Chirp信号激发的宽频Lamb波相控阵成像方法

本发明涉及缺陷检测，尤其是涉及一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法。

背景技术：

1、板状结构广泛应用于各种汽车、航空航天、建筑和船舶行业。在极端恶劣的工作条件下，这些结构很容易受到高负荷冲击、应力集中和化学腐蚀的影响。有必要进行结构健康监测或无损检测与评估，以及时发现潜在的损坏，防止结构进一步失效。作为板状波导结构中的一种特殊超声波，超声lamb波成为一种重要且应用广泛的板状结构无损检测与评估方法。然而，利用lamb波能否有效检测损伤在很大程度上取决于频率和模式的选择，这极大的影响了基于lamb波的无损检测的效率和可靠性。

2、基于超声lamb波的损伤成像一般通过压电片阵列来实现，通过信号的相移或时延补偿来获得波束成形和偏转，从而提高空间增益。但是现有的超声lamb波相控阵大多是依靠窄带短脉冲信号激发，存在信号能量小，信噪比低的问题。因此硬件系统达到一定的激发功率才能获得较好的成像结果。

3、对于通过激励和脉冲压缩进行多频融合lamb波进行成像的方案，这种从宽带信号合成窄带信号的方法仍然需要选择一系列合适的单频，无法同时使用所有频段的信息，本质上还是窄带成像。由于不同频率成分的速度不同，宽带lamb波信号的频散补偿和信号处理面临挑战。信号的非稳态性也使宽带长脉冲信号难以选择合适的焦点时间点，从而限制了基于飞行时间的传统成像算法的应用。

4、综上，当前缺少一种lamb波成像方法，以解决或部分解决前述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，以在无需选择最优频率的前提下进行成像，并在低幅值、低信噪比的情况下对板中的缺陷进行有效定位成像。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的一个方面，提供了一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，包括如下步骤：

4、利用宽频长脉冲chirp信号构建激励信号，激发宽频长脉冲lamb波；

5、基于所述宽频长脉冲lamb波，通过相控阵采集目标板状结构的全矩阵数据；

6、计算离散化后的成像区域内每个像素点到所述相控阵中每个阵元间的距离；

7、基于所述距离，计算每个像素点处的入射lamb波场；

8、基于所述距离和所述全矩阵数据，通过反向传播计算每个焦点处的散射lamb波场；

9、基于所述入射lamb波场和所述散射lamb波场，利用时域拓扑能量方程计算每个像素点的像素值，实现所述目标板状结构的成像。

10、作为优选的技术方案，所述的宽频长脉冲chirp信号的带宽为20-500khz。

11、作为优选的技术方案，所述的相控阵包括多个阵元，通过采用依次单阵元激励，剩余阵元接受的方式采集得到所述全矩阵数据。

12、作为优选的技术方案，所述的激励信号u(t)为：

13、

14、其中，τ是chirp脉冲的持续时间，[f1,f2]是chirp脉冲的带宽。

15、作为优选的技术方案，所述的入射lamb波场为：

16、

17、其中，ui(x,y,t)表示到达像素点(x,y)的第i个阵元t时刻发射的入射lamb波场，f{·}和f-1{·}是傅立叶变换和反傅立叶变换，k(ω)是宽频长脉冲lamb波的波数，di(x,y)是每个像素点与第i个发射阵元之间的距离。

18、作为优选的技术方案，所述的散射lamb波场为：

19、

20、其中，vij(x,y,t)为t时刻焦点(x,y)处由第i个阵元发射并由第j个阵元接收时对应的散射lamb波场，f{·}和f-1{·}是傅立叶变换和反傅立叶变换，k(ω)是宽频长脉冲lamb波的波数，vij(t)是基于所述全矩阵数据得到的由第i个阵元发射并由第j个阵元接收的信号，dj(x,y)是每个焦点与第j个接收阵元之间的距离。

21、作为优选的技术方案，所述的每个像素点的像素值由下式计算：

22、

23、其中，i(x,y)表示像素点(x,y)处的像素值，n为所述相控阵的阵元数，t是信号的采样时间，ui(x,y,t)为到达像素点(x,y)的第i个阵元t时刻发射的入射lamb波场，vij(x,y,t)为t时刻像素点(x,y)处由第i个阵元发射并由第j个阵元接收时对应的散射lamb波场。

24、作为优选的技术方案，在每个像素点的像素值之后，还包括：

25、将像素值按最大值归一化后在预设取值范围内显示。

26、本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法的指令。

27、本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行前述chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法的指令。

28、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

29、(1)无需选择最优频率即可成像：本发明利用宽频长脉冲chirp信号构建激励信号，激发宽频长脉冲lamb波并采集全矩阵数据，通过计算每个像素点处的入射lamb波场以及每个焦点处的散射lamb波场，最后利用时域拓扑能量方程计算每个像素点的像素值以实现对目标板状结构的成像，通过利用宽频长脉冲chirp信号激发宽频长脉冲lamb波并进行相控阵成像，在成像过程中无需选择最优频率，也无需先验知道系统的频响的前提下进行成像，提高了检测效率。

30、(2)在低幅值、低信噪比下仍能够稳健成像：本发明通过用宽频长脉冲chirp信号激发宽频长脉冲lamb波并进行相控阵成像，结合时域拓扑能量方程计算每个像素点的像素值，能够在低电压激励的情况下保持良好的信噪比，实现高对比度、高稳健的缺陷成像。

技术特征：

1.一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的宽频长脉冲chirp信号的带宽为20-500khz。

3.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的相控阵包括多个阵元，通过采用依次单阵元激励，剩余阵元接受的方式采集得到所述全矩阵数据。

4.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的激励信号u(t)为：

5.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的入射lamb波场为：

6.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的散射lamb波场为：

7.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，所述的每个像素点的像素值由下式计算：

8.根据权利要求1所述的一种chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法，其特征在于，在每个像素点的像素值之后，还包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器以及存储器，所述存储器内储存有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法的指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述chirp信号激发的宽频lamb波相控阵成像方法的指令。

技术总结本发明涉及一种Chirp信号激发的宽频Lamb波相控阵成像方法，包括如下步骤：利用宽频长脉冲Chirp信号构建激励信号，激发宽频长脉冲Lamb波；基于宽频长脉冲Lamb波，通过相控阵采集目标板状结构的全矩阵数据；计算离散化后的成像区域内每个像素点到相控阵中每个阵元间的距离；基于距离，计算每个像素点处的入射Lamb波场；基于距离和全矩阵数据，通过反向传播计算每个焦点处的散射Lamb波场；基于入射Lamb波场和散射Lamb波场，利用时域拓扑能量方程计算每个像素点的像素值，实现目标板状结构的成像。本发明在无需选择最优频率的前提能够在低幅值、低信噪比的情况下对板中的缺陷进行有效定位成像。技术研发人员：项延训,刘立帅,李璇,胡正受保护的技术使用者：华东理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9