一种超声导波传播距离稀疏估计方法及其检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种超声导波传播距离稀疏估计方法及其检测系统，所述方法包括以下步骤：获取被测结构目标模态超声导波的频率‑波数曲线，以不同传播距离下的单位脉冲响应信号为原子，构建过完备字典库，获取被测结构的单位脉冲响应信号，以过完备字典库为信号基，建立单位脉冲响应信号的稀疏表示模型，求解稀疏表示模型得到超声导波传播的距离谱。本发明专利技术相比现有技术，所得距离谱结果具有更高的距离域分辨率、更高准确度和抗干扰效果。

【技术实现步骤摘要】
一种超声导波传播距离稀疏估计方法及其检测系统
本专利技术属于超声波
，特别是一种超声导波传播距离稀疏估计方法及其检测系统。
技术介绍
结构健康监测技术主要针对重大装备和重要经济基础设施，对提高其安全性、降低维护成本、保证人民群众生命安全等具有重要的工程意义和应用价值。超声导波，如薄板结构中的Lamb波，具有对结构表面和内部损伤都敏感、可长距离传播的特点，是结构健康监测中一种重要的工具。基于超声导波的结构健康监测技术是一种主动式的结构健康监测技术，是结构健康监测领域的重要发展方向之一。在超声导波结构健康监测领域中，对测量得到的超声导波信号进行传播距离估计是十分重要的。对超声导波传播距离估计的精确度及估计分辨率的高低，将直接影响对结构损伤点个数和位置的判断。不精确的和低分辨率的估计方法，会造成对结构中损伤的误报和漏报。超声导波传播距离估计的精确度和分辨率受频散效应的影响，而频散效应又是超声导波的固有属性之一，不能通过无限压缩激励信号的时域波包宽度来提高对传播距离的估计。现已提出的时间-距离域映射法，通过补偿频散效应，可以将频散扩散的时域波包压缩至于激励信号相同宽度的距离域波包，但该方法不可避免地引起波包畸变，且只能补偿单一模态波包，对多模态超声导波不适用，在多模态存在是可能是导致更加频散的结果，且其不能突破激励信号的宽度，因此限制了对传播距离高精度和高分辨率估计的进一步提高。在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种超声导波传播距离稀疏估计方法及其检测系统，克服了现有技术中的超声导波传播距离精度低、分辨率低的缺点。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，一种超声导波传播距离稀疏估计方法包括以下步骤：第一步骤中，获取被测结构目标模态超声导波的频率-波数曲线k(ω)，ω为频率，根据被测结构的厚度和材料参数获取所述频率-波数曲线k(ω)，或者基于测量响应信号提取目标模态的所述频率-波数曲线k(ω)，第二步骤中，以不同传播距离下的单位脉冲响应信号为原子，构建过完备字典库，其中，根据目标模态超声导波在结构中的传播模型，通过所述频率-波数曲线k(ω)得到目标模态的超声导波的单位脉冲响应信号e-jk(ω)x，其中，e为自然常数，为单位虚数，x为超声导波的传播距离；对波数均匀化离散化得到M个离散点k1，k2，…，kM，对距离均匀化离散化得到N个离散点x1，x2，…，xN，并以此构造字典原子，其中第i个字典原子的构造表达式如下：其中，1≤i≤N，且i为正整数，上标T为矩阵转置操作；将各个字典组合得到过完备字典库ψ，ψ＝[ψ1，ψ2，…，ψN]；第三步骤中，获取被测结构的单位脉冲响应信号，其中，结合激励信号，从测量响应信号中提取被测结构的单位脉冲响应信号Hs(ω)并根据频率-波数曲线k(ω)变换到波数域得到Hs(k)，其中k为目标模态波数，离散化后组成一个列向量hs；第四步骤中，以过完备字典库为信号基，建立单位脉冲响应信号的稀疏表示模型，其中，将从被测结构中获取的单位脉冲响应信号分解为过完备字典中原子的稀疏线性组合，得到稀疏表示模型如下：hs＝ψz+n，其中，ψ为过完备字典库，z为待求的稀疏表示系数向量，n为模型不匹配及噪声项；第五步骤中，求解稀疏表示模型得到超声导波传播的距离谱，其中，将稀疏表示模型转化为凸优化问题，如下：其中，σ为非负实值参数，其取值范围求解得到稀疏表示系数向量z，则(x，z)为估计的距离谱，其中x＝[x1，x2，…，xN]T为离散距离向量；距离谱中任意一点(xi，zi)表示在传播距离为xi下存在一个相对幅值为zi的超声导波波包。所述的方法中，第二步骤，传播模型为：其中，u(x，t)为对应传播距离为x的时域响应信号，t为时间，S(ω)为激励信号的频域表示形式，k(ω)为目标模态的波数。所述的方法中，第二步骤，离散化波数k和距离x时，其步长Δk、缸、距离点数N通过以下原则确定：其中，T表示被测结构的单位脉冲响应信号在时域的最大时长，vmax表示目标模态超声导波在结构中传播的最大群速度，kNyq＝k(fNyq)为奈奎斯特频率fNyq下的波数。所述的方法中，第三步骤中，所述激励信号包括阶跃信号、线性调频信号。所述的方法中，第三步骤中，当激励信号为阶跃信号时，从响应信号中提取被测结构的单位脉冲响应信号H(ω)的步骤为：其中g′(t)为阶跃响应信号g(t)的一阶时域微分。所述的方法中，第三步骤中，当激励信号为线性调频信号时，从响应信号中提取被测结构的单位脉冲响应信号H(ω)的步骤为：其中U(ω)为结构在线性调频激励S(ω)下的响应。根据本专利技术的另一方面，一种实施所述方法的检测系统包括，被测结构，配置成传导超声导波的被测结构设有超声导波的激励端和接收端，激励单元，其配置成发出超声导波激励信号，放大单元，配置成放大所述激励信号的放大单元一端连接激励单元，另一端连接激励端，信号调理器，配置成调理响应信号的信号调理器一端连接接收端，另一端连接信号采集单元，信号采集单元，配置成采集响应信号的信号采集单元一端连接所述信号调理器，另一端连接处理单元，处理单元，其基于所述响应信号以获得超声导波传播的距离谱。