一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構方法及系統與流程
2023-09-22 04:31:40
本發明涉及損傷定位與重構技術領域，特別是涉及一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構方法及系統。
背景技術：
隨著工程結構對安全和可靠性的要求日益增高，對材料結構進行定期、有效的無損檢測與評估成為結構製造和維護過程中必不可少的環節。在傳統的超聲檢測技術中，如：水浸式超聲檢測系統，通常利用壓電材料製成的超聲換能器激勵超聲波，並通過聲耦合介質如水、油等將波傳入結構當中，該方法能夠用於結構製造、焊接等過程中的損傷檢測，但是，鑑於掃描過程中對聲耦合介質的需求以及探頭與結構間距離的要求，該方法不能用於實際正在使用的結構。
為了解決上述技術問題，發明了具有非接觸、對被測構件的尺寸和形狀沒有特殊要求，能夠實現對複雜表面的結構進行檢測等特點的雷射超聲檢測技術，其技術通常利用雷射脈衝對構件表面進行激勵，在構件中激發出超聲導波，同時通過傳感器對超聲導波進行接收，提取結構中的特徵參數，定性判斷構件中是否存在缺陷，從而實現對構件進行無損檢測。
但是，現有的雷射超聲檢測方法雖然能夠檢測出損傷位置，卻無法檢測出損傷在厚度方向上的變化參數，從而無法對損傷程度進行評估，如在金屬腐蝕的檢測時，只能定位腐蝕位置，而無法判斷腐蝕程度。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構方法及系統，它可以克服現有技術上述的不足，不僅實現損傷定位，同時還檢測出發生損傷的部分的厚度信息。
為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
本發明提供一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構方法，該方法包括：
獲取待測對象的Lamb波波場圖；
根據所述Lamb波波場圖，獲取待測對象的Lamb波波數分布圖；
根據所述波數分布圖，獲取異常波數分布圖和正常波數分布圖；
根據所述異常波數分布圖，確定待測對象損傷位置；
根據所述正常波數分布圖，確定正常波數頻厚積的關係；
根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，重構待測對象的損傷位置部分；
根據所述重構的待測對象的損傷位置部分，確定所述待測對象損傷位置的厚度信息。
可選的，所述獲取待測對象的Lamb波波場圖，具體包括：
根據待測對象的尺寸，確定掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率；
根據所述確定的掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率，掃描待測對象；
採集所述待測對象的各掃描點處的波信號；
根據所述採集的波信號，獲取Lamb波波場圖。
可選的，所述獲取待測對象的Lamb波波數分布圖，具體包括：
選取任一頻率，對所述獲取的Lamb波波場圖進行三維短空間傅立葉變換，獲取Lamb波波數分布圖。
可選的，所述確定正常波數頻厚積的關係，具體包括：
提取所述正常波數分布圖下不同頻率波數信息；
根據所述獲取的不同頻率下的波數信息，利用最小二乘法擬合出Lamb波頻散曲線；
根據所述Lamb波頻散曲線，確定正常波數頻厚積的關係。
可選的，所述重構待測對象的損傷位置部分，具體包括：
根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，利用最優化算法，重構待測對象的損傷位置部分。
本發明還提供一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構系統，該方系統包括：
波場圖獲取模塊，用於獲取待測對象的Lamb波波場圖；
分布圖獲取模塊，用於根據所述Lamb波波場圖，獲取待測對象的Lamb波波數分布圖；
異常波數分布圖和正常波數分布圖獲取模塊，用於根據所述波數分布圖，獲取異常波數分布圖和正常波數分布圖；
位置確定模塊，用於根據所述異常波數分布圖，確定待測對象損傷位置；
關係確定模塊，用於根據所述正常波數分布圖，確定正常波數頻厚積的關係；
