基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，该方法包括：对需采用N－S阵列同步探测的实物结构进行N×S次独立的单通道激励-单通道接收的主动应力波探测；将S阵列中各单元的N路接收信号线性叠加得到S路合成信号；将S路合成信号进行时间反演放大，对实物结构进行N×S次独立单通道激励-单通道接收的时间反演探测；将N阵列中各单元的S路接收信号线性叠加，得到N路合成时反信号；采用合成时反继续对实物结构进行迭代探测，最终得到N路合成迭代信号；采用基于时域聚焦的时间反演成像方法，对合成迭代信号进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元激励回传，实现损伤聚焦成像。
【专利说明】基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测试测量技术及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法。
【背景技术】
[0002]时间反演是指对测量所得的时域信号的一种逆序处理，它将所测信号按照到达接收点的顺序进行前后反转。根据互易原理，时间反演具有时空聚焦特性，具体体现为:空间中多点测得的来自损伤目标的接收信号经过时间反演处理后，所得的多路时间反演信号能够无需先验知识、自适应地穿过复杂介质在同一时间在空间损伤目标处叠加出最大能量，并形成类似于原始损伤散射信号的逆时域波形的聚焦信号。时间反演技术利用时间反演信号的聚焦特性有效降低了频散效应和非均匀介质的影响。目前人们已经利用时间反演聚焦信号的峰值、能量、时空聚焦等特征，应用时间反演技术处理各种损伤测方法检测到的损伤信号后对多种结构进行了损伤检测。传统时间反演镜成像方法正是利用了时间反演技术的时空聚焦特性，对空间中多点测得的接收信号进行时间反演处理，然后把时间反演信号同步回传到多接收点上重新激励，记录成像空间中每一时刻的应力分布，只要找出成像空间中所有时间段最大信号出现的位置就能找到损伤目标。然而，传统时间演镜成像方法的目标成像依据只有在接收阵列单元数量较多时且传播路径较短、传播损耗较小、多损伤干扰小时，损伤目标点才可能成为空间最大信号所在的点。比如当接收阵列单元个数为I时，那么在时间反演过程中，到达损伤目标处的时间反演聚焦信号虽然能够在时域上恢复原始波形，但是该聚焦信号由于受到传播路径的损耗，其信号大小肯定要比用于激励时间反演信号的接收单元处的信号小，成像结果就会把目标错误定位在接收单元处。
[0003]根据以上分析，实际检测中若采用传统时间反演镜成像方法，需要针对多个发射阵列单元和接收阵列单元设计同步激励和同步采集装置，这对硬件设备的性能要求极高；此外，传统时间反演镜成像算法的准确度也受限于接收阵列单元个数、传播路径损耗、多损伤目标等因素限制。因此，建立一种满足测试测量需求并能有效实现最大目标检测的结构损伤成像监测方法具有重要的研究意义和前瞻性。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法。所述技术方案如下:
[0005]一种基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，包括:
[0006]对需采用N - S阵列同步探测的实物结构进行NXS次独立的单通道激励-单通道接收的主动应力波探测；
[0007]将S阵列中各单元的N路接收信号线性叠加得到S路合成信号；
[0008]将S路合成信号进行时间反演放大，对实物结构进行NXS次独立单通道激励-单通道接收的时间反演探测；[0009]将N阵列中各单元的S路接收信号线性叠加，得到N路合成时反信号；
[0010]采用合成时反继续对实物结构进行迭代探测，最终得到N路合成迭代信号；
[0011]采用基于时域聚焦的时间反演成像方法，对合成迭代信号进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元激励回传，实现损伤聚焦成像。
[0012]与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点:
[0013]通过采用主动应力波方式进行结构损失进行检测，实现了对大范围结构损伤的长距离、实时主动监测；
