一种高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法

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一种高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法，属于工程结构健康监测技术领域。\n背景技术\n[0002] 工程结构健康监测技术是一种在线、动态、实时的监测技术，其近几年得到高速发展并在工程结构的安全和可靠性评估中发挥着日益重要的作用。Lamb波作为一种板类结构中传播的超声导波，因其能够进行长距离传播并且对结构表面和内部损伤均敏感，在结构健康监测领域得到日益广泛的关注。目前，基于Lamb波的结构健康监测技术，特别是主动Lamb波监测技术已成为一个研究热点。该技术可分为4个过程：①以特定的信号激励压电元件，向结构中激发Lamb波信号；②Lamb波信号在材料中的传播；③采用压电传感器或其它传感器在结构的不同位置接收Lamb波信号；④对接收到的Lamb波传感信号进行分析处理，提取损伤特征参数。\n[0003] Lamb波传播速度较快并存在频散特性，实际结构中复杂边界引起的多路径传播以及现场噪声使得Lamb传感信号中原本较弱的损伤散射信号很可能被淹没，严重影响后续的损伤特征参数提取，降低了监测结果的可靠性。所以，提高损伤散射信号的信噪比是主动Lamb波监测技术在工程应用中急需解决的难题。\n[0004] 时间反转(频域里称为相共轭)方法由光学领域的相位共轭方法发展而来，是指传感器接收到声源发射的信号后，把传感信号时间反转再加载到相应的传感器上进行时反二次发射，即先到后发，后到先发。该方法能够自动使信号在时间和空间上得到补偿，从而在波源处实现自适应聚焦。损伤，特别是点损伤，可视为二次波源，利用时间反转方法可实现多路径损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强，提高其信噪比。\n[0005] 目前现有的工程结构健康监测中的Lamb波时间反转方法，主要存在以下两个不足之处：(1)由于物理时间反转涉及到两次信号发射和接收，操作过程较为烦琐，对监测设备的要求较高，在实际工程中直接进行物理时间反转具有一定的难度；(2)一些研究者提出了一种用信号运算来代替物理时间反转操作的时间反转聚焦方法，如中国专利\n200710133882.9所公开的方法，其聚焦增强的损伤散射信号如图5b所示，由于该方法直接对Lamb波损伤散射信号进行运算，故会增加聚焦波峰宽度，降低其空间分辨率，限制了该方法在多损伤情况下的应用。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的克服现有技术的不足之处，提供一种高空间分辨率虚拟时间反转方法，能够无需进行复杂的物理时间反转操作就能实现信号聚焦，又能保持聚焦波峰宽度，提高其空间分辨率。\n[0007] 本发明的高空间分辨率虚拟时间反转方法，包括以下步骤：\n[0008] (1)在待测结构上布置N个压电片组成的压电阵列；\n[0009] (2)获取损伤散射路径传递函数：通过任意波形发生卡发出一阶跃信号，经功率放大后加载到作为激励的压电片Pi上，在待测结构中产生Lamb波宽带监测信号；另一压电片Pj作为传感器分别采集结构在损伤状态和健康状态下的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径Pi-Pj中的阶跃激励下的损伤散射信号，对损伤散射信号进行求导运算和归一化处理后得到监测路径Pi-Pj中的损伤散射路径传递函数hij，分别选取不同激励和传感器并进行上述操作，得到压电阵列中所有监测路径的损伤散射路径传递函数hij；\n[0010] (3)获取多路径损伤散射信号：把激励信号加载到作为激励的压电片Pi上，另一压电片Pj则作为传感器分别采集待测结构在损伤状态和健康状态下的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径Pi-Pj中的多路径损伤散射信号wij，分别选取不同激励和传感器并进行相同的操作，得到压电阵列中所有监测路径的多路径损伤散射信号wij；\n[0011] (4)虚拟时间反转处理：把步骤(3)中的多路径损伤散射信号wij进行时间反转得到w′ij，选定另一个压电片Pk，对经过时间反转的多路径损伤散射信号w′ij和步骤(2)求取的损伤散射路径传递函数hik进行卷积以及求和运算： 