重構模塊，用於根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，重構待測對象的損傷位置部分；
厚度確定模塊，用於根據所述重構的待測對象的損傷位置部分，確定所述待測對象損傷位置的厚度信息。
可選的，所述波場圖獲取模塊，具體包括：
確定子模塊，用於根據待測對象的尺寸，確定掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率；
掃描子模塊，用於根據所述確定的掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率，掃描待測對象；
採集子模塊，用於採集所述待測對象的各掃描點處的波信號；
波場圖獲取子模塊，用於根據所述採集的波信號，獲取Lamb波波場圖。
可選的，所述分布圖獲取模塊，具體包括：
分布圖獲取子模塊，用於選取任一頻率，對所述獲取的Lamb波波場圖進行三維短空間傅立葉變換，獲取Lamb波波數分布圖。
可選的，所述關係確定模塊，具體包括：
提取子模塊，用於提取所述正常波數分布圖下不同頻率波數信息；
擬合子模塊，用於根據所述獲取的不同頻率下的波數信息，利用最小二乘法擬合出Lamb波頻散曲線；
關係確定子模塊，根據所述Lamb波頻散曲線，確定正常波數頻厚積的關係。
可選的，其特徵於，所述重構模塊，具體包括：
重構子模塊，重構子模塊，用於根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，利用最優化算法，重構待測對象的損傷位置部分。
根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：
本發明提供一種基於頻率波數估計的損傷定位與重構方法及系統，首先獲取待測對象的Lamb波波場圖，並依據所述Lamb波波場圖，獲取待測對象的Lamb波波數分布圖，對所述波數分布圖進行分析，獲取異常波數分布圖和正常波數分布圖，進而確定待測對象損傷位置；同時根據所述正常波數分布圖，確定正常波數頻厚積的關係，從而解決了理論求解波數需要已知材料參數的缺點，提高了波數計算的效率，又根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，重構損傷位置部分的待測對象，進而確定所述待測對象損傷位置的厚度信息。與現有技術相比，該方法及系統不僅實現了實際正在使用的結構損傷的位置，同時還檢測出發生損傷的部分的厚度信息，且該方法及系統實驗穩定性好，無需預知材料屬性，為航空航天複雜結構的損傷檢測與評估提供了新方法及系統。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷定位與重構方法流程圖；
圖2為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷定位與重構系統結構圖；
圖3為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷厚度檢測流程圖；
圖4為本發明實施例中的雷射超聲成像系統示意圖；
圖5為本發明實施例中的損傷厚度檢測遺傳算法運算流程圖；
圖6為本發明實施例中的損傷厚度檢測結果圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
實施例一
參見圖1所示，圖1為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷定位與重構方法流程圖，包括：
步驟101：獲取待測對象的Lamb波波場圖，所述採集的波場信號是寬頻信號。
所述獲取待測對象的Lamb波波場圖，具體包括：
根據待測對象的尺寸，確定掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率；
根據所述確定的掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率，掃描待測對象；
採集所述待測對象的各掃描點處的波信號；
根據所述採集的波信號，獲取Lamb波波場圖。
步驟102：根據所述Lamb波波場圖，獲取待測對象的Lamb波波數分布圖。
所述獲取待測對象的Lamb波波數分布圖，具體包括：
