一种基于FPGA的超声导波成像方法

本发明涉及超声波无损检测的，尤其涉及一种基于fpga的超声导波成像方法。

背景技术：

1、航空航天、土木建筑、舰船和石油能源等行业的关键基础设施结构通常承担着重要的基础构建和可靠支撑功能，其往往处于固液耦合、风沙侵蚀、温湿度变化、压力变化等高风险环境中且需要长时间运行，维护其结构完整性至关重要。基于超声导波技术的结构健康监测(shm structural health monitoring)具备非侵入式检测、多模态检测、长距离检测、早期损伤检测等优点，在现代工业结构的维护与监测中发挥着不可或缺的作用。

2、现有导波成像检测系统设备庞大，便携性和灵活性不足，且主要基于pc平台，运算效率低，成像速度慢，早期损伤检测及实时损伤成像的能力受限，导致其难以在现场实际应用中发挥最大效用，尤其是在需要快速响应和处理大量数据的场合，如在灾难应急管理、航空航天实时监测和大型工业设施的日常维护中。采用gpu加速的成像平台对于成像速度有所提升，但其成本较高，且由于使用了数据转存，导致速度提升有限。

3、例如申请号为201910163948.1的发明专利公开了一种超声导波成像检测仪及其方法，导波信号采集系统内的现场可编程逻辑阵列控制导波信号执行电路产生导波检测信号，信号由现场可编程逻辑阵列采集处理后，通过pcie总线传送给成像系统。成像系统通过pcie总线接收传来的导波检测数据后，经嵌入式多核处理器进行成像处理，再通过lvds显示信号线送到显示面板进行显示；该发明的嵌入式多核处理器降低了整机的功耗，采用pcie总线简化了两大系统之间高速信号通讯的电路连接关系，嵌入式多核应用处理器内集成的图形处理器(gpu)在保持低功耗的同时实现了完好的检测实时成像效果。

技术实现思路

1、针对超声导波成像方法的运算效率较低，且成像速度慢的技术问题，本发明提出一种基于fpga的超声导波成像方法，将导波激励波形合成、波形数据采集、波形数据处理、成像运算等过程集中于fpga片内处理，减少数据转存过程，并结合fpga并行运算，同步处理多通道、多像素点的成像计算。相比于现有技术，本发明能够显著提高超声导波成像速度。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于fpga的超声导波成像方法，步骤包括：

3、s1：选择合适的传感器阵列，采用单发全收的方式遍历传感器阵列中所有传感器通道输出激励信号，并利用fpga模块采集所有传感器通道的波形数据；

4、s2：利用fpga模块对传感器通道的波形数据进行预处理，得到预处理后的波形数据，采集基准数据与监测对比数据；

5、s3：基于无损伤的基准数据计算每个传感器收发路径监测对比数据的信号差系数；

6、s4：根据传感器阵列定义成像的像素点，利用像素点组成坐标平面，并基于权重公式计算每个像素点权重；

7、s5：对于每对传感器收发路径，分别计算并得到像素点的损伤概率分布计算结果；

8、s6：基于图像显示范围对损伤概率分布计算结果进行颜色线性映射，输出显示。

9、步骤s1所述选择合适的传感器阵列的具体方法为：

10、当检测物为板状结构时，传感器阵列选用矩形阵列或圆形阵列，当检测物为管状结构时，传感器阵列选用环形阵列。

11、步骤s2所述对传感器通道的波形数据进行预处理的实现方法为：

12、s21：利用fpga模块的带通滤波器对每个波形数据并行执行滤波运算；

13、s22：fpga模块根据每对传感器收发路径的预设时间窗，对每对传感器收发路径的波形数据进行信号窗截取，得到预处理后的波形数据。

14、步骤s21所述滤波器为iir滤波器，iir滤波器的阶数设计为4阶。

15、步骤s22所述预设时间窗为激励信号发射结束后的所有波形数据。

16、步骤s2所述采集基准数据与监测对比数据的具体方法为：

17、首先对无损伤的检测物进行波形数据采集，得到基准数据x，随后，对需要检测的检测物进行实时检测，并进行波形数据采集，得到监测对比数据y。

18、步骤s3所述计算每个传感器收发路径监测对比数据的信号差系数的具体方法为：

19、基于无损伤基准数据x，通过信号差系数公式计算当前每对传感器收发路径波形数据与无损伤基准数据的信号差系数aij，信号差系数公式为：

20、aij＝1-ρij；

21、其中，i表示所选路径的激励传感器，i＝1，2...n，j表示所选路径的接收传感器，j＝1，2...n，ρij为基准数据x和监测对比数据y的信号相关系数，信号相关系数为：