实现物理时间反转过程，得到对应于监测路径Pi-Pk的聚焦增强的损伤散射信号S2ik，分别选择不同的压电片Pi和Pk进行相同的操作对所有监测路径的损伤散射信号进行聚焦增强处理，其中，N≥3，\n1≤i≤N，1≤j≤N，j≠i，1≤k≤N，k≠i，且k≠j。\n[0012] 优选地，本发明的高空间分辨率的Lamb波虚拟时间反转方法中，所说的压电阵列由8个压电片组成。\n[0013] 本发明中，先让其中一个压电片Pi作为激励向结构中激发Lamb波监测信号进行首次激励，其它压电片Pj作为传感器接收结构响应信号。然后把响应信号时间反转后再加载到各自对应的传感器Pj上进行时反二次激励，此时采用与传统固定接收机制不同的换元接收机制，即选择其它压电片Pk代替原先的激励Pi作为传感器接收结构在时反二次激励下的响应信号，从而完成两次激励和接收。\n[0014] 本发明的工作原理是根据信号与系统理论，把压电阵列中的每一条监测路径看成一个由激励、传感器以及被测结构组成的系统。该系统的输入和输出端则分别对应于作为激励和传感器的两个压电片的输入和输出部分，输入信号即为Lamb波激励信号，该激励信号和上述系统传递函数之间的卷积运算则对应于每条监测路径中的Lamb波激励和传感过程。所以，只要求出每条监测路径中的损伤散射路径传递函数和多路径损伤散射信号，然后对传递函数和经过时间反转后的损伤散射信号进行卷积运算便可实现物理时间反转过程中的两次激励和传感过程。根据时间反转理论，虽然在首次激励中由损伤同时产生的散射信号经过多路径传至传感器，但该多路径损伤散射信号具有时间相关性，在时反二次发射后它们分别沿着原先的传播路径反向传播会使其时间自动补偿，从而同时到达损伤处并发生同相叠加，实现聚焦增强。而其它部分则分别由于边界的线性反射性质以及噪声的随机性经非同相叠加发生衰减，所以本方法无需进行复杂的物理时间反转操作便能够提高损伤散射信号的信噪比，如图5a和5c所示。与现有的时间反转聚集方法相比，本发明首先得到损伤散射路径传递函数，避免了直接对两个不同监测路径的损伤散射信号进行卷积造成的波峰变宽问题。对比图5b和5c容易看出，经本发明方法处理得到的损伤聚焦波峰的宽度明显小于采用现有的时间反转聚焦方法得到的波峰宽度，从而使得两个相邻的损伤聚焦波峰能明显区分开，提高了对于相邻损伤的监测能力。而且，在时反二次激励中，采用与传统固定接收机制不同的换元接收机制，即选用其它压电片代替原来的激励接收结构在时反二次激励下的响应信号，改变了两次激励中激励和传感器之间的距离，故能保留损伤聚焦波峰的时间信息以便于后续的损伤特征参数提取。\n[0015] 本发明的高空间分辨率虚拟时间反转方法相对于现有技术具有如下技术效果：\n[0016] (1)无需进行复杂的物理时间反转操作，对监测设备的要求较低，简单易行；\n[0017] (2)能实现多路径损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强并抑制边界反射和噪声，有效提高了损伤散射信号的信噪比；\n[0018] (3)能保持Lamb波波峰的时域宽度，提高损伤聚焦波峰的空间分辨率。