足可以主动发射脉冲信号(声波信号)的功能；脉冲信号可被声发射传感器接收到并进行特殊标记以区分微震信号。

进一步地，所述步骤1中，设主动震源，即发射脉冲信号的声发射传感器为sl，其坐标为(xl，yl，zl)，其发射脉冲信号的时间为接收到脉冲信号的第k个声发射传感器sk的坐标为(xk，yk，zk)，其接收到sl发射的脉冲信号的实际时间为用表示声发射传感器sl发射脉冲信号的时间与声发射传感器sk接收到响应脉冲信号的实际时间之差，即实际旅行时间；

进一步地，所述步骤2中，构建空洞模型的方法为：

对目标区域按一定比例进行网格划分，得到n个网格交点，将每一个网格交点视为一个样本点，得到一个包含n个样本点的集合；遍历集合内的所有样本点(x，y，z)，以及半径r所有的可取值，分别以每个样本点(x，y，z)为球心，构建一个半径为r的球形的空洞模型pxyzr，由此得到目标区域内所有的空洞模型；其中r的可取值为网格长度len的整数倍，且小于或等于目标区域长、宽和高中的最大值；

进一步地，所述步骤2中，采用常用最短路径追踪方法来追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；常用最短路径追踪方法有a*算法、蚁群算法、粒子群算法等。

进一步地，设目标区域内存在空洞模型pxyzr时，追踪到的发射脉冲的声发射传感器sl与接收脉冲声发射传感器sk之间的最短路径为脉冲信号的传播速度为v(在目标区域，假定脉冲信号在非空洞区的传播速度为一个定值，为未知数)，则sl与sk之间信号的理论旅行时间为：

进一步地，所述步骤3中，根据理论旅行时间与实际旅行时间之差的平方，引入偏差d用来描述pxyzr与未知结构空洞的偏离程度，偏差计算公式为：

每一个空洞模型将得到一个对应的dxyzr值，并且，dxyzr的值越大，表示pxyzr与未知结构空洞的偏离程度也越大，因此，最小的dxyzr值对应的坐标(x，y，z)作为辨识得到的结构内部空洞的球心坐标，对应的r即为辨识得到的结构内部空洞的半径。

本发明还公开一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的系统，包括多个声发射传感器和数据处理模块；

所述多个声发射传感器分别布置在目标区域，即需要进行空洞位置辨识的结构的多个不同位置，用于现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间；

所述数据处理模块，首先针对目标区域构建多个空洞模型；然后针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；最后分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，将最小偏差对应的空洞模型所在位置作为辨识得到的目标区域中的空洞位置。

所述系统采用上述基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法辨识结构内部的空洞位置。

有益效果：

随着声发射技术的日渐成熟，声发射的应用领域也越来越广。声发射作为一种动态无损检测技术，可以连续监视结构内部损伤的过程，本发明将其应用于探测结构内部的完整性。本发明很好地考虑了弹性波在介质中传播的实际情况，，即弹性波在含空洞的复杂结构(材料)中传播时，震源到台站之间的最短时间路径将是绕开空洞的曲线轨迹，而不再等效于两点间的最短距离路径，据此来追踪弹性波(声波)从震源到声发射传感器之间绕开结构内部空洞传播的最短路径，让其接近真实路径，以此来识别结构空洞的具体位置及大小。本发明步骤清晰，操作简单；无需预先测定波速，考虑了弹性波实际传播路径，实用性高，可以更精确地完成定位，应用前景广泛，可应用于原子能、航空、航天、冶金材料、地震、地质、石油、化学、电力、矿业和建筑等诸多领域。

附图说明

图1为本发明实施例中声发射传感器布置示意图；

图2为本发明实施例流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步具体说明。

实施例1；

本实施例公开了一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法，包括以下步骤：

步骤1、以需要进行空洞位置辨识的结构为目标区域，在目标区域的不同位置布置多个声发射传感器(如图1所示)，现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间；

步骤2、针对目标区域构建多个空洞模型；针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；

步骤3、分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，最小偏差对应的空洞模型所在位置作为辨识得到的目标区域中的空洞位置。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤1中，在目标区域的不同位置布置多个声发射传感器的方法为：在目标区域的不同位置分别装上m个声发射传感器，m为大于或等于4的整数。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，所述声发射传感器均具有脉冲信号发射功能。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上，所述步骤1中，设主动震源，即发射脉冲信号的声发射传感器为sl，其坐标为(xl，yl，zl)，其发射脉冲信号的时间为接收到脉冲信号的第k个声发射传感器sk的坐标为(xk，yk，zk)，其接收到sl发射的脉冲信号的实际时间为则声发射传感器sl与声发射传感器sk之间信号的实际旅行时间为：

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上，所述步骤2中，采用常用最短路径追踪方法来追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间。

实施例6：

本实施例在实施例4的基础上，所述步骤2中，构建空洞模型的方法为：

对目标区域按一定比例进行网格划分，得到n个网格交点，将每一个网格交点视为一个样本点，得到一个包含n个样本点的集合；遍历集合内的所有样本点(x，y，z)，以及半径r所有的可取值，分别以每个样本点(x，y，z)为球心，构建一个半径为r的球形的空洞模型pxyzr，由此得到目标区域内所有的空洞模型；其中r的可取值为网格长度len的整数倍，且小于或等于目标区域长、宽和高中的最大值。

实施例7：

本实施例在实施例6的基础上，设目标区域内存在空洞模型pxyzr时，追踪到的发射脉冲的声发射传感器sl与接收脉冲声发射传感器sk之间的最短路径为脉冲信号的传播速度为v，则声发射传感器sl与声发射传感器sk之间信号的理论旅行时间为：

实施例8：

本实施例在实施例7的基础上，所述步骤3中，偏差计算公式为：

本实施例中方法流程如图2所示。

实施例9：

本实施例公开了一种基于全域搜索辨识结构空洞位置的系统，包括多个声发射传感器和数据处理模块；

所述多个声发射传感器分别布置在目标区域，即需要进行空洞位置辨识的结构的多个不同位置，用于现场采集各声发射传感器之间信号的实际旅行时间；

所述数据处理模块，首先针对目标区域构建多个空洞模型；然后针对每一个空洞模型，追踪目标区域内存在该空洞模型时，各声发射传感器之间信号传播的最短路径，从而得到各声发射传感器之间信号的理论旅行时间；最后分别计算每个空洞模型对应的各声发射传感器之间信号的理论旅行时间与实际旅行时间之间的偏差，将最小偏差对应的空洞模型所在位置作为辨识得到的目标区域中的空洞位置。

本实施例中的系统采用上述实施例1～8中任一项所述的基于全域搜索辨识结构空洞位置的方法辨识结构内部的空洞位置。