一种基于移动窗Lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法与流程

本发明属于超声检测，尤其涉及一种用于复合材料板的基于移动窗lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法。

背景技术：

1、复合材料因其具有高刚度比、强度比、耐腐蚀性能好与耐老化等特点，被广泛应用于新型飞机的机翼、机身与机舱以及汽车、传播等领域。复合材料内部的残余应力或结构承力可能导致其产生分层、裂纹，或使其加剧，大大降低了复合材料构件的安全性能。因此，对复合材料应力状态精准测量对保证其应用领域的安全性具有重大意义。

2、应力无损检测方法主要包括x射线衍射法、中子衍射法、拉曼光谱法以及超声法。从应用范围、检测精度以及可操作性性方面综合考虑，超声法更适合用于实现复合材料板的原位应力测量。超声应力测量方法是利用弹性波的声弹性效应实现测量。lamb波在传播过程中能量衰减小且传播距离远，能够大范围、高效率地实现碳纤维复合材料板的应力检测。传统超声检测技术需要使用耦合剂来保证换能器与待测件的充分声耦合。然而，耦合剂的厚度不均匀会直接影响声时的测量，从而引入应力测量误差。此外，耦合剂的存在大大降低了检测灵活性与效率。因此，空耦超声lamb波非接触检测技术更适合用于实现大部件复合材料板的自动化快速原位应力测量。

3、空气耦合超声换能器是空耦超声lamb波检测技术的关键器件。然而，空气耦合超声换能器由于其压电材料与空气声阻抗严重不匹配导致能量损失严重，空耦超声lamb波信号极其微弱，易受环境噪声的严重干扰。采用空耦超声lamb波实现复合材料板的应力测量关键在于信号声时特征的提取。在信号低信噪比的背景下，现有声时计算方法如阈值法、峰峰法、包络法以及正相关法等无法满足准确获取声时特征，将直接影响应力测量的准确性。此外，应力分辨力直接取决于声时分辨力，传统声时分辨力的提高受到采样设备的最大采样率等硬件条件的限制。本发明利用混沌系统对初始条件和参数极度敏感而对噪声免疫力较强的特点，建立基于duffing振子的混沌系统，通过移动窗扫描的方式获得每个移动窗下的lyapunov指数，lyapunov指数峰值对应的时刻即为超声lamb波接收回波声时信息。窗函数移动的最小步进量即为声时分辨力，可以根据测量指标以及计算效率等多方面需求综合确定。从而在低信噪比的前提下，兼顾声时分辨力与声时特征提取的准确度，实现基于空耦超声lamb波的复合材料板高分辨率与高准确度应力表征。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提出了一种基于移动窗lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于移动窗lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤一、由于a0模态具有更大的面外位移，选取a0模态作为lamb波的检测模态，根据lamb波频散曲线与snell定律确定空耦超声换能器的中心频率为f、倾角为α，实现空耦超声lamb波同侧原位应力测量；

4、步骤二、根据空耦超声换能器的中心频率确定混沌系统的策动力频率ω，随后通过参数调节使混沌系统处于从混沌态向周期态或从周期态向混沌态转变的临界状态；

5、步骤三、混沌系统确定后，根据激励信号的宽度确定移动窗的大小δt、根据应力测量分辨力指标以及计算效率需求确定移动窗的最小步进量δtc；

6、步骤四、对待分析的超声lamb波信号从初始位置开始通过移动窗的方式获得每个移动窗时刻对应的lyapunov指数，所有lyapunov指数的峰值对应时刻即为超声lamb波接收回波声时信息，在低信噪比的前提下，兼顾声时分辨力与声时特征提取的准确度，实现基于空耦超声lamb波的复合材料板高分辨率与高准确度应力表征。

7、进一步地，所述调节的参数包括系统阻尼系数δ和外策动力幅值f。

8、进一步地，所述混沌系统为基于duffing振子的混沌系统，假定一个待检测的信号为满足正弦信号的弱信号s(t)＝asinω0t，将其作为额外输入加到系统右边，此时系统为：

