专利名称：一种具有频偏修正效果的时间－距离域映射方法
技术领域：
本发明属于Lamb波信号处理领域，尤其涉及Lamb波频散补偿方法。
背景技术：
诸如载人飞行器、核反应堆和桥梁等重要结构在其服役过程中很容易产生各种形式的损伤，为了避免结构损伤带来的灾难或损失，必须对这些结构进行长期有效的监测，而传统的无损检测技术已不能很好满足该监测要求。为此，研究者们提出了结构健康监测的概念。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波是一种板类结构中传播的超声导波，因其能够传播较远距离并且对结构表面和内部损 伤均敏感的优点，在结构健康监测领域得到日益广泛的应用，Lamb波监测技术已成为一个研究热点。Lamb波具有多模和频散特性，即使对于单模式的Lamb波信号，频散效应也使其波包发生扩展和变形，幅值随之减小，这种现象会随着传播距离的增大表现得越明显，严重降低了传感信号的分辨率和信噪比。现有技术中，时间反转方法无需Lamb波在结构中传播的先验知识便可自动补偿频散特性，但同时也消除了 Lamb波的传播时间，为后续损伤识别增加了难度。Alleyne通过信号再次激励来抑制传播距离已知的特定模态的频散现象。Sicard等基于后向传播函数提出一种频散补偿方法，该方法需要积分运算，计算量较大[参考文献I]。Wilcox通过把信号从时域变换到空间域来消除频散特性[参考文献2]，由于未修正处理过程中对激励信号波数谱的影响，使处理结果发生频偏现象[参考文献3]，为信号解释造成困难。[参考文献 I] Sicard R，Goyette J，Zellouf D. A numerical dispersioncompensation technique for time recompression of Lamb wave signals. Ultrasonics,2002，40(1-8) :727-732.
[参考文献 2]Wilcox PD. A rapid signal processing technique to remove theeffect of dispersion from guided wave signals. IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics, and Frequency Control，2003，50 (4) :419-427.
[参考文献 3]Xu B，Yu L，Giurgiutiu V. Lamb Wave Dispersion Compensationin Piezoelectric Wafer Active Sensor Phased-Array Applications In KunduTribikram(ed. ). Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2009.Proceedings ofthe SPIE，2009，7295.。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种具有频偏修正效果的时间-距离域映射方法。本发明的具有频偏修正效果的时间-距离域映射方法，包括下列步骤
I)求取频散波数和非频散波数关系数值求解或实验测得Lamb波信号的频散波数关系Κ(ω)，并计算非频散波数关系Kmax (ω):
Kmax( ) = /cgo
其中，ω为解频率，Cg0为信号在中心频率处的群速度；
2)计算原始频散信号频谱；对原始频散信号v(t)进行傅立叶变换得到其频谱为ν(ω)；
3)求取信号波数谱
首先，根据Κ(ω)，计算出插值映射序列Ω(10 ； Ω (k) = Γ1 ( ω )
其中，IT1(Co)为Κ(ω)的逆函数。
其次，对ν(ω)在ω = Ω (k)处进行插值处理，得到信号波数谱V' (k)
V' (k) = ν[Ω (k)]
其中，ν[Ω (k)]为对ν(ω)在ω = Ω (k)处的插值处理结果
4)修正激励信号波数谱
首先，计算插值映射序列ΩηΧη(10
il . - K K+ :.
