激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法及相关装置

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法及相关装置。

背景技术：

1、激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,lpbf)增材制造(additivemanufacturing,am)工艺，又称选择性激光熔化(selective laser melting,slm)，通过使用高功率激光束实现金属粉末材料的选择性熔化，同时逐层累积以构建计算机模型设计的金属构件。在过去的几年中，该项工艺为复杂精密金属零件的设计生产提供了创造性范例，由于其在制造灵活性、材料节约、研制周期、复杂结构成形和组织性能等方面的独特优势，该技术在航空航天、军事国防、汽车工业、生物医疗等行业获得了广泛的关注和应用。尽管该技术优势显著，但其在质量一致性和过程可重复性方面仍面临着严峻挑战，该过程中激光与粉末剧烈的相互作用中的快速熔化和凝固过程会发生极其复杂的熔池动力学过程，不适合的工艺参数会使熔池的流动性不稳定，最终导致缺陷的形成。特别是该过程极易产生难以预测的孔隙缺陷，这严重限制了其应用范围并阻碍了其更广泛的工业应用。现场过程实时监控是一种很有前途的解决方案，也是确保增材制造成功的关键。因此，对该过程进行现场监控很有必要。

2、声学监测技术已被证明是一种可行的方案，并因其传感器的高灵敏度、低成本和优越的设备兼容性受到了广泛的关注。该技术不仅可以实时监测激光粉末床熔融过程熔池动力学及其体积动态相关的信息，而且能够获得有关熔化、凝固、裂纹扩展和孔隙产生等复杂的物理过程信息，已被广泛应用于激光焊接过程的质量监测。现阶段，声学监测方法在激光增材制造领域的研究有限，由于激光增材过程是一个远复杂于焊接过程的复杂几何形状的逐层累积成形过程，因此，其涉及的工艺过程和缺陷声学信号更为复杂，相关研究也更具挑战性。激光粉末床熔融过程声学信号产生机制非常复杂，通过信号处理方法从信号中提取反应目标属性的特征是基于声学监测技术的lpbf过程监测中最重要的部分。通过有效的声学信号处理实现可靠的特征提取是建立空气传播声发射和激光粉末床熔融缺陷相关性的关键和实现激光粉末床熔融缺陷精准监测的前提。目前，lpbf过程声学监测仍存在以下问题：一方面，lpbf声学监测场景非常复杂，难以通过原始声学信号直接获取高质量缺陷特征以实现缺陷可靠区分；另一方面，传统时频分析方法无法兼顾信息特征与lpbf工艺-缺陷-信号相关性机制，难以实现缺陷特征信息的可解释精准表达。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法及相关装置，能够使物理合理的激光粉末床熔融声信号缺陷信息表达更为丰富和清晰，从而提高缺陷信息表达的可信度和缺陷特征描述的精准性，并有助于激光粉末床熔融过程缺陷声学监测准确率。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、根据本发明的第一方面，提供一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法，包括：

4、获取激光粉末床熔融增材制造过程伴随产生的空气传播声发射信号；

5、将所述空气传播声发射信号通过预加重滤波器进行高频物理信息数据增强；

6、将所述高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号进行离散傅里叶变化，得到空气传播声发射信号的频谱序列信号；

7、从所述频谱序列信号中提取关键低频序列信号和关键高频序列信号，并按照原有频谱序列顺序对所述关键低频序列信号和所述关键高频序列信号进行重构，得到一维关键频谱序列信号；

8、将所述一维关键频谱序列信号通过改进的灰度化映射方法转换为二维关键频谱序列灰度映射图像；

9、将所述二维关键频谱序列灰度映射图像进行灰度映射特征对比增强，得到关键频谱序列灰度化增强映射图像。

10、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述从所述频谱序列信号中提取关键低频序列信号和关键高频序列信号，具体为：

11、

12、所述按照原有频谱序列顺序对所述关键低频序列信号和所述关键高频序列信号进行重构，得到一维关键频谱序列信号，具体为：

13、

14、式中，kstart和kend分别为关键低频序列信号或关键高频序列信号的起始频率fstart和终止频率fend对应的序列值；l是关键低频序列信号；h是关键高频序列信号；fs是采样频率；z[n]为时间窗口长度为n的一维关键频谱序列信号；q为关键低频序列信号的数据长度；m为关键高频序列信号的数据长度。