[0014]通过合成时反技术，采用单通道激励一单通道接收系统即可等效合成多通道同步激励一多通道同步接收信号，使实物探测试验能够不受多通道同步激励一多通道同步接收系统的极高性能要求限制，实现探测信号增强，提高损伤目标散射信号分辨率；
[0015]通过应用迭代探测技术，实现了对结构最大损伤目标的聚焦增强检测，提高最大损伤目标检测准确性、最大损伤目标散射信号分辨率；
[0016]通过基于时域聚焦的时间反演镜成像方法，采用时域有限差分数值模拟实现了对损伤目标的聚焦成像，成像效果不受限于阵列单元个数和传播路径损耗。
【专利附图】
【附图说明】 [0017]图1是基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像方法流程图；
[0018]图2是基于合成时反的结构损伤迭代检测模型图；
[0019]图3是二维仿真实施案例模型图；
[0020]图图4^4^41^41^4(^4(^4(^和4d2是实施案例模型中S阵列各单元的接收信号及合成信号图；
[0021]图5是实施案例模型中S阵列合成信号的时间反演放大信号图；
[0022]图和6d2是实施案例模型中N阵列各单元接收到的时反信号及合成时反信号图；
[0023]图7是案例模型中一次迭代探测的合成迭代信号图；
[0024]图8是案例模型中一次合成迭代信号的损伤聚焦成像图。
【具体实施方式】
[0025]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述:
[0026]如图1所示，本实施例提供了一种基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像检测方法，该方法包括以下步骤:
[0027]步骤10对需采用N - S阵列同步探测的实物结构进行NXS次独立的单通道激励-单通道接收的主动应力波探测；
[0028]采用主动应力波探测技术初始激励N阵列各单元，N路初始激励信号均选用一致的宽带高斯脉冲信号。N — S探测阵列的阵列单元均采用基于正逆压电效应的PZT换能器，N阵列PZT换能器受初始激励电信号激励时可在被测结构上产生相应应力波。
[0029]步骤20将S阵列中各单元的N路接收信号线性叠加得到S路合成信号；
[0030]S阵列PZT换能器感应到结构中传播的应力波时可将应力波转化为电信号，将S阵列中各单元接收到的N路信号线性叠加，可得到S路合成信号，该S路合成信号与N阵列同步激励-S阵列同步接收时采集到的S路信号是等价的。
[0031]步骤30将S路合成信号进行时间反演放大，对实物结构进行NXS次独立单通道激励-单通道接收的时间反演探测；
[0032]对S路合成信号进行时间反演处理，考虑到S路合成信号相对N路初始激励信号的传播衰减，将各时间反演信号按同等倍数放大到激励水平，并各自回传到S阵列各单元中进行重新激励，从而实现对实物结构再次进行SXN次独立单通道激励一单通道接收的主动应力波时间反演探测。
[0033]步骤40将N阵列中各单元的S路接收信号线性叠加，得到N路合成时反信号；
[0034]根据合成时反思想，该N路合成时反信号与S阵列同步时反激励-N阵列同步接收时采集到的N路时反信号是等价的。合成时反处理实现了与传统同步时间反演一致的探测信号增强、损伤目标散射信号分辨率提高的效果。
[0035]步骤50采用合成时反继续对实物结构进行迭代探测，最终得到N路合成迭代信号;
[0036]采用上述合成时反思想继续对实物结构进行迭代探测，实现探测信号增强和最大损伤目标聚焦，最终得到N路合成迭代信号。所述迭代探测是指将N阵列上一次接收的合成时反信号时间反演放大处理后重新激励N阵列产生探测应力波，探测应力波经过结构传播后被S阵列感应接收，将S阵列的合成信号进行时间反演后放大到激励水平重新激励S阵列产生时反探测应力波，时反探测应力波经过结构传播后又被N阵列感应接收形成新的合成时反信号，以上就是一次迭代探测过程。
[0037]步骤60采用基于时域聚焦的时间反演成像方法，对合成迭代信号进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元激励回传，实现损伤聚焦成像。
