本發(fā)明屬于無損檢測(cè)，涉及板狀結(jié)構(gòu)損傷位置和形貌檢測(cè)，特別涉及一種適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、在航空航天、石油工程、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中，板狀結(jié)構(gòu)是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式。由于長期受環(huán)境因素影響和承受循環(huán)載荷，這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)損傷，包括但不限于由天氣變化引起的腐蝕和由疲勞引起的裂紋等。這些損傷若未能被及時(shí)檢測(cè)和修復(fù)，可能會(huì)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的完整性和安全性構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，開發(fā)高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)對(duì)于確保這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的可靠性和延長其使用壽命至關(guān)重要。

2、對(duì)于實(shí)際工程來說，對(duì)板狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)時(shí)，應(yīng)確保不會(huì)對(duì)板狀結(jié)構(gòu)造成新的損傷。因此，考慮結(jié)構(gòu)的可重復(fù)性使用，應(yīng)采用無損檢測(cè)方法來進(jìn)行損傷檢測(cè)。常見的無損檢測(cè)方法有：射線檢測(cè)法、磁粉檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、紅外熱成像法、超聲檢測(cè)法等。而超聲檢測(cè)法由于其靈敏度高、適用性強(qiáng)、對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為最廣泛且研究最多的方法之一。特別是超聲導(dǎo)波可以在板狀結(jié)構(gòu)中傳播較長距離且衰減較小，從而實(shí)現(xiàn)大范圍檢測(cè)，被稱為最具有應(yīng)用潛力的板狀結(jié)構(gòu)的非破壞性檢測(cè)與評(píng)估(ndt&e)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(structural?health?monitoring,shm)手段之一。

3、為了進(jìn)一步提升板狀結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和維護(hù)的效率與準(zhǔn)確性，研究人員正在開發(fā)先進(jìn)的信號(hào)處理算法，例如應(yīng)用壓縮感知技術(shù)來優(yōu)化損傷檢測(cè)流程，從而為結(jié)構(gòu)的持續(xù)監(jiān)控和及時(shí)維護(hù)提供更為科學(xué)和專業(yè)的技術(shù)支持。

4、目前，基于多普勒原理的掃描式激光多普勒測(cè)振儀(scanning?laser?dopplervibrometer,sldv)成為采集超聲導(dǎo)波的全波場(chǎng)信號(hào)的有效工具，在無損檢測(cè)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。但是sldv的采集受限于奈奎斯特采樣定律，即空間采樣間隔小于半波長，這使得空間上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量龐大，從而導(dǎo)致sldv獲得全波場(chǎng)數(shù)據(jù)的過程十分耗時(shí)。壓縮感知(compressive?sensing,cs)方法可以突破奈奎斯特采樣定律的限制，對(duì)稀疏信號(hào)進(jìn)行欠采樣，并通過重構(gòu)算法精準(zhǔn)恢復(fù)出原始高維信號(hào)。

5、近年來，壓縮感知技術(shù)在超聲導(dǎo)波檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，基于壓縮感知理論建立導(dǎo)波場(chǎng)稀疏重構(gòu)方法，從而實(shí)現(xiàn)以少量測(cè)量點(diǎn)精準(zhǔn)重構(gòu)完整波場(chǎng)信號(hào)，不僅可以保證檢測(cè)質(zhì)量，同時(shí)可以大幅減少測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，提高損傷檢測(cè)效率。因此，將壓縮感知方法應(yīng)用在無損檢測(cè)系統(tǒng)中，可以在不犧牲檢測(cè)質(zhì)量的前提下，提升sldv采集全波場(chǎng)信號(hào)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法，以大幅減少采樣點(diǎn)數(shù)為目標(biāo)，針對(duì)板狀結(jié)構(gòu)損傷引起的導(dǎo)波變化進(jìn)行提取和處理，實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的損傷定位和形貌檢測(cè)。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法，所述方法首先構(gòu)建出可以壓縮感知方程中的稀疏基矩陣，然后構(gòu)建包含測(cè)量點(diǎn)和重構(gòu)點(diǎn)距離信息的觀測(cè)矩陣，該觀測(cè)矩陣滿足有限等距性質(zhì)，并將稀疏基矩陣和觀測(cè)矩陣相乘構(gòu)成壓縮感知方程中的傳感矩陣；通過sldv測(cè)得少量測(cè)量點(diǎn)的波場(chǎng)數(shù)據(jù)v(x,y,ω)，并運(yùn)用基追蹤bp算法求解壓縮感知方程，重構(gòu)得到全波場(chǎng)的波數(shù)域數(shù)據(jù)；使用波數(shù)閾值濾波的成像算法wfa對(duì)重構(gòu)波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，再經(jīng)過傅里葉逆變換將濾波后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)回到空間域，并采用均方根rms方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理，最終得到損傷形貌圖。

4、而且，所述方法的步驟為：

5、s1、構(gòu)建壓縮感知方程

6、a)確定全波場(chǎng)信號(hào)的稀疏表示方式，構(gòu)建稀疏基矩陣ψ

7、對(duì)于壓縮感知理論，重構(gòu)信號(hào)必須滿足稀疏性要求，全波場(chǎng)信號(hào)通過二維傅里葉變換轉(zhuǎn)換到波數(shù)域中，得到波數(shù)域信號(hào)w(kx,ky,ω)，若要重構(gòu)波數(shù)域信號(hào)則需要二維傅里葉逆變換矩陣作為稀疏基矩陣ψ∈cn×n：