所述的检测系统中，所述处理单元包括，频率波数曲线生成单元，其基于所述响应信号提取目标模态的频率波数曲线，过完备字典库建模单元，其以不同传播距离下的单位脉冲响应信号为原子，构建过完备字典库，单位脉冲响应信号提取单元，其基于激励信号，从所述响应信号中提取被测结构的单位脉冲响应信号，稀疏表示模型建模单元，其以过完备字典库为信号基，建立单位脉冲响应信号的稀疏表示模型，计算单元，其基于稀疏表示模型计算超声导波传播的距离谱。所述的检测系统中，激励单元为激励板卡，激励端包括激励压电片，信号采集单元的信号采样频率fs为10MHz。所述的检测系统中，处理元为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，所述控制单元包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM或快闪存储器。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术在对超声导波信号进行距离谱估计，将获取得到结构的单位脉冲响应，并使其在预先建立的过完备字典中稀疏分解，通过求解稀疏重构问题，得到导波信号传播的距离谱，实现了多波包的传播距离估计，降低了超声导波在距离域中的波包宽度，提高了超声导波信号在距离域上的分辨率。本专利技术最终得到的超声导波传播的距离谱，波包的实际传播距离与距离谱所指示的距离相一致，提高了传播距离估计的精确度。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本专利技术各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1是根据本专利技术一个实施例的超声导波传播距离稀疏估计方法的步骤示意图；图2是根据本专利技术一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声导波传播距离稀疏估计方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，获取被测结构目标模态超声导波的频率‑波数曲线k(ω)，ω为频率，根据被测结构的厚度和材料参数获取所述频率‑波数曲线k(ω)，或者基于测量响应信号提取目标模态的所述频率‑波数曲线k(ω)，第二步骤(S2)中，以不同传播距离下的单位脉冲响应信号为原子，构建过完备字典库，其中，根据目标模态超声导波在结构中的传播模型，通过所述频率‑波数曲线k(ω)得到目标模态的超声导波的单位脉冲响应信号e

【技术特征摘要】
1.一种超声导波传播距离稀疏估计方法，所述方法包括以下步骤：第一步骤(S1)中，获取被测结构目标模态超声导波的频率-波数曲线k(ω)，ω为频率，根据被测结构的厚度和材料参数获取所述频率-波数曲线k(ω)，或者基于测量响应信号提取目标模态的所述频率-波数曲线k(ω)，第二步骤(S2)中，以不同传播距离下的单位脉冲响应信号为原子，构建过完备字典库，其中，根据目标模态超声导波在结构中的传播模型，通过所述频率-波数曲线k(ω)得到目标模态的超声导波的单位脉冲响应信号e-jk(ω)x，其中，e为自然常数，为单位虚数，x为超声导波的传播距离；对波数均匀化离散化得到M个离散点k1，k2，…，kM，对距离均匀化离散化得到N个离散点x1，x2，…，xN，并以此构造字典原子，其中第i个字典原子的构造表达式如下：其中，1≤i≤N，且i为正整数，上标T为矩阵转置操作；将各个字典组合得到过完备字典库ψ，ψ＝[ψ1，ψ2，…，ψN]；第三步骤(S3)中，获取被测结构的单位脉冲响应信号，其中，结合激励信号，从测量响应信号中提取被测结构的单位脉冲响应信号Hs(ω)并根据频率-波数曲线k(ω)变换到波数域得到Hs(k)，其中k为目标模态波数，离散化后组成一个列向量hs；第四步骤(S4)中，以过完备字典库为信号基，建立单位脉冲响应信号的稀疏表示模型，其中，将从被测结构中获取的单位脉冲响应信号分解为过完备字典中原子的稀疏线性组合，得到稀疏表示模型如下：hs＝ψZ+n，其中，ψ为过完备字典库，z为待求的稀疏表示系数向量，n为模型不匹配及噪声项；第五步骤(S5)中，求解稀疏表示模型得到超声导波传播的距离谱，其中，将稀疏表示模型转化为凸优化问题，如下：其中，σ为非负实值参数，其取值范围求解得到稀疏表示系数向量z，则(x，z)为估计的距离谱，其中x＝[x1，x2，…，xN]T为离散距离向量；距离谱中任意一点(xi，zi)表示在传播距离为xi下存在一个相对幅值为Zi的超声导波波包。2.根据权利要求1所述的方法，优选的，其中，第二步骤(S2)，传播模型为：其中，u(x，t)为对应传播距离为x的时域响应信号，t为时间，S(ω)为激励信号的频域表示形式，k(ω)为目标模态的波数。3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二步骤(S2)，离散化波数k和距离x时，其步长Δk、缸、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雪峰，许才彬，杨志勃，乔百杰，翟智，田绍华，陈强，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61