[0038]所述成像模型是与无损实物结构参数一致的数值模拟模型，采用时域有限差分方法构建，该模型可利用已知空间介质网格尺寸、介质密度、刚度张量、传播速度以及发射阵列、接收阵列坐标等信息计算出空间中所有坐标点在时域上的应力信息和速度信息。采用基于时域聚焦的时间反演镜成像方法，对合成迭代信号再次进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元中激励回传，记录各合成迭代时反信号在模型中每一时刻的空间应力分布并进行归一化，把模型空间中同坐标点的同一时刻归一化信号进行相乘，并把所有时刻的结果相加得到损伤聚焦成像图形。所述损伤聚焦成像图形中坐标点的像素值表示所有合成迭代时反信号在该坐标点的归一化合成应力，对于多损伤结构，最大损伤目标处的合成应力最大，则损伤聚焦成像图形中像素值最大的区域即为最大损伤目标。
[0039]参见图2，为基于合成时反的结构损伤迭代检测模型。出于简化的目的，我们忽略阵列单元的时域非线性响应特性。设空间中有N个阵列单元Ρη(1 < η < N)，有S个阵列单元匕(1 < s < S)，有D个损伤目标Pd (ID)，把各个损伤目标的散射过程简化为线性响应Xd。N阵列单元与损伤目标之间的频域传递函数为H(Pn，Pd, ω)，损伤目标与S阵列单元之间的频域传递函数为H(Pd，Ps，ω)。
[0040]假设N个阵列单元的初始激励信号均为E ( ω )。N阵列同步激励初始信号后，损伤目标Pd接收到的来自N阵列的播信号为
【权利要求】
1.基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述方法包括: 对需采用N - S阵列同步探测的实物结构进行NXS次独立的单通道激励-单通道接收的主动应力波探测； 将S阵列中各单元的N路接收信号线性叠加得到S路合成信号； 将S路合成信号进行时间反演放大，对实物结构进行NXS次独立单通道激励-单通道接收的时间反演探测； 将N阵列中各单元的S路接收信号线性叠加，得到N路合成时反信号； 采用合成时反继续对实物结构进行迭代探测，最终得到N路合成迭代信号； 采用基于时域聚焦的时间反演成像方法，对合成迭代信号进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元激励回传，实现损伤聚焦成像。
2.根据权利要求1所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，采用主动应力波探测技术初始激励N - S阵列中N阵列各单元时，N路初始激励信号均选用相同的宽带高斯脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述N — S阵列的阵列单元均采用基于正逆压电效应的PZT换能器，PZT换能器受电信号激励时在被测结构上产生相应应力波，PZT换能器感应到结构中传播的应力波时，将应力波转化为电信号。
4.根据权利要求1所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述迭代探测是指将N阵列上一次接收到的合成时反信号时间反演放大处理后重新激励N阵列产生探测应力波，探测应力波经过结构传播后被S阵列感应接收，将S阵列的合成信号进行时间反演后放大到激励水平重新激励S阵列产生时反探测应力波，时反探测应力波经过结构传播后又被N阵列感应接收形成新的合成时反信号，完成一次迭代探测过程。
5.根据权利要求1所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述基于时域聚焦的时间反演成像方法包括: 对实物探测所得合成迭代信号再次进行时间反演放大处理，并各自在成像模型N阵列单元激励回传； 记录各合成迭代时反信号在模型中每一时刻的空间应力分布并进行归一化； 将同一时刻相同坐标点的各归一化信号进行相乘，并将所有时刻的结果相加得到损伤聚焦成像图形。
6.根据权利要求1或5所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述成像模型是与无损实物结构参数一致的数值模拟模型，采用时域有限差分方法构建，利用已知空间介质网格尺寸、介质密度、刚度张量、传播速度及发射阵列接收阵列坐标信息，计算出空间中所有坐标点在时域上的应力信息和速度信息。
7.根据权利要求5所述的基于合成时反的结构损伤迭代聚焦成像监测方法，其特征在于，所述损伤聚焦成像图形中坐标点的像素值表示所有合成迭代时反信号在该坐标点的归一化合成应力。
【文档编号】G01N29/04GK104034801SQ201410201131
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】洪晓斌, 吴斯栋, 周建熹, 刘桂雄 申请人:华南理工大学