選取任一頻率，對所述獲取的Lamb波波場圖進行三維短空間傅立葉變換，獲取Lamb波波數分布圖。
步驟103：根據所述波數分布圖，獲取異常波數分布圖和正常波數分布圖，具體包括：依據損傷部位會導致厚度減小，進而使得損傷部位的波數變大，從而確定異常波數分布圖和正常波數分布圖。
步驟104：根據所述異常波數分布圖，確定待測對象損傷位置。
步驟105：根據所述正常波數分布圖，確定正常波數頻厚積的關係；所述頻厚積為波數與頻率厚度乘積。
所述確定正常波數頻厚積的關係，具體包括：
提取所述正常波數分布圖下不同頻率波數信息；
根據所述獲取的不同頻率下的波數信息，利用最小二乘法擬合出Lamb波頻散曲線；
根據所述Lamb波頻散曲線，確定正常波數頻厚積的關係。
步驟106：根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，重構待測對象的損傷位置部分。
所述重構待測對象的損傷位置部分，具體包括：
根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，利用最優化算法，重構待測對象的損傷位置部分。
步驟107：根據所述重構的待測對象的損傷位置部分，確定所述待測對象損傷位置的厚度信息。
本發明提供的上述實施例方法，不僅實現了實際正在使用的結構損傷的位置，同時還檢測出發生損傷的部分的厚度信息。
實施例二
參見圖2所示，圖2為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷定位與重構系統結構圖，包括：波場圖獲取模塊201、分布圖獲取模塊202、異常波數分布圖和正常波數分布圖獲取模塊203、位置確定模塊204、關係確定模塊205、重構模塊206、厚度確定模塊207。
所述波場圖獲取模塊201，用於獲取待測對象的Lamb波波場圖，具體包括：
確定子模塊，用於根據待測對象的尺寸，確定掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率；
掃描子模塊，用於根據所述確定的掃描範圍、掃描點間隔以及採集頻率，掃描待測對象；
採集子模塊，用於採集所述待測對象的各掃描點處的波信號；
波場圖獲取子模塊，用於根據所述採集的波信號，獲取Lamb波波場圖。
所述分布圖獲取模塊202，用於根據所述Lamb波波場圖，獲取待測對象的Lamb波波數分布圖，具體包括：分布圖獲取子模塊，用於選取任一頻率，對所述獲取的Lamb波波場圖進行三維短空間傅立葉變換，獲取Lamb波波數分布圖。
異常波數分布圖和正常波數分布圖獲取模塊203，用於根據所述波數分布圖，獲取異常波數分布圖和正常波數分布圖。
所述位置確定模塊204，用於根據所述異常波數分布圖，確定待測對象損傷位置。
所述關係確定模塊205，用於根據所述正常波數分布圖，確定正常波數頻厚積的關係，具體包括：
提取子模塊，用於提取所述正常波數分布圖下不同頻率波數信息；
擬合子模塊，用於根據所述獲取的不同頻率下的波數信息，利用最小二乘法擬合出Lamb波頻散曲線；
關係確定子模塊，根據所述Lamb波頻散曲線，確定正常波數頻厚積的關係。
所述重構模塊206，用於根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，重構待測對象的損傷位置部分，具體包括：重構子模塊，用於根據所述異常波數分布圖和所述正常波數頻厚積的關係，利用最優化算法，重構待測對象的損傷位置部分。
所述厚度確定模塊207，用於根據所述重構的待測對象的損傷位置部分，確定所述待測對象損傷位置的厚度信息。
本發明提供的上述實施例系統，不僅實現了實際正在使用的結構損傷的位置，同時還檢測出發生損傷的部分的厚度信息。
實施例三
參見圖3所示，圖3為本發明實施例中的基於頻率波數估計損傷厚度檢測流程圖，包括：
步驟301：波場測量，具體包括：
根據試驗件的大小和檢測的精度要求，計算出激勵所需的空間解析度以及各激勵點在試驗件上的位置坐標；
激勵單元調整好雷射的激勵光路後，激勵單元發射雷射脈衝；
雷射脈衝發出的同時，激勵單元產生一個觸發信號，觸發數據採集單元進行數據採集工作，以確保激勵與採集的時間同步；
傳感器接收到的響應信號經過數據採集單元濾波，放大等處理後被採集卡採集，並保存在控制單元中；
控制單元對信號進行數據進行可視化處理，獲得Lamb波傳播波場圖。
