阵列宽带Lamb波在结构损伤检测中的应用

阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,于是通过采集在结构上布置的阵列传感器Lamb波信号用来检测损伤发生的位置。通常,大多数空间谱估计方法均以窄带信号为假定,在很多基于Lamb波的结构损伤检测中,为了减小频散特性的影响,大多数研究以Lamb波为窄带信号进行分析,但无限窄的激励信号是物理不可实现的。因此,其在多数情况下Lamb波信号并不符合窄带信号假定,更应被认为是一种宽带信号来进行处理。进而利用空间谱估计中宽带信号非相干子空间处理方法（Incoherent Signal Subspace Method,ISM）中阵列接收的宽带Lamb波信号进行处理,检测出结构发生单一损伤时的损伤位置。随后,当结构损伤与边界反射波有叠加时会引起损伤信号相干,采用宽带信号相干子空间方法（Coherent Signal Subspace Method,CSM）对损伤位置进行检测,得到了较好的结果。     

碳纤维复合材料层板冲击损伤的空气耦合兰姆波成像检测

非接触式超声兰姆波方法能够对大面积复合材料板材进行快速检测,在自动成像检测上有着突出的优势。针对碳纤维/树脂基复合材料(CFRP)层压板采用空气耦合超声探头激励出A0模态兰姆波。在含冲击损伤的层板试样的同一侧激发和接收兰姆波进行扫描检测,针对冲击损伤区域以互相正交的两个方向进行兰姆波扫查,获得了不同位置的检测信号。对比在有无缺陷处板材中兰姆波传播信号的特征,对采集信号进行频域分析,以无缺陷处信号值为基准,利用信号差异系数(SDC)作为特征值,将扫查信号数据采用特征值全加和全乘的数据融合方法进行了缺陷形貌重构成像。成像结果能够良好的体现出冲击损伤的位置和两个方向的尺寸大小。     

主动Lamb波结构健康监测中信号增强与损伤成像方法

 主动Lamb波结构健康监测技术研究中,损伤散射信号的信噪比是正确稳定地监测出损伤的关键。针对真实工程结构,尤其是针对复合材料板结构健康监测时存在的信号信噪比低下问题,提出了基于时间反转聚焦原理的信号增强与损伤成像方法。根据Lamb波信号传播自身的特性,通过聚焦的方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在碳纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能有效提高有用信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、范围等特征。     

复合材料胶接损伤的指数监测方法

为了监测复合材料胶接损伤,基于主动Lamb波和时频分析,提出了一种复合材料损伤监测的指数法。通过对Lamb波信号进行时频分析,提取波形包络。通过计算得到损伤散射信号,选取对损伤敏感的直达波波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示。该方法不用选择特定的Lamb波模式,解决了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难。同时在复合材料胶接的损伤演化试验中,对该方法进行了应用验证研究。结果表明:该方法可以用于复合材料胶接损伤的定性和定量分析。     

基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要，发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性，并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法，以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明，压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系，提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。     

无参考主动Lamb波结构损伤时反成像监测方法

主动Lamb波损伤监测中的差信号方法获取损伤散射信号容易受到结构和环境等外界因素的影响。针对该问题,提出了无参考信号的损伤成像定位和监测方法;研究了回波式压电阵列的布置方法,并设计采用时间反转窗函数,清除Lamb波监测信号中的直接传播信息和边界反射信号,以截取出内部散射信号;通过控制压电阵列布局、设置窗函数等技术条件,基于时间反转理论中对波源的自适应聚焦原理,直接利用当前状态下的传感信号实现对结构损伤的实时成像、定位与评估,不再需要健康信号作为参考。在玻璃纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能较为准确地实时监测出损伤的位置、范围等特征。     

基于Lamb波相控阵和图像增强方法的损伤监测

利用Lamb波和超声相控阵理论对结构进行损伤监测。选择合适的低频窄带激励信号,产生单一模式Lamb波,结合超声相控阵技术对结构进行多方位监测。针对原始损伤图像不完美的问题,研究基于点运算的对比度增强方法,改善图像质量,提高图像的可识别度和分辨率。在复合材料板结构和铝板结构中针对不同损伤类型的实验研究证明,运用图像增强技术后的损伤图像表征清晰、识别度高。     