其中，λ. 〃+> 为ΚηΧη(ω)的逆函数；
其次，计算信号波数谱的修正因子Cmax (k)；
C-(k) =V0[QnXn(k)]/Va[Q(k)]
其中，为对Κω)在ω = ΩηΧη(10处的插值处理结果=VJQ (k)]为对Vq(Co)在ω = Ω (k)处的插值处理结果；
再其次，计算考虑激励信号修正的信号波数谱V (k) v(k) =r (k)Cmax(k);
5)计算得到频偏修正的非频散距离域信号；对￥(10进行逆傅立叶变换得到非频散的距离域信号V (r)。
本发明的方法可补偿Lamb波信号中的频散效应，再压缩信号中因频散发生扩展和变形的各个波包，提高信号分辨率和信噪比。而且，在处理过程中对激励信号波数谱进行了修正，从而保持频散补偿前后信号波数成份不变，便于信号解释。


图I是具有频偏修正效果的时间-距离域映射方法的流程 图2是压电片P1和P2在铝板中的位置和Atl模式传感信号的传播路径示意 图3是激励信号；
图4是原始Atl模式传感信号；
图5是频散波数关系Κ(ω)和非频散波数关系曲线Κ_(ω)；
图6是插值映射序列ΩηΧη(10和Ω (k)；
图7是经具有须偏修正效果的时间-距离域映射方法处理后的A0模式传感信号；
图8是经未考虚频偏修正的时间-距离域映射方法处理后的A0模式传感信号。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
来对本发明作进一步地详细说明。实施例I
本实施例采用2024铝板作为待测结构，尺寸为ImX I. 5mX I. 5mm。该结构材料参数见表I。在结构中布置有2个压电片P1和P2，在铝板结构中的位置如图2所示。下面将以Lamb波Atl模式传感信号为例给出本发明的频散补偿方法的实现过程。为了在结构中激发Atl模式为主的Lamb波监测信号，选择中心频率为IOOkHz的三波峰正弦调制信号作为激励波形，如图3所示。以P1作为激励，P2作为传感器，采集到的传感信号如图4，传感信号中每个波包的传播路径如图2所示。在图4显示的原始传感信号中，第一个波包为幅值较大的A0模式直达信号，其时域宽度从原来的30 μ s (如图3所示)增大到60 μ S，波包形状不再对称，幅值也由于波包拉伸而下降，随着传播距离的增大这种频散效应表现得更严重，使得Atl模式边界反射信号发生了严重混叠，给信号分析增加了难度。
表I 2024铝板材料参数
权利要求
1.一种具有频偏修正效果的时间一 距离域映射方法，其特征在于，包括下列步骤I)求取频散波数和非频散波数关系 数值求解或实验测得Lamb波信号的频散波数关系10 )，并计算非频散波数关系 ΚΜ ) = ω ^ 其中，为角频率，Cfi0为信号在中心频率处的群速度；2)计算原始频散信号频谱对原始频散信号@进行傅立叶变换得到其频谱为 3)求取信号波数谱 首先，根据，计算出插值映射序列_ O0L)=IT1Cffl) 其中，Jr1(O)为jr(<p)的逆函数， 其次，对FXfiPj在I = 处进行插值处理，得到信号波数谱#( :) Z(Jt)=F [_ 其中，MilOt)]为对在β = Ω( )处的插值处理结果；4)修正激励信号波数谱 首先，计算插值映射序列《^(*5 其中，为χ (的的逆函数； 其次，计算信号波数谱的修正因PCm(Jfc)Cm(k} = Va[^{k)\iVa[Q(k)] 其中为对在fi =q_(Jt)处的插值处理结果；Fe
为对在 =_)处的插值处理结果； 再其次，计算考虑激励信号修正的信号波数谱》rPi 叩)二 P(JtKfc)；5)计算得到频偏修正的非频散距离域信号对》rPJ进行逆傅立叶变换得到非频散的距离域信号 >·)。
全文摘要
本发明提供了一种具有频偏修正效果的时间－距离域映射方法，包括下列步骤1)求取频散波数和非频散波数关系；2)计算原始频散信号频谱3)求取信号波数谱；4)修正激励信号波数谱；5)计算得到频偏修正的非频散距离域信号。本发明的方法可补偿Lamb波信号中的频散效应，再压缩信号中因频散发生扩展和变形的各个波包，提高信号分辨率和信噪比。而且，在处理过程中对激励信号波数谱进行了修正，从而保持频散补偿前后信号波数成份不变，便于信号解释。
文档编号G01N29/46GK102818860SQ201210267410
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月31日 优先权日2012年7月31日
发明者石立华, 蔡建, 周颖慧, 付尚琛, 马丁, 李炎新 申请人:中国人民解放军理工大学