8、

9、其中：u和v是頻域的索引，x和y是空間域的波數(shù)，n是每個(gè)維度上的樣本點(diǎn)數(shù)；

10、b)構(gòu)建包含測(cè)量點(diǎn)和重構(gòu)點(diǎn)距離信息的觀測(cè)矩陣φ

11、將重構(gòu)區(qū)域等間距地離散化為n個(gè)隨機(jī)分布的像素點(diǎn)，并將這些像素點(diǎn)視為假定的源，即“潛在源”，所述潛在源即為重構(gòu)點(diǎn)，假設(shè)所有潛在源在各個(gè)方向上均勻散射，測(cè)量點(diǎn)數(shù)為m，則構(gòu)建觀測(cè)矩陣φ∈cm×n：

12、

13、其中：dm,n為第m個(gè)測(cè)量點(diǎn)和第n個(gè)潛在源之間的距離，為第m個(gè)測(cè)量點(diǎn)到第n個(gè)潛在源方向上μ模態(tài)的波數(shù)；

14、c)構(gòu)成傳感矩陣a

15、將稀疏基矩陣ψ和觀測(cè)矩陣φ相乘得到傳感矩陣a∈cm×n：

16、a＝φ×ψ

17、d)構(gòu)造壓縮感知方程

18、v(x,y,ω)＝aw(kx,ky,ω)；

19、s2、使用超聲換能器激勵(lì)超聲導(dǎo)波，用sldv采集得到少量測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)v(x,y,ω)，并通過bp算法對(duì)壓縮感知方程進(jìn)行求解，重構(gòu)得到全波場(chǎng)的波數(shù)域信號(hào)w(kx,ky,ω)；

20、s3、利用波數(shù)閾值濾波的成像算法先對(duì)重構(gòu)的波數(shù)域數(shù)據(jù)選取閾值進(jìn)行濾波，再通過逆傅里葉變換回到空間域，并采用均方根方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理，最終得到損傷形貌圖。

21、本發(fā)明所能產(chǎn)生的積極效果是：

22、1、本發(fā)明首次提出創(chuàng)新的在波數(shù)域進(jìn)行壓縮感知的方法，該方法通過優(yōu)化信號(hào)的稀疏表示，構(gòu)建滿足壓縮感知要求的稀疏基矩陣，顯著提升全波場(chǎng)信號(hào)重構(gòu)的精度。

23、2、本發(fā)明可以大幅減少采樣點(diǎn)數(shù)量，提高全波場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的效率，而且具有突破奈奎斯特采樣定律限制的潛力。

24、3、本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)損傷的位置和形貌進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)效果好，檢測(cè)效率高。

25、4、本發(fā)明對(duì)板狀結(jié)構(gòu)的缺陷檢測(cè)具有普適性，對(duì)各種激光器、空耦空氣耦合傳感器激勵(lì)等激勵(lì)傳感器激勵(lì)的超聲導(dǎo)波信號(hào)都適用。

技術(shù)特征：

1.一種適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法，其特征在于：所述方法首先構(gòu)建出可以壓縮感知方程中的稀疏基矩陣，然后構(gòu)建包含測(cè)量點(diǎn)和重構(gòu)點(diǎn)距離信息的觀測(cè)矩陣，該觀測(cè)矩陣滿足有限等距性質(zhì)，并將稀疏基矩陣和觀測(cè)矩陣相乘構(gòu)成壓縮感知方程中的傳感矩陣；通過sldv測(cè)得少量測(cè)量點(diǎn)的波場(chǎng)數(shù)據(jù)v(x,y,ω)，并運(yùn)用基追蹤bp算法求解壓縮感知方程，重構(gòu)得到全波場(chǎng)的波數(shù)域數(shù)據(jù)；使用波數(shù)閾值濾波的成像算法wfa對(duì)重構(gòu)波數(shù)域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，再經(jīng)過傅里葉逆變換將濾波后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)回到空間域，并采用均方根rms方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理，最終得到損傷形貌圖。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法，其特征在于：所述方法的步驟為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于板狀結(jié)構(gòu)的波數(shù)域壓縮感知損傷檢測(cè)方法，包括：S1、構(gòu)建壓縮感知方程；S2、對(duì)壓縮感知方程進(jìn)行求解，重構(gòu)得到全波場(chǎng)的波數(shù)域信號(hào)；S3、對(duì)重構(gòu)的波數(shù)域數(shù)據(jù)選取閾值進(jìn)行濾波，通過逆傅里葉變換回到空間域，并采用均方根方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行合并處理，得到損傷形貌圖。本發(fā)明通過優(yōu)化信號(hào)的稀疏表示，構(gòu)建滿足壓縮感知要求的稀疏基矩陣，顯著提升全波場(chǎng)信號(hào)重構(gòu)的精度；大幅減少采樣點(diǎn)數(shù)量，提高全波場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的效率，而且具有突破奈奎斯特采樣定律限制的潛力；對(duì)損傷的位置和形貌進(jìn)行檢測(cè)，且檢測(cè)效果好，檢測(cè)效率高。

技術(shù)研發(fā)人員：張慧,時(shí)夢(mèng)欣,孫晶,芮小博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2