一种基于压缩感知的超声阵列全矩阵数据重构方法

针对传统全矩阵数据采集数据量大、采样时长随阵元个数增加的问题,提出了一种基于压缩感知的超声阵列全矩阵数据重构方法.根据多阵元等幅同步有限次激励下采集的超声信号与全矩阵数据的压缩采样关系,利用多阵元等幅同步有限次激励下采集到的少量超声信号进行超声阵列全矩阵数据重构,并将重构数据用于缺陷的全聚焦成像.基于提出的数据压缩采集模式,开展了块状试件中缺陷超声相控阵检测实验,并分析了稀疏变换基、激励阵元个数、激励次数等因素对检测结果的影响规律.实验结果表明,提出的方法可以在75％压缩率下实现超声全矩阵数据的重构,重构数据与实际全矩阵数据的均方根误差约为6％,可用于缺陷的全聚焦成像.     

无方向数据采集的相控阵结构健康监测研究

超声相控阵结构健康监测过程中由于按角度扫描的数据采集持续时间长,结构损伤前后采集的数据易受环境和结构变化的影响,针对这一问题,提出无方向数据采集的相控阵结构健康监测成像定位方法。基于相控阵方法,对采集后数据根据发射和接收过程进行时间延迟的计算,然后将监测结果进行二维成像。该方法在玻璃纤维复合材料板结构上的实验研究证明,采用无方向数据采集的相控阵结构健康监测方法能够精确监测结构中损伤并对损伤进行清晰成像;并且该方法可以大大缩短监测时间,从而使监测过程不受环境条件变化的影响,为超声相控阵监测方法的工程化奠定基础。     

频域加权陷波多声发射源定位与伪源辨识方法

针对信号处理中的稀疏阵列有时会出现栅瓣和伪峰的现象,进而影响波束形成法在结构损伤定位中应用的问题,提出了基于频域加权波束零陷的未知真实声发射源数量的声发射定位与伪源辨识方法。首先,推导研究了波束零陷思想在二维频域加权波束形成方法中的作用机理;然后,基于频域加权陷波的波束形成方法,提出了在未知真实声发射源数量情况下的伪声发射源的辨识和真实声发射源的定位流程;最后,在存在较多伪声发射源干扰情况下进行了单声发射源和同时多声发射源的定位试验,验证了所提出方法的准确性。研究结果表明,所提出的方法对于推广波束形成法在结构健康监测领域的应用具有价值。     

航空运输集装托盘脱胶监测的概率成像方法

为了提高航空运输集装托盘使用的安全性与经济性,针对航空运输集装托盘脱胶监测技术的空白,提出了一种基于损伤概率成像方法的航空运输集装托盘脱胶监测方法.该方法首先使用损伤散射信号包络损伤因子计算方法求取各激励-传感通道上的损伤因子,然后使用损伤概率成像方法获取被监测区域的结构损伤概率图像,最后使用概率坐标加权算法计算出航空运输集装托盘脱胶的位置坐标.自制了一块试件对该方法进行了实验验证.实验结果表明:基于损伤概率成像方法的航空运输集装托盘脱胶监测方法可以对航空运输集装托盘脱胶进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差不大于2 cm.     

基于时间反转的直升机结构损伤成像算法

复合材料在直升机结构中大量应用,为了提高直升机服役过程中的安全性,在直升机尾桁结构上采用基于时间反转的导波结构健康监测方法进行损伤成像算法研究。阐述了基于时间反转的损伤成像方法步骤,利用Matlab软件平台编写了损伤成像算法程序,并利用在尾桁结构件上采集的信号数据进行损伤成像方法验证。实验选取多个模拟损伤测试点进行多次损伤诊断,均能得到误差不超过20 mm的损伤定位结果,可以满足直升机结构健康监测地面实验分析的需要。     

基于声表面波传感器阵列的气体鉴别算法研究

声表面波(SAW)传感器阵列具有体积小、功耗低、反应灵敏等优点,在食品检测、环境治理、气体鉴别等领域有广泛的应用前景。结合声表面波传感器阵列的原理及特点,建立和优化了声表面波传感器阵列的数学模型,并对数据进行预处理、主成分分析（PCA）以及BP神经网络分析处理,实现了对气体的鉴别分类,取得了好的实验结果。     