其中，波場測量檢測系統示意圖包括的硬體由激勵單元、數據採集單元和控制單元三部分構成，所述控制單元包括控制系統401以及掃描儀控制器402，所述數據採集單元包括採集設備403、所述激勵單元包括雷射控制器404以及雷射器405。所述激勵單元為該系統的核心部分，由Q開關Nd：YAG雷射器和振鏡式雷射反射掃描儀組成。所述數據採集單元由傳感器、信號調理設備、數據採集卡組成。控制單元為基於PXI平臺的設備。
步驟302：波數測量與損傷位置成像，具體包括：
根據步驟301測量的波場，可以獲得了Lamb波的波場W(x,y,t)，並在測得的波場上加上二維矩形窗，可以將波場轉化為一系列的短空間波場。其中以原點為中心，直徑為D的矩形窗函數可以表示式(1)為：
則以(x0,y0)為中心的短空間波場可表示式(2)為：
ws(x,y,t)＝w(x,y,t)Ω(x-x0,y-y0,t) (2)
利用三維傅立葉變換，將短空間波場變換到頻率波數域，表示式(3)為：
W(kx,ky,ω)＝∫∫∫ws(x,y,t)e-j(kxx+kyy-ωt)dxdydt (3)
選取合適的頻率ω0，可以獲得該頻率下的波數分布W(kx,ky,ω0)，找到W(kx,ky,ω0)值最大時所對應的波數kx、ky，則位置(x0,y0)處A0模態的波數為重複上述步驟，可以獲得任一位置(x,y)處的波數，從而得到波數在檢測區域的分布k(x,y)，並繪製出波數分布的強度圖。由於損傷處的波數會發生變化，因此強度圖中波數異常區域即為損傷區域。
步驟303：頻散曲線擬合，具體包括：
Lamb波的波數與板的頻厚積的關係可由函數k＝g(ω·d)來表示。在第二步的波數測量中，我們可以得到健康區域處不同頻率ω所對應的波數k，選取20組ω和k的值，利用最小二乘法對其進行多項式擬合，可以獲得由頻厚積計算波數的公式。
步驟304：損傷厚度重構，具體包括：
損傷深度的重構可以採用多種智能算法，如人工神經網絡、遺傳算法等，這裡使用遺傳算法進行重構。首先對需要重構的參數d用二進位整數進行編碼，作為遺傳算法運算過程中的個體，將步驟302獲得Lamb波波數分布圖與步驟303中依據頻散曲線計算的波數間的誤差最小化，得到相應的優化結果，即為重構試驗件損傷厚度。
參見4所示，圖4為損傷厚度檢測的遺傳算法運算過程，具體包括：
步驟401：初始化，設置進化代數計數器t＝0，設置最大進化代數T。隨機生成M個個體作為初始群體P(0)。每個個體即代表一個可能的損傷厚度d。
步驟402：個體評價，計算群體P(t)中各個個體的適應度。在本實施例中，採用理論值與測量值之間的誤差的平方和，即式(4)：
作為目標函數來進行最小化。
步驟403：選擇運算，將選擇算子作用於群體。在本實施例中，採用與適應度成正比的概率來確定各個個體複製到下一代群體中的數量。
步驟404：交叉運算，將交叉算子作用於群體。在本實施例中，先對群體進行隨機配對，其次隨機設置交叉點位置，再相互交換配對染色體之間的部分基因。
步驟405：變異運算，將變異算子作用於群體。在本實施例中，首先隨機確定各個個體的基因變異位置，然後依照某一概率將變異點的原有基因值取反。
步驟406：終止條件判斷，t是否大於T，若大於T，則以進化過程中所得到的具有最大適應度的個體作為最優解輸出，終止計算，執行步驟408；若小於等於T，則執行步驟407。
步驟407：命令t＝t+1。
步驟408：厚度輸出：根據上述步驟，得到群體中每個具有最大適應度的個體，即得到試驗件的損傷厚度。
本發明採用上述公開的實施例，對厚度為2mm的鋁板進行掃描，以1mm為間隔，掃描一條200mm的直線，掃描點共計201點，在100-150mm處有一深為1.4mm的凹坑。結果如圖6所示，實線為板實際厚度，虛線為採用上述處理方法獲得的鋁板厚度，可以看出檢測結果與實際厚度相符。該實施例採用的方法不僅實現了實際正在使用的結構損傷的位置，同時還檢測出發生損傷的部分的厚度信息，且該方法實驗穩定性好，無需預知材料屬性。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對於實施例公開的系統而言，由於其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。
本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。