相控陣超聲監(jiān)測(cè)成像與直方圖匹配圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究*

孫亞杰,高 藝,薛瑤環(huán),蔡巖松,相高峰

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué),江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

?

相控陣超聲監(jiān)測(cè)成像與直方圖匹配圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究*

孫亞杰1,2*,高 藝1,2,薛瑤環(huán)1,2,蔡巖松1,2,相高峰1,2

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,南京 210044;2.南京信息工程大學(xué),江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

相控陣超聲監(jiān)測(cè)成像是通過控制Lamb波發(fā)射與接收的時(shí)間延遲而控制其指向,當(dāng)特定方向的Lamb波指向結(jié)構(gòu)中損傷時(shí)形成反射信號(hào),由此監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中損傷;將監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)掃描范圍內(nèi)不同方向上Lamb波信號(hào)的歸一化幅值用二維灰度圖像顯示,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷成像。由于相控陣監(jiān)測(cè)所得原始圖像并不完美,因此,利用直方圖匹配圖像增強(qiáng)方法對(duì)原始圖像進(jìn)行處理,通過劃分損傷圖像的灰度級(jí)、統(tǒng)計(jì)各灰度級(jí)的分布情況、計(jì)算各灰度級(jí)的概率密度函數(shù),得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系,利用原始圖像與輸出圖像各灰度級(jí)的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級(jí),獲得增強(qiáng)圖像。該方法在鋁板、玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證方法的正確性和有效性。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè);相控陣;時(shí)間延遲;損傷圖像;圖像增強(qiáng);直方圖匹配

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)利用集成在結(jié)構(gòu)中的傳感/驅(qū)動(dòng)元件,在線實(shí)時(shí)獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息,結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理方法,提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù),識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài),包括損傷,對(duì)結(jié)構(gòu)的不安全因素,在其早期就加以控制以消除安全隱患或控制安全隱患的進(jìn)一步發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的自診斷,保證結(jié)構(gòu)的安全和降低維修費(fèi)用[1-3]。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種損傷會(huì)引起應(yīng)力集中、裂紋擴(kuò)展,這些以及損傷周圍的邊界都會(huì)引起在結(jié)構(gòu)中傳播的Lamb波信號(hào)的散射和能量的吸收,因此,Lamb波可以作為一種在線監(jiān)測(cè)方法被用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的損傷[4-7]。相控陣超聲監(jiān)測(cè)成像技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成像領(lǐng)域一個(gè)新的發(fā)展方向,超聲相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)[8-11]是通過控制相控陣傳感器陣列中各傳感陣元發(fā)射與接收Lamb波信號(hào)的時(shí)間,而使Lamb波波束指向得以控制,從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向掃描的一種技術(shù)。

然而,由于基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中Lamb波的傳播較為特殊,目前Lamb波相控陣超聲技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較淺顯,從已發(fā)表的研究成果來看,研究過程中還存在難點(diǎn)和問題:①在基于損傷散射信號(hào)的主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)中,激勵(lì)器與傳感器位置固定,激勵(lì)器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出的Lamb波沿著板結(jié)構(gòu)平面各方向傳播,傳感器得到的Lamb波信號(hào)不僅來自損傷散射,還包括了來自激勵(lì)器的信號(hào)和邊界反射信號(hào),且從幅值上看損傷散射信號(hào)要小的多。因此,直接引入相控陣超聲技術(shù)時(shí),由于損傷散射信號(hào)很微弱,即使實(shí)現(xiàn)了聚焦其幅值也會(huì)因?yàn)樾∮谶吔绶瓷浜椭苯觽鞑バ盘?hào)而無法提取。如何應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)獲得損傷散射信號(hào)需要研究。②按照相控陣超聲技術(shù)對(duì)Lamb波波束指向的控制,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果的圖像顯示。雖然監(jiān)測(cè)圖像能夠較為直觀的表征損傷,但傳感器接收的Lamb波信號(hào)中模式混疊,對(duì)損傷散射信號(hào)的成像造成一定的影響,使得圖像質(zhì)量不高。

本文通過分析結(jié)構(gòu)損傷時(shí)散射信號(hào)的特點(diǎn),采用相控陣原理控制信號(hào)的延遲聚焦,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的掃描,識(shí)別結(jié)構(gòu)中損傷。將監(jiān)測(cè)范圍不同角度的Lamb波信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的灰度值采用圖像的形式顯示,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)中目標(biāo)損傷的成像。針對(duì)原始監(jiān)測(cè)圖像的不完美,利用直方圖匹配圖像增強(qiáng)方法對(duì)其進(jìn)行處理,提高圖像的可識(shí)別度。該方法在鋁板、玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證方法的正確性和有效性。

圖1 相控陣監(jiān)測(cè)原理圖

1 相控陣監(jiān)測(cè)原理與成像方法

壓電元件發(fā)射信號(hào)時(shí),遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)點(diǎn)A(R,θ)接收到的信號(hào)為各個(gè)激勵(lì)信號(hào)在板中傳播一定距離后信號(hào)的累加,那么點(diǎn)A接收到的信號(hào)為:

(1)