基于圆形压电阵列的主动Lamb波损伤成像监测研究

对主动Lamb波结构健康监测中的压电阵列技术进行了研究。分析了传统的矩阵式压电阵列在应用中存在的问题,基于回声式原理研究设计了圆形压电阵列方法,分析了该方法的特点和信号采集过程,结合时间反转成像技术,实现对损伤的监测,实验结果表明:该方法能克服传统矩阵式压电阵列在应用中存在的监测范围、信号监测能力差异等问题,最后分析了圆形压电阵列还存在的问题。     

基于时间反转理论及压电阵列技术的损伤图像监测方法

结构损伤的监测、定位和辨识技术是结构健康监测研究中一个热点,也是当前研究的难点之一.针对结构损伤图像辨识研究的难点,分析了时间反转聚焦原理,结合压电阵列技术,提出了基于时间反转聚焦方法的板结构损伤图像监测方法,并进行了实验验证研究.实验结果表明该方法能较为有效地表征损伤特征和范围,实现简单,有助于结构健康监测的实用化.     

编码超声稀疏采样仿真研究

编码超声可以在不增加发射能量的前提下提高平均发射声功率,进而有效提高微小目标体的检出率,增加检测深度,提高目标体成像分辨率。而稀疏采样技术可以有效减少采集数据量,提高检测算法实时性。将二者的优点结合,在高频、超宽带以及多传感器超声阵列实时检测与成像领域有重要研究价值。为此,提出了一种编码超声有限新息率稀疏采样方法,该方法在建立编码超声信号稀疏采样构架的基础上,通过脉冲压缩技术实现编码超声信号的时域压缩,并通过仿真实验对3位二进制编码超声信号进行了稀疏采样与参数重构。仿真结果表明,该方法可实现编码超声信号的稀疏采样,在减少数据量的同时准确重构出原信号。     

基于超声导波的骨损伤检测技术

对骨损伤尤其是轻微骨裂的现场检测往往依赖于经验,缺乏可靠的现场测试技术。针对这一问题,对基于超声导波的骨损伤现场诊断应用技术进行了基础研究。分析了管状结构中的导波传播特性,根据骨损伤对导波传播影响,研究采用导波能量衰减曲线检测和定位骨损伤的发生情况;在仿生骨结构试件上进行了实验验证,对比健康和损伤骨结构中的导波传播能量衰减情况,可以较清晰地观察到骨损伤的发生和大致位置。实验结果表明,超声导波技术可以应用于骨损伤现场快速诊断中,具有较好的实用性。     

融合电磁超声载波的声发射传播特性分析

电磁声发射是通过对缺陷导电结构件施加非接触式电磁载荷,进而激发声发射应力波,并据此效应来进行构件无损检测.本文针对电磁声发射信号不适合较远距离传播问题,融合电磁超声技术,实现对声发射应力波的载波远距离传输.文章首先从自由电子运动理论出发,从微观层面上研究电流对金属位错激活能的影响,推导出定向漂移的自由电子与位错碰撞时所产生的能量交换;其次搭建了融合电磁超声载波的电磁声发射有限元模型,分析了多个特征源激励下的应力波传播位移;最后利用希尔伯特黄变换方法对载波实验信号进行了分析比较.本文通过对传统的电磁声发射激励端研究、改进,提升电磁超声对电磁声发射应力波的传输特性,拓宽了电磁声发射检测的应用范围.     

线形超声相控阵换能器的阵列设计

超声相控阵检测技术是利用脉冲反射法对被检构件中是否存在缺陷(如裂纹、夹杂、气孔等)进行无损检测,阵列换能器是该检测技术中实现电-声转换的传感器件,其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素,也是设计换能器阵的主要依据。从平面矩形活塞阵元的辐射声场出发,利用简便算法对阵元辐射声场、一维线阵辐射声场进行了仿真模拟,分析了影响阵列换能器性能的几个主要因素,提供了阵列换能器的设计思路,并对采用相控阵超声换能器与常规超声换能器探测人工缺陷时的扫查波形进行了比较。     