\n附图说明\n[0019] 图1是压电片和损伤的分布情况；\n[0020] 图2是阶跃激励信号；\n[0021] 图3是监测路径P4-P8中阶跃激励下的损伤散射信号；\n[0022] 图4是监测路径P4-P8中的损伤散射路径传递函数；\n[0023] 图5a是监测路径P1-P2中的多路径损伤散射信号；\n[0024] 图5b是采用背景技术中的时间反转聚焦方法处理后的监测路径P1-P2中的损伤散射信号；\n[0025] 图5c是采用本发明的方法处理后的监测路径P1-P2中的损伤散射信号。\n具体实施方式\n[0026] 下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步的详细说明。\n[0027] 本实例采用工程结构中常见的LY-21CZ铝板作为待测结构，尺寸为\n1000mm×1000mm×2mm，在铝板中布置有8个压电片P1～P8组成的压电阵列，通过放置两对相互吸引的圆形磁铁(直径10mm，厚为3mm)来模拟结构中的两个微小损伤D1和D2。以铝板中心为坐标原点建立直角坐标系，则压电片和损伤在坐标系中的分布情况及其位置分别见图1和表1。监测设备由波形发生与数据采集系统、功率放大器和矩阵开关控制器组成。\n其中，波形发生与数据采集系统中的LAI200-ISA任意波形发生卡、信号放大卡和PCI-9812数据采集卡分别实现Lamb波激励波形的产生、传感信号的放大以及信号的采集功能，功率放大器增强激励信号以扩大Lamb波在结构中的监测范围，矩阵开关控制器则根据事先确定的扫查策略选择相应的监测路径。\n[0028] 表1压电片和损伤的坐标(单位：mm)\n[0029] \n[0030] 本实施例的虚拟时间反转方法包括下列步骤：\n[0031] (1)在待测结构上布置8个压电片组成压电阵列，如图1所示；\n[0032] (2)获取损伤散射路径传递函数：通过任意波形发生卡发出图2所示的上升沿为\n0.25us的阶跃信号，经功率放大和通道选择后加载到作为激励的压电片P4上，另一压电片P8作为传感器分别采集铝板在参考状态(没有放置模拟损伤)和损伤状态下(放置模拟损伤)的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径P4-P8中的阶跃激励下的损伤散射信号，如图3所示，对该损伤散射信号进行求导运算和归一化处理后得到监测路径P4-P8中的损伤散射路径传递函数h48分别选取不同激励和传感器并进行上述操作，从而得到压电阵列中所有28条监测路径的损伤散射路径传递函数hij，如图4所示；\n[0033] (3)获取多路径损伤散射信号：把激励信号加载到作为激励的压电片Pi上，另一压电片Pj则作为传感器分别采集结构在损伤状态和健康状态下的响应信号，对这两种响应信号进行差运算以获得监测路径Pi-Pj中的多路径损伤散射信号wij，如图5所示，分别选取不同激励和传感器并进行相同的操作，从而得到压电阵列中所有监测路径的多路径损伤散射信号wij；\n[0034] (4)虚拟时间反转处理：把步骤(3)中的多路径损伤散射信号wij进行时间反转得到w′ij，选定另一个压电片Pk，对经过时间反转的多路径损伤散射信号w′ij和步骤(2)求取的传递函数hik进行卷积以及求和运算： 实现物理时间反转过程，其中为了消除Lamb波遇到同一损伤点时因散射位置的细微差异引起的相位误差，在进行求和运算前先求取相应信号的包络，然后对该包络进行叠加得到对应于监测路径Pi-Pk的聚焦增强了的损伤散射信号S2ik。分别选择不同的压电Pi和Pk进行相同的操作则可以实现对所有监测路径的损伤散射信号的聚焦增强处理。\n[0035] 由于压电阵列的监测路径较多，为简便起见，以其中具有代表性的监测路径P1-P2为例，由于Lamb波损伤散射信号的多路径传播以及随机噪声的存在使得两个损伤D1和D2的散射信号几乎被淹没，为后续的损伤特征参数提取增加了难度，如图5a所示。图5c则是经过本发明所述方法的处理结果，与图5a进行对比可发现两个损伤的散射信号均得到聚焦增强并有效抑制了边界反射信号和噪声，大大提高了损伤散射信号的信噪比，从而有效提高了其空间分辨率，从图5c中可明显看出两个损伤聚焦波峰。