式中,K1為發(fā)射過程中信號(hào)傳播一定距離后幅值的衰減系數(shù);Se(t)表示激勵(lì)信號(hào);R/c為信號(hào)從坐標(biāo)原點(diǎn)傳播到點(diǎn)A所需要的時(shí)間;c為超聲波在板中的傳播速度;δi(θ)為第i個(gè)壓電元件相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)A的時(shí)間差,其中,δi(θ)=xicosθ/c,i=0～M-1,該時(shí)間差是由第i個(gè)壓電元件相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)A的波程差ξi(θ)=xicosθ所引起的。

由于各壓電元件到達(dá)點(diǎn)A的時(shí)間存在一定差異,則需對(duì)各壓電元件激發(fā)的激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行一定的補(bǔ)償,使各激勵(lì)信號(hào)同時(shí)到達(dá)點(diǎn)A。那么,若對(duì)每個(gè)壓電元件激勵(lì)附加Δti(θ)的時(shí)間延遲,則點(diǎn)A接收到的信號(hào)為:

(2)

式中,如果時(shí)間延遲Δti(θ)與時(shí)間差δi(θ)相等,即:Δti(θ)=δi(θ)=xicosθ/c,i=0～M-1,那么點(diǎn)A(R,θ)接收到的信號(hào)幅值達(dá)到最大,即此時(shí)波束的最大值指向?yàn)棣?點(diǎn)A信號(hào)為:

(3)

要求波束指向?yàn)棣?則各陣元激發(fā)的激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間延遲為:

(4)

由互易性可知,在相同條件下,接收和發(fā)射是一致的,即通過控制時(shí)間延遲,各傳感器可以接收預(yù)定偏轉(zhuǎn)角度方向上的目標(biāo)信息。

信號(hào)波束在監(jiān)測(cè)角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描時(shí),利用接收到的回波信號(hào)幅值進(jìn)行角度測(cè)量,當(dāng)波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí),回波信號(hào)幅值最強(qiáng),當(dāng)目標(biāo)偏離波束時(shí),回波信號(hào)減弱。根據(jù)接收回波信號(hào)最強(qiáng)時(shí)的波束指向,就可確定監(jiān)測(cè)目標(biāo)的方向。

根據(jù)相控陣超聲結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)掃描原理,通過控制信號(hào)的時(shí)間延遲,使其在一定范圍內(nèi)掃描,掃描過程中,當(dāng)Lamb波波束指向損傷目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生損傷散射信號(hào)并反射回各壓電元件,因此壓電元件接收的反射信號(hào)中,損傷方向的信號(hào)幅值最大。以信號(hào)幅值為參數(shù),把掃描范圍內(nèi)不同角度上的傳感器響應(yīng)信號(hào)的幅值按照其對(duì)應(yīng)的角度用圖像的方法顯示出來,即將傳感器響應(yīng)信號(hào)各點(diǎn)幅值映射為圖像矩陣中各點(diǎn)的像素值,則相控陣超聲掃描結(jié)果可以用圖像的方法顯示出來,圖像最亮處即為損傷所在處。這就是相控陣成像監(jiān)測(cè)方法的基本原理。

2 基于直方圖匹配的圖像增強(qiáng)

在實(shí)際應(yīng)用中,需要突出圖像中我們感興趣的灰度級(jí)范圍,有針對(duì)性地增強(qiáng)某個(gè)灰度級(jí)分布范圍內(nèi)的圖像,因此,可以修改圖像的直方圖,使其具有所要求的形狀,這種方法稱為直方圖匹配或直方圖規(guī)定化[12-13]。

設(shè)原始圖像f(x,y)的灰度級(jí)范圍為[min,max],r為此灰度范圍內(nèi)的任一灰度級(jí),P(r)為這幅圖像中灰度級(jí)為r的像素出現(xiàn)的頻率,即P(r)為r的概率密度函數(shù),該函數(shù)的圖像成為這幅圖像f(x,y)的直方圖。為研究方便,將圖像灰度級(jí)r歸一化在[0,1]之間,即0≤r≤1。

對(duì)于離散圖像,灰度級(jí)rk的概率值為:

(5)

式中,n表示圖像中像素的總數(shù),nk表示在圖像中出現(xiàn)某種灰度級(jí)的次數(shù),L表示灰度級(jí)的總數(shù)目,p(rk)為第k級(jí)灰度級(jí)的概率。

對(duì)離散圖像進(jìn)行直方圖匹配處理的過程如下:

①對(duì)原始圖像做灰度變換:

(6)

②對(duì)輸出圖像做灰度變換:

(7)

③對(duì)原始圖像的每個(gè)灰度級(jí)rk選擇一個(gè)輸出圖像的灰度級(jí)zk,選擇規(guī)則是使sr(rk)與sz(zk)最接近,從而得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系。

④利用rk和zk的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級(jí),獲得增強(qiáng)圖像。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中使用的采集系統(tǒng)為多通道壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14-15],圖2為系統(tǒng)框圖。該實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)由數(shù)字I/O控制模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、激勵(lì)波形產(chǎn)生模塊、高頻寬帶功率放大模塊、電荷放大模塊、多通道掃查切換模塊組成。該掃查系統(tǒng)具備I/O控制、數(shù)據(jù)采集、波形產(chǎn)生、信號(hào)放大控制等功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