自动化仪器钢结构无损检测方法研究

为了提高钢结构的无损检测能力,提出基于超声波射线波束集成的自动化仪器钢结构无损检测方法,采用频率20 kHz以上的超声波进行自动化仪器钢结构的静态密度和介质密度分析,根据钢结构的声扰动传播速度进行钢结构的裂缝纹理特征分析,计算钢结构的声阻抗率与介质特征阻抗等参数,当超声波以一定的倾斜角入射到自动化仪器钢结构的介质表面产生反射横波或纵波时,通过折射纵波和折射横波的分离特性进行自适应的超声波束集成处理,实现自动化仪器钢结构的无损检测优化。仿真结果表明,采用该方法进行自动化仪器钢结构损伤检测的准确性较高,定位精度较高,无损检测能力较好。     

基于时间反转聚焦的声发射源定位算法

声发射检测可以判断损伤的活性和严重性而被广泛应用,但对损伤位置仍没有更准确的定位方法。提出一种基于时间反转理论的声发射源准确定位的方法。根据声发射被动监测的特点,研究采用时间反转聚焦方法使声发射信号能量叠加放大,提高信号的信噪比,并分析推导了具体损伤声源信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转对声发射源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示出损伤声源位置和区域;最后通过数值仿真对该方法进行验证,仿真结果表明能有效提高损伤声源信号的能量,能够对检测区域的信号重建,并通过显示准确给出损伤声源位置,定位精度较常规时差定位法有较大提高。     

充液管道声压传感器设计

在分析管道导波机理的基础上,以管道中的流体为声压信号的传输介质,对充液刚性管道中的声场特点和声传播效应进行了研究,采用驻极体电容设计了能够检测充液管道中瞬变压力的声压传感器,透声材料封装使其兼有密封防水和声波透射双重功效,可实现主动防护监测和泄漏检测,在大港油田集油站现场实验取得了良好效果.     

基于稀疏导波的裂纹定位和尺寸评估

材料在使用过程中,受各种因素的影响,会不可避免地产生诸多损伤,破坏材料结构完整性的同时,也具有一定的安全隐患;在无损检测中,尤其是导波检测领域,由于缺乏高效方法对材料结构中存在的损伤进行尺寸检测,因此使用导波方法对材料进行微裂缝等损伤的检测的过程中仍然存在很多困难;对一种基于稀疏导波的损伤检测方法进行了研究,可以在进行结构损伤定位的同时对损伤尺寸进行测量;研究表明,使用导波进行损伤检测时,由损伤而产生的复杂反射波中包括很多与损伤形状和尺寸相关的信息,但是这些信息并不明显,且信号重叠无法区分;因此,提出一种稀疏lamb波方法来分解由材料损伤产生的反射信号的各个分量;在此基础上,通过确定各个反射信号分量相应的传播时间来计算材料损伤尺寸;最后,在具有人工损伤的铝板上进行实验验证,结果表明,基于稀疏导波损伤检测的方法是可行的。     

水下成像的稀疏阵列乘性处理

针对阵列传感器布阵设计中的冗余问题,提供了一种水下声学成像稀疏阵列的处理方法。采用稀疏阵列乘性处理方法可合成一个收发一体的虚拟阵列且虚拟阵元数目等于实际阵列发射阵元与接收阵元的乘积。依据相位中心近似的原理,对虚拟阵元的布阵位置进行了数学的解析表示,使用几种不同结构的稀疏阵列进行比较。实验结果得出,使用上述方法建立的稀疏阵列性能指标在三维声场、波束、导向矢量、主瓣宽度和峰值旁瓣级等方面与同等数量的收发一体Mills cross稀疏阵列一致。表明了乘性处理方法能有效解决阵元冗余问题,利用上述方法可得到一种优于Mills cross的新型稀疏阵列。     

电磁超声换能器优化设计与板状结构损伤成像应用研究

提出了一种用于板状结构损伤成像的虚拟电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)阵列.由螺旋线圈和圆柱形永磁铁组成的电磁超声换能器可以通过洛伦兹力在铝板中有效地激发低频散和高幅值的单一S0模态兰姆波.实验研究了电磁超声换能器配置参数(如激发频率,螺旋线圈外径、螺旋线圈内径和提离距离)对S0模态兰姆波性能的影响.另外,将接收电磁超声换能器移动到用于接收兰姆波的多个预定义位置来构建虚拟传感器阵列,实验研究了阵元间距和阵元数量对成像结果的影响.结果表明,通过相控虚拟聚焦成像方法,虚拟电磁超声换能器阵列的成像结果与实际损伤位置吻合良好.