提高伤损检测精度的超声导波信号补偿方法、设备及介质

本发明涉及超声导波无损检测，具体涉及一种提高伤损检测精度的超声导波信号补偿方法、设备及存储介质。

背景技术：

1、基于超声导波的结构健康监测技术通常采用监测信号与基准信号差异化比较的方式实现伤损监测，因而对信号稳定性要求较高，但超声导波信号容易受工作环境和操作状态(environmental and operational condition，eoc)影响，特别是温度的影响。基于超声导波的结构健康监测技术在实际应用中面临着温度变化对监测信号稳定性的挑战。温度变化会引起导波信号的波包时移和幅值衰减，这与由结构伤损引起的信号变化相似，因此可能掩盖了结构伤损的监测，影响了监测系统的鲁棒性和准确性。温度不仅会引起波导几何特性变化，同时也会引起波导物理属性的变化，进而影响导波传播速度、相位(波包时移)和幅值，造成导波信号发生不同程度的波包时移和幅值衰减，进而导致基准信号与监测信号的差异，这与伤损引起的导波信号的变化是类似的，导致温度引起的信号变化掩盖伤损引起的信号变化，因而很容易造成监测系统的误判/报和漏判/报，最终对系统的监测性能产生影响。因此，在利用超声导波进行伤损监测时，首先需要对导波信号进行温度补偿，否则无法区分导波信号的变化是由于温度变化引起还是伤损存在导致。

2、为了解决这一问题，基线差值法(baseline subtraction approach，bsa)、最优基线法(optimal baseline selection，obs)和基线扩展法(baseline signal stretch，bss)作为导波信号温度补偿的传统算法，在导波无损检测领域得到了广泛的应用。然而，bsa和obs通常需要建立不同温度下的完备基准库，通常温度间隔至少1℃，前期建库工作量过大，bss理论上可以采用一个基准信号实现对温度对导波传播的补偿，然而当温度变化较大时，容易发生信号畸变现象，导致补偿失效。

技术实现思路

1、本发明提出的一种提高伤损检测精度的超声导波信号补偿方法、设备及存储介质，可至少解决背景技术中的技术问题之一。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种提高伤损检测精度的超声导波信号补偿方法，包括建立温度间隔10℃-20℃的非完备基准库并设计了最优基准选取策略，采用时域粗调和hilbert域微调的两步温补方式，在hilbert域提取多组基准信号的平均瞬时相位系数对时移进行补偿，通过hilbert域能量归一化和负指数幅值衰减曲线对监测信号进行幅值补偿。

4、进一步地，包括以下步骤，

5、(1)构建覆盖被监测波导温度变化范围的有限n组温度tn＝t0+n×δt，n∈[1，n]，其中温度间隔δt取10℃-20℃，t0为任一初始温度，n为正整数，tn代表第n次温度，从而得到温度库设为w＝{t1，t2，...，tn}，每个温度tn(n＝1，...，n)下采集m个基准信号，则得到的非完备导波信号补偿基准信号库设为其中代表温度t1下的第m个基准信号；

6、(2)设超声导波设备采集得到的待补偿导波监测信号设为设计并定义的最优基准信号提取标准为

7、

8、式中，arg min{}代表函数取最小的参数，xb为基准信号库bm×n中的任一基准信号，μc和σc分别为导波监测信号的均值和标准差，μb和σb分别为基准信号xb的均值和标准差；在bm×n中，tpccm的计算结果共有m×n个，按照从小到大顺序排序，提取前m个与当前监测信号最相关的基准信号设为其中xb_i为第i个基准信号；

9、(3)导波监测信号转为hilbert域为：式中为的hilbert域信号，ε为积分变量，则提取的导波监测信号的瞬时幅值参数bc(t)和瞬时相位参数分别定义为：和式中arctan()为反正切三角函数；