基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

复合材料在航空结构中的应用越来越广,但其遭受外界物体冲击后很容易在内部产生表面不可见损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线监测十分必要。基于压电传感器（PTZ）和Lamb波的冲击定位方法是目前的研究热点,但是Lamb波信号在复合材料结构中传播的各向异性给冲击定位带来了困难。本文将空间滤波器算法推广到复合材料结构的冲击监测应用中,研究了与波速无关的空间滤波器冲击定位原理,提出了基于二维线性压电传感器阵列和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法。该方法首先采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波解析信号;然后利用波速无关的空间滤波器算法计算出结构冲击相对于各条线性压电传感器阵列的角度;最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。验证结果表明：该方法可以实现对复合材料结构的冲击进行不依赖信号传播速度的定位,定位误差小于1 cm。     

激光超声技术在复合材料检测中的应用

激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波,可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题,南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数,进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估,取得了理论和试验验证上的进展,为航空领域的复合材料无损检测技术提供了新方法。     

基于导波传播模型的MUSIC损伤识别算法

针对结构健康监测领域的损伤近场定位问题,提出了适用于复合材料结构损伤识别的近场二维多重信号分类（MUSIC）损伤识别算法。该损伤识别算法将导波传播模型引入近场二维MUSIC损伤识别模型,构造损伤散射信号与实验差信号的互相关矩阵,通过信号子空间与噪声子空间正交特性构造近场二维MUSIC空间谱。通过数值仿真和实验验证了所提出的损伤识别算法能够有效地识别复合材料结构损伤位置信息,具有很高的定位精度和分辨率。针对飞机垂直尾翼的加强筋结构对导波传播特性影响较大的问题,提出了分区域监测的损伤检测策略,并利用基于导波传播模型的二维MUSIC空间谱损伤识别算法成功地识别飞机垂直尾翼结构损伤,实现了复杂复合材料结构损伤识别的工程验证。     

A Lamb wave quantification model for inclined cracks with experimental validation

This paper investigates the influence of crack orientation on damage quantification using Lamb wave in plate structures. Finite element simulation is performed to acquire Lamb wave signal responses for different configurations of crack orientations and crack lengths. Two Lamb wave features, namely the normalized amplitude and the phase change, are used as damage sensitive features to develop a crack size quantification model. A hypothesis based on the geometrical influence on signal features is proposed, and the crack size quantification model incorporating the orientation angle is established using the hypothesis. An index of Probability of Reliable Quantification (PRQ) is proposed to evaluate the performance of the model. The index can be used to determine the sizing risk in terms of probabilities. A realistic aluminum plate is used to obtain the experimental data using piezoelectric (PZT) wafer-type sensors around a center through crack. The experimental data are used to validate the overall method. Results indicate that the proposed model can yield reliable results for size quantification of inclined cracks.     

Lamb波传播特性研究

应用三维弹性理论对Lamb波频散曲线进行理论建模.在Lamb波主动监测系统中,应用Gabor小波变换理论分析Lamb波信号的时延及相位角,获得了板中Lamb波的相群速度频散曲线.比较理论曲线与实验数据,证明了三维弹性理论建模方法的有效性.     

三种时频分析在复合材料无损检测中的应用

随着复合材料的广泛应用和现代信号处理技术的发展,时频分析方法已广泛应用于各类复合材料的损伤检测。将短时傅立叶变换、小波变换和黄氏变换三种时频分析技术经过Matlab编程,结合Lamb波应用于玻璃纤维增强的复合材料层合板的无损检测,并对三种时频结果进行比较与分析。结果表明：上述三种时频分析方法都能进行复合材料的损伤判定,但黄氏变换方法的分析精度更高。     

基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合

 在飞机结构上,复合材料结构大量应用。该种材料结构容易受到外界冲击而产生内部脱层等损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线结构健康监测是十分必要的。为了克服信号在复合材料结构中传播存在的频散、多种模式及模式转换的现象给冲击定位带来的困难,研究了一种基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合材料结构多源冲击成像定位方法。分析了信号的时间反转聚焦原理,在此基础上,提出了冲击响应信号时反合成成像方法。针对宽带的冲击响应信号,利用Shannon复数小波变换提取冲击响应信号中特定尺度下的信号成分参与到成像过程中。整套方法在碳纤维复合材料层合板上得到了验证。验证结果表明该方法能够正确地对冲击监测区域中的多个冲击源进行成像和定位,冲击定位误差不超过2 cm。     

