基于位移矢量相似度的导波模态分类方法及系统

本发明属于导波结构健康监测，尤其涉及基于位移矢量相似度的导波模态分类方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、超声导波具有覆盖范围广、传播距离长、损伤灵敏度高等优点，目前被广泛应用于结构健康监测领域；但由于超声导波的频散特性，在任一频率下至少存在两种以上的导波模态，且随着频率增大模态数量会不断增多，彼此之间相互交叉以至于无法区分各阶导波模态的频散规律，这给损伤监测过程中的导波信号处理和分析带来了不便。

3、针对上述问题，有必要采用模态分类技术来区分各阶导波模态的频散规律。目前通常采用基于正交性的模态分类方法，其假设同一模态在相邻频率之间的特征矢量满足近似正交性，但为了保证模态分类结果的准确性要求频散点间的频率间隔非常小，具有一定的应用局限性；而近年来申请号为202111564369.1的发明专利公开了一种基于图像配准的导波频散曲线模态追踪方法及系统，其采用ssim图像配准技术实现了导波频散曲线的准确分类，且频散点的频率间隔要求非常宽松；但该方法完全依赖于图像数据，且对于模态振型反转现象需要进行二次图像配准，具有通用性不足和分类效率低的缺点。

4、因此，现有方案存在局限性，无法提供通用的、高效的、准确的导波模态分类。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于位移矢量相似度的导波模态分类方法及系统，通过计算待分类频散点间位移矢量的平均相似度，对各阶导波模态进行准确分类，从而绘制出相应的相速度频散曲线和群速度频散曲线，为工程检测中导波信号的模态识别提供理论指导。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、本发明第一方面提供了基于位移矢量相似度的导波模态分类方法。

4、基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，包括：

5、依据预设的波数范围和频率范围，提取待分类导波频散点的位移矢量，并依据预设的波数间隔，将所有频散点分为不同波数序列；

6、依次对相邻波数序列间的频散点进行两两的矢量匹配，计算匹配的两个频散点位移矢量间的平均相似度；

7、根据位移矢量间平均相似度的最大值，对相邻波数序列中的频散点进行模态分类，依次匹配和分类，直至所有频散点分类完毕；

8、基于频散点分类结果，绘制出导波频散曲线，得到导波模态分类结果；

9、其中，所述平均相似度是将位移矢量局部分块为局部矢量，通过取绝对值后的均值比较函数、标准差比较函数和互协方差比较函数，定义不同方向局部矢量之间的相似度指标，从而评估两个频散点间的相似性。

10、进一步的，所述位移矢量，包括沿导波传播方向的纵向位移矢量、垂直于导波传播方向的面内位移矢量和面外位移矢量。

11、进一步的，所述计算匹配的两个频散点位移矢量间的平均相似度，具体步骤为：

12、将位移矢量划分为多个局部矢量，计算局部矢量的均值、标准差和彼此之间的互协方差；

13、综合均值比较函数、标准差比较函数和互协方差比较函数，计算不同方向局部矢量间的相似度；

14、通过加和平均得到位移矢量间的平均相似度。

15、进一步的，所述计算局部矢量的均值、标准差和彼此之间的互协方差，是基于局部矢量的位移值，分别计算不同方向局部矢量的均值、标准差和互协方差。

16、进一步的，所述加和平均，包括局部矢量之间的加和平均和不同方向位移矢量之间的加和平均。

17、进一步的，所述根据位移矢量间平均相似度的最大值，对相邻波数序列中的频散点进行模态分类，具体为：

18、对于待分类的频散点，与相邻波数序列中的每个频散点进行矢量匹配时，得到多个平均相似度，从中选择一个平均相似度最大值，其对应的频散点与待分类的离散点属于同一模态。

19、进一步的，所述导波频散曲线，包括模态的相速度频散曲线和群速度频散曲线。

20、本发明第二方面提供了基于位移矢量相似度的导波模态分类系统。

21、基于位移矢量相似度的导波模态分类系统，包括序列构建模块、相似计算模块、频散分类模块和导波分类模块：

22、序列构建模块，被配置为：依据预设的波数范围和频率范围，提取待分类导波频散点的位移矢量，并依据预设的波数间隔，将所有频散点分为不同波数序列；

23、相似计算模块，被配置为：依次对相邻波数序列间的频散点进行两两的矢量匹配，计算匹配的两个频散点位移矢量间的平均相似度；

24、频散分类模块，被配置为：根据位移矢量间平均相似度的最大值，对相邻波数序列中的频散点进行模态分类，依次匹配和分类，直至所有频散点分类完毕；

25、导波分类模块，被配置为：基于频散点分类结果，绘制出导波频散曲线，得到导波模态分类结果；

26、其中，所述平均相似度是将位移矢量局部分块为局部矢量，通过取绝对值后的均值比较函数、标准差比较函数和互协方差比较函数，定义不同方向局部矢量之间的相似度指标，从而评估两个频散点间的相似性。

27、本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法中的步骤。

28、本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法中的步骤。

29、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

30、相较于传统模态正交方法对整个位移矢量进行运算，本发明将待分类频散点的位移矢量进行了局部分块，计算了局部矢量间的相似度，对模态振型的微小变化更敏感，提高了模态分类的准确度；

31、相较于传统图像配准方法需要二次配准，本发明引入了取绝对值后的均值比较函数、标准差比较函数和互协方差比较函数，能够避免模态振型反转所带来的二次匹配问题，提高了模态分类的效率；

32、本发明是基于位移矢量运算进行模态分类的，不需要模态振型的图像数据，同样适用于传统的解析以及半解析有限元模型，提高了模态分类的通用性。

33、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述位移矢量，包括沿导波传播方向的纵向位移矢量、垂直于导波传播方向的面内位移矢量和面外位移矢量。

3.如权利要求1所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述计算匹配的两个频散点位移矢量间的平均相似度，具体步骤为：

4.如权利要求3所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述计算局部矢量的均值、标准差和彼此之间的互协方差，是基于局部矢量的位移值，分别计算不同方向局部矢量的均值、标准差和互协方差。

5.如权利要求3所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述加和平均，包括局部矢量之间的加和平均和不同方向位移矢量之间的加和平均。

6.如权利要求1所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述根据位移矢量间平均相似度的最大值，对相邻波数序列中的频散点进行模态分类，具体为：

7.如权利要求1所述的基于位移矢量相似度的导波模态分类方法，其特征在于，所述导波频散曲线，包括模态的相速度频散曲线和群速度频散曲线。

8.基于位移矢量相似度的导波模态分类系统，其特征在于，包括序列构建模块、相似计算模块、频散分类模块和导波分类模块：

9.一种电子设备，其特征是，包括：

10.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-7任一项所述的方法。

技术总结
本发明提出了基于位移矢量相似度的导波模态分类方法及系统，涉及导波结构健康监测技术领域，提取待分类导波频散点的位移矢量，并将所有频散点分为不同波数序列；依次对相邻波数序列间的频散点进行两两的矢量匹配，计算匹配的两个频散点位移矢量间的平均相似度；根据位移矢量间平均相似度的最大值，对相邻波数序列中的频散点进行模态分类，依次匹配和分类，直至所有频散点分类完毕；基于频散点分类结果，绘制出导波频散曲线，得到导波模态分类结果；本发明通过计算待分类频散点间位移矢量的平均相似度，对各阶导波模态进行准确分类，从而绘制出相应的相速度频散曲线和群速度频散曲线，为工程检测中导波信号的模态识别提供理论指导。

技术研发人员：张旭,刘刚,江海磊,陈雷,张泽徽
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5