15、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述将所述一维关键频谱序列信号通过改进的灰度化映射方法转换为二维关键频谱序列灰度映射图像，包括：

16、将所述一维关键频谱序列信号通过滑动窗口r和频谱序列尺度因子δ依次填充转换灰度矩阵的行，通过补零技术保证矩阵尺寸大小为r×r，并进行标准化处理使其像素值始终保持在0-255，具体为：

17、

18、式中，p(x,y)是二维关键频谱序列灰度映射图像坐标(x,y)的像素点值；round{·}为舍入函数。

19、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述预加重滤波器为一阶数字高通滤波器，具体为：

20、h[n]＝x[n]-αx[n-1]

21、式中，x[n]为时间窗口长度为n的空气传播声发射信号；α为预加重系数；h[n]为时间窗口长度为n的高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号。

22、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述将所述高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号进行离散傅里叶变化，具体为：

23、

24、式中，k为高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号的频谱序列信号x[k]的序列值；h[n]为时间窗口长度为n的高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号；ν为h[n]的长度。

25、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述关键低频序列信号对应的频率范围为5khz～20khz，所述关键高频序列信号对应的频率范围为35khz～50khz。

26、在第一方面的一种可能的实现方式中，所述将所述二维关键频谱序列灰度映射图像进行灰度映射特征对比增强，包括：

27、采用gamma算法将所述二维关键频谱序列灰度映射图像进行灰度映射特征对比增强，具体为：

28、

29、式中，iin是二维关键频谱序列灰度映射图像的像素值；iout是经过gamma灰度映射后关键频谱序列灰度化增强映射图像的灰度像素值；γ是gamma矫正系数。

30、根据本发明的第二方面，提供一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理装置，包括：

31、获取模块，用于获取激光粉末床熔融增材制造过程伴随产生的空气传播声发射信号；

32、高频增强模块，用于将所述空气传播声发射信号通过预加重滤波器进行高频物理信息数据增强；

33、变化模块，用于将所述高频物理信息数据增强后的空气传播声发射信号进行离散傅里叶变化，得到空气传播声发射信号的频谱序列信号；

34、重构模块，用于从所述频谱序列信号中提取关键低频序列信号和关键高频序列信号，并按照原有频谱序列顺序对所述关键低频序列信号和所述关键高频序列信号进行重构，得到一维关键频谱序列信号；

35、转换模块，用于将所述一维关键频谱序列信号通过改进的灰度化映射方法转换为二维关键频谱序列灰度映射图像；

36、对比增强模块，用于将所述二维关键频谱序列灰度映射图像进行灰度映射特征对比增强，得到关键频谱序列灰度化增强映射图像。

37、根据本发明的第三方面，提供一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法的步骤。

38、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述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实现所述的一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法的步骤。

39、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

40、本发明提供的一种激光粉末床熔融过程声学监测信号处理方法，结合声学信息特征与lpbf工艺-缺陷-信号相关机制进行了高频物理信息数据增强和一维关键频谱序列信号重构，一方面，高频物理信息数据增强避免了lpbf声学信号缺陷强相关的关键高频信息的缺失和噪声的影响；另一方面，物理机理驱动的一维关键频谱序列信号重构实现了空气传播声发射信号频谱序列的数据简约，在降低信息冗余性的同时增强了缺陷强相关信息的可信表征，有助于缺陷特征的可解释性精准表达。同时，本发明采用改进的灰度化增强映射策略将一维关键频谱序列信号转换为执行高效、具有丰富物理合理缺陷信息表达和关键缺陷强相关特征映射的二维关键频谱序列灰度化增强映射图像，不仅在物理合理的缺陷特征直观表达的基础上通过灰度图像实现了水平和竖直方向上相邻像素间有价值关联缺陷信息的突出反馈，而且实现了灰度映射特征的对比增强，有利于提高声学监测的准确率。

41、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。