22、

23、其中，cov(x,y)为基准信号x和监测对比信号y之间的协方差，σx为基准信号x的标准差，σy为监测对比信号y的标准差。

24、步骤s4所述基于权重公式计算每个像素点权重的具体方法为：

25、根据传感器阵列中传感器数量定义成像的像素点点数，根据传感器矩阵中各传感器位置定义像素点坐标位置，得到坐标平面，在坐标平面中，每个像素点对应一个像素点坐标，在坐标平面中映射所有传感器坐标；基于每对发射传感器和接收传感器对应像素点在坐标平面内的坐标，计算每个像素点的导波传输距离，使用权重公式计算每个像素点的权重，权重公式为：

26、

27、其中，wij(x,y)为当前计算的传感器收发路径在像素点(x,y)处的权重，rij(x,y)为像素点(x,y)与激励传感器i的距离和接收传感器j的距离和，β为标定因子，标定因子β值根据成像区域的大小设定。

28、步骤s5所述得到像素点的损伤概率分布计算结果的具体方法为：

29、对于每对传感器收发路径，利用损伤概率分布公式分别计算每个像素点权重与信号差系数的乘积得到计算结果，并行计算完所有传感器路径后，将每个像素点的所有计算结果累加得到像素点的损伤概率分布计算结果。

30、所述损伤概率分布公式为：

31、

32、其中，wij(x,y)为当前计算的传感器收发路径在像素点(x,y)处的权重，aij为无损伤基准数据的信号差系数。

33、本发明的有益效果为：本发明通过使用fpga高速采集导波波形数据，并直接在fpga内部进行运算，减少了数据传输过程，使用fpga的并行计算能力进行多通道同步信号预处理，以及多像素点同步成像计算，显著提高超声导波损伤概率分布成像速度，提高现场监测效率。

技术特征：

1.一种基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s1所述选择合适的传感器阵列的具体方法为：

3.根据权利要求2所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s2所述对传感器通道的波形数据进行预处理的实现方法为：

4.根据权利要求3所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s21所述滤波器为iir滤波器，iir滤波器的阶数设计为4阶。

5.根据权利要求4所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s22所述预设时间窗为激励信号发射结束后的所有波形数据。

6.根据权利要求3-5中任意一项所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s2所述采集基准数据与监测对比数据的具体方法为：

7.根据权利要求6所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s3所述计算每个传感器收发路径监测对比数据的信号差系数的具体方法为：

8.根据权利要求7所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s4所述基于权重公式计算每个像素点权重的具体方法为：

9.根据权利要求7或8所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，步骤s5所述得到像素点的损伤概率分布计算结果的具体方法为：

10.根据权利要求9所述的基于fpga的超声导波成像方法，其特征在于，所述损伤概率分布公式为：

技术总结本发明提出了一种基于FPGA的超声导波成像方法，具体步骤为：S1：选择合适的传感器阵列，采用单发全收的方式遍历传感器阵列中所有传感器通道输出激励信号，并利用FPGA模块采集所有传感器通道的波形数据；S2：利用FPGA模块对传感器通道的波形数据进行预处理，采集基准数据与监测对比数据；S3：计算每个传感器收发路径监测对比数据的信号差系数；S4：根据传感器阵列定义成像的像素点，并基于权重公式计算每个像素点权重；S5：对于每对传感器收发路径，分别计算并得到像素点的损伤概率分布计算结果；S6：基于图像显示范围对损伤概率分布计算结果进行颜色线性映射，输出显示。本发明显著提高超声导波损伤概率分布成像速度，提高现场监测效率。技术研发人员：营笑,刘洋,李健,汪照,孙贺受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29