10、(4)同理，按照步骤(3)分别计算上述m个最相关基准的m个瞬时相位参数可以由上述hilbert域处理公式得到并设为对m个最相关基准的瞬时相位参数进行平均，从而去除随机噪声和测量误差对监测信号时移参数的影响，得到平均瞬时相位系数为：利用上述基准信号的平均瞬时相位系数对当前监测信号时移进行补偿，则补偿的相位系数为：则对监测信号进行时移补偿后的重构导波信号为：式中re()表示监测信号的解析形式信号的实部，而解析形式信号为：其中exp()表示以自然常数e为底的指数函数，j为虚部符号，a(t)为导波监测信号的幅值；

11、(5)对时移补偿后的重构导波信号xc_new(t)进行采样，得到长度为n的重采样监测信号设为xc_new(n)，则xc_new(n)的瞬时幅值参数设为bc_new(n)，先对该瞬时幅值参数进行能量归一化，去除导波激励参数对导波监测信号的影响，瞬时幅值参数bc_new(n)的能量归一化瞬时幅值参数为：

12、(6)导波信号幅值随传播距离的变化符合负指数变化关系，任一基准信号xb的负指数幅值衰减曲线设为：yb(m)＝αe-βm，式中，α和β为xb幅值衰减曲线的系数，m为导波回波信号的位置，α为衰减曲线在m＝0初始位置的幅值。任取被测波导两个不同位置(mp，mq)处的导波信号回波幅值设为代入yb(m)＝αe-βm即可确定负指数幅值衰减曲线的系数α和β；

13、(7)监测信号的负指数幅值衰减曲线可表示为：yc(m)＝αe-γβm，式中，γ即为温度引起的待补偿监测信号幅值的衰减系数；

14、(8)对上述m组最相关的基准信号取平均，去除随机噪声和测量误差对导波基准信号幅值参数的影响，平均后的基准信号为

15、(9)取被测波导端面回波的导波幅值，设距离超声导波换能器距离为m0的波导端面回波处的平均基准信号和监测信号的幅值分别为和分别代入负指数幅值衰减曲线公式yb(m)＝αe-βm和yc(m)＝αe-γβm，联合求解可以得到监测信号的衰减系数为：则幅值补偿系数为1/γ，从而加入幅值补偿后的待补尝监测信号的重构信号解析形式为：

16、

17、(10)因而，由m个最相关基准对待补尝监测信号经上述时移和幅值补偿后的最终导波监测信号为：从而完成对待补偿导波监测信号由于温度变化引起的信号时移和幅值衰减的补偿。

18、又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

19、再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上方法的步骤。

20、由上述技术方案可知，针对面向长距离、大范围波导的超声导波无损检测与在线监测中导波信号受温度影响，容易发生误报或漏报的问题，本发明提出一种时域粗调和hilbert域微调的超声导波信号补偿方法，分别对超声导波信号的时移和幅值衰减进行补偿，以提高其对温度变化的抗干扰能力。在时域上，建立大温度间隔、非完备的基准库，并由设计的最优基线选择策略进行粗调；在希尔伯特域中，提取多组基线信号的平均瞬时参数进行微调补偿，并使用平均瞬时幅值系数与负指数幅值衰减关系实现幅值补偿。本发明提高了超声导波信号对温度变化的抗干扰能力，具有更高的信号补偿精度和可靠性，具有重要学术和应用价值。

21、本发明提出了一种提高伤损检测精度的超声导波信号补偿方法，旨在提高伤损检测精度。该方法旨在克服传统方法中存在的问题，实现对导波信号的准确温度补偿，从而使得监测系统能够更加可靠地区分导波信号的变化是由于温度变化引起还是由于结构伤损存在导致的。这一创新方法有望为超声导波结构健康监测技术的发展带来重要的突破，提高监测系统的鲁棒性和准确性，从而更好地应对复杂工作环境和操作状态下的挑战。

22、与传统方法相比，本发明采用多组基准信号的平均瞬时参数可以避免随机噪声引起的误差干扰。转化为hilbert域将不影响导波信号的波形结构，因此本发明不仅适用于温度变化均匀或不均匀条件下的导波信号，也适用于有损伤或无损伤的信号。