固体火箭发动机多层粘接结构超声图像诊断

针对固体火箭发动机的钢壳、绝热层、衬层、推进剂多层粘接结构的粘接质量检测问题,利用聚焦探头采用斜声束液浸反射回波法,选用往返透射率高的板波模式,特别是采用了双模式检测技术以提高检测信号能量,获得有效检测信号,并开发出了检测系统。通过一次C扫描获得了双层包覆三个界面粘接质量诊断图像,其脱粘检测分辨率≤Φ5 mm。采用聚集探头双模式检测技术实现了固体火箭发动机多层粘接结构超声图像诊断。     

基于液晶光阀的动态红外场景仿真研究

介绍了基于液晶光阀的动态红外场景仿真系统构成,分析了液晶光阀的波长变换和空间调制机理。对反映红外场景仿真效果主要因素(光谱输出特性、时间响应特性和空间分辨力)进行了理论分析和研究。利用优化设计液晶光阀参数构建的动态红外场景仿真样机,测量其光谱输出特性、时间响应特性和空间分辨力,结果表明,仿真系统的输出光谱可覆盖中波和长波红外波段,可实现帧频70Hz,系统空间分辨力优于10 lp/mm(受红外光学系统和红外热像仪分辨力限制)。     

主动Lamb波监测技术中的传感元件优化布置研究

研究了应用主动Lamb波对复合材料结构试件进行损伤检测时的压电元件的布置优化问题.首先,通过实验选取了不同中心频率的激励信号对结构板进行激励,根据Lamb波响应信号的分析结果对各个压电元件之间的距离进行优化;其次,通过计算S0模式Lamb波的群速度获得边界反射的到达时间,将计算得到的边界反射信号的发生时刻与实际情况进行对比,结果吻合一致,据此可对压电元件进行抑制边界反射影响的优化布置.将压电元件的优化布置应用在具体的损伤检测实验中,实现了复合材料上的一维结构脱层损伤定位.     

层状固体结构表面性质的非线性兰姆波定征方法

提出用非线性兰姆波方法定征层状固体结构的表面性质,分析了层状固体结构表面性质变化对兰姆波二次谐波发生效应产生的影响。基于Ritec-SNAP系统建立了非线性兰姆波实验系统,当表面的覆层面积和覆层厚度发生变化时,在兰姆波具有强烈非线性效应的条件下,测量了兰姆波的基波及二次谐波的幅频曲线,结果显示表面性质的微小变化将显著地影响到兰姆波的二次谐波发生效率。借鉴声-超声技术中的应力波因子方法,定义了兰姆波应力波因子,实验结果表明,利用兰姆波二次谐波的应力波因子可对层状固体结构表面性质的变化情况进行准确定征。     

一种孔径和频率二维稀疏的步进频SAR成像方法

 步进频率信号(SFWs)在不增加雷达系统瞬时带宽的情况下能够获得高的距离向分辨率的同时,也存在着抗干扰能力较差及其等效重复频率较低的问题,并且在方位向积累时间内由于雷达载机工作状态的变化,会导致方位向的数据录取不完整。针对上述问题,提出一种孔径和频率二维稀疏的步进频合成孔径雷达(SAR)成像方法。首先,分析了稀疏步进频率信号(SSFWs)的SAR成像模型,然后基于压缩感知理论完成距离向成像处理。其次,针对稀疏孔径的回波数据,通过构造成像算子和压缩感知重建模型的方法实现其距离徙动校正和方位压缩处理,进而获得二维成像结果。相比于传统的步进频率信号SAR成像,利用所提方法能够在少量的频率资源和雷达回波数据情况下实现准确的SAR成像。最后,通过对仿真和实测的步进频率雷达数据进行成像处理,验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于压缩感知的频率和DOA联合估计算法

波达方向（DOA）估计是阵列信号处理的一个重要问题,针对信号的DOA估计问题,本文基于压缩感知理论,提出了一种新的频率和角度联合估计算法。首先利用方向波数的空间稀疏性,建立过完备稀疏字典,然后利用压缩采样阵列结构通过求解最优化问题得到方向波数的高分辨估计,最后利用最优空域滤波实现信号到达角度和频率的配对。相对于传统算法,该算法能够实现多信号DOA的高分辨估计,且经过压缩采样后降低了运算量,仿真验证了该算法的正确性与有效性。