圖2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

為了驗(yàn)證針對(duì)相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成像的圖像增強(qiáng)方法的有效性與普適性,實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用3種不同材料結(jié)構(gòu),分別為鋁板結(jié)構(gòu)、玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。損傷形式則設(shè)計(jì)為孔洞,質(zhì)量塊加載與專用加載裝置加載。圖3為實(shí)驗(yàn)試件,圖3(a)與圖3(b)為L(zhǎng)F-21M防銹鋁板結(jié)構(gòu),圖3(a)為鋁板實(shí)物圖,圖3(b)為鋁板結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:1 200mm×2 000mm×1.5mm;圖3(c)與圖3(d)為玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),圖3(c)為玻璃纖維復(fù)合材料實(shí)物圖,圖3(d)為玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:2 000mm×1 000mm×3mm;圖3(e)、圖3(f)與圖3(g)為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),圖3(e)為碳纖維復(fù)合材料實(shí)物圖,圖3(f)為加載裝置與CDLG-1高精度S形拉壓力傳感器,圖3(g)為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:1 800mm×1 000mm×2.84mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)試件(單位mm)

組成壓電線陣的各壓電元件直徑為8mm,厚度為0.48mm。監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中坐標(biāo)系以壓電陣列中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn),線陣所在直線為橫軸,壓電元件標(biāo)號(hào)由小到大的方向?yàn)閤坐標(biāo)軸正方向,與之垂直方向?yàn)閥坐標(biāo)軸。

鋁板結(jié)構(gòu)(圖3(a)與圖3(b))中壓電線陣由8個(gè)壓電元件組成,相鄰兩個(gè)壓電元件的中心距離為12mm,8個(gè)壓電元件從上而下的標(biāo)號(hào)依次為0號(hào)～7號(hào)。實(shí)驗(yàn)損傷形式為圓孔,圖3圖(b)中標(biāo)記8mm的圓為鉆孔位置,鉆孔的圓心坐標(biāo)為:(105°,210mm)。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(圖3(c)與圖3(d))中壓電線陣由9個(gè)壓電元件組成,相鄰兩個(gè)壓電陣元的中心間距為12mm,壓電元件的標(biāo)號(hào)從上而下依次為0～8號(hào)。損傷形式是質(zhì)量為0.5kg的質(zhì)量塊加載,其位置為:(78°,125mm)。

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(圖3(e)和圖3(g))中壓電線陣由11個(gè)壓電元件組成,相鄰兩個(gè)壓電元件的中心間距為10mm,壓電元件的標(biāo)號(hào)從左至右依次為0～10號(hào)。實(shí)驗(yàn)利用加載裝置加載,利用CDLG-1高精度S形拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)加載的載荷大小,碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)利用加載裝置加載35kg的載荷位置為:(140°,85mm)。

3.2 相控陣監(jiān)測(cè)成像信號(hào)處理

圖4 激勵(lì)信號(hào)

驅(qū)動(dòng)器激發(fā)的激勵(lì)信號(hào)為5波峰窄帶正弦調(diào)制信號(hào),中心頻率為40kHz,峰峰值為±5V。實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為1.6MHz,激勵(lì)信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻為0.196ms,如圖4所示。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在不同方向上激發(fā)的激勵(lì)信號(hào)是通過基準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過時(shí)間延遲得到的,控制時(shí)間延遲即控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)器在不同監(jiān)測(cè)角度激發(fā)激勵(lì)信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間。時(shí)間延遲是根據(jù)作為驅(qū)動(dòng)器的壓電元件的標(biāo)號(hào)與監(jiān)測(cè)角度計(jì)算得到,將不同驅(qū)動(dòng)器不同方向計(jì)算得到的時(shí)間延遲附加于基準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)中得到每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在不同方向的激勵(lì)信號(hào)。

在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下采集數(shù)據(jù),得到結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下傳感器響應(yīng)信號(hào)和損傷狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號(hào)。結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號(hào)作為參考信號(hào),損傷狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號(hào)與之相比較得到損傷散射信號(hào),損傷散射信號(hào)是由于損傷的存在而產(chǎn)生的。

圖5 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中Lamb波波速

圖6 損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果原始圖像

每個(gè)角度上經(jīng)過時(shí)間延遲的損傷散射信號(hào)累加得到該方向的合成信號(hào)。把0～180°范圍內(nèi)歸一化合成信號(hào)絕對(duì)值包絡(luò)的幅值按照其角度用灰度的形式表示在同一個(gè)圖上得到損傷圖像,如圖6所示。圖中橫、縱坐標(biāo)代表位置,不同點(diǎn)的灰度對(duì)應(yīng)該點(diǎn)信號(hào)的相對(duì)幅值,灰度的從暗到亮代表信號(hào)幅值的從弱到強(qiáng),圖中亮點(diǎn)表示損傷,幅值最大處為損傷位置的中心點(diǎn)。圖6(a)為鋁板鉆孔監(jiān)測(cè)圖像,監(jiān)測(cè)結(jié