9、

10、式中，θ表示系统的初相位，其值满足tanθ＝a/f；基于混沌系统对初始条件极度敏感的特性，只要通过调节参数使系统处于从混沌态向周期态转变或者从周期态向混沌态转变的临界状态，当向系统输入上述正弦信号后，就会使系统状态发生显著改变，达到识别弱信号的目的，即使待检测信号中混有噪声信号，由于噪声信号不具有系统外策动力角频率的特性，不属于系统的内在变化，因此不会引起系统的改变。

11、进一步地，混沌系统确定后，确定移动窗ωc(t)

12、

13、式中，tc为移动窗的中心位置时刻，移动窗的步进量δtc根据应力测量分辨力指标以及计算效率需求确定，δt为移动窗的大小，设置为激励信号的长度，使得移动窗可以包含大部分lamb波回波信号，并且一次只能包含一个lamb波回波信号的信息；对移动窗内的信号采用下面的处理方式获得lyapunov指数：

14、对于n维非线性系统，其在i方向的lyapunov指数为：

15、

16、式中，||·||为欧几里得范数；

17、对于连续系统，

18、

19、式中，代表n维空间中点的坐标向量；相邻轨道的分离量表示在其切空间中，有：

20、

21、式中，为jacobian矩阵；

22、通过schmidt正交化不断对新向量进行置换改变来解决jacobian迭代算法的问题，正交化过程如下：

23、

24、式中，<,>为内积，h为求解步长；上标j(j＝0,1,2,...,∞)表示正交化次数，它对应于非线性系统的演化次数；应用gsr方法，得到一组新的正交集{u1,u2,...,un}；

25、用一个常数d代替||δxi(0)||(i＝0,1,2,...,n)；为了满足要求，设lyapunov指数求解公式可近似写为：

26、

27、在获得所有移动窗对应的lyapunov指数后，峰值所对应的时刻即为超声lamb波信号对应的声时信息，从而实现空耦超声应力测量。

28、本发明具有的有益效果是：

29、针对空耦超声lamb波信号低信噪比难以准确提取声时信息的问题，本发明采用移动窗lyapunov指数峰值提取的方法代替现有声时提取技术来准确获取空耦超声lamb波的声时特征。本发明利用混沌系统对初始条件和参数极度敏感而对噪声免疫力较强的特点，降低信噪比门限，提高声时特征提取的准确度。采用移动窗的方式通过最小步进量确定声时分辨力，克服传统声时分辨力的提高受到采样设备的最大采样率等硬件条件的限制，实现兼顾声时分辨力与声时特征提取的准确度的空耦超声lamb波的复合材料板应力测量。

技术特征：

1.一种基于移动窗lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述调节的参数包括系统阻尼系数δ和外策动力幅值f。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述混沌系统为基于duffing振子的混沌系统，假定一个待检测的信号为满足正弦信号的弱信号s(t)＝asinω0t，将其作为额外输入加到系统右边，此时系统为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：混沌系统确定后，确定移动窗ωc(t)

技术总结
本发明提出一种基于移动窗Lyapunov指数峰值提取的低信噪比空耦超声应力测量方法，本发明利用混沌系统对初始条件和参数极度敏感而对噪声免疫力较强的特点，建立基于Duffing振子的混沌系统，通过移动窗扫描的方式获得每个移动窗下的Lyapunov指数，Lyapunov指数峰值对应的时刻即为超声Lamb波接收回波声时信息。窗函数移动的最小步进量即为声时分辨力，可以根据测量指标以及计算效率等多方面需求综合确定。从而在低信噪比的前提下，兼顾声时分辨力与声时特征提取的准确度，实现基于空耦超声Lamb波的复合材料板高分辨率与高准确度应力表征。

技术研发人员：单奕萌,刘亚星,周勇军
受保护的技术使用者：国营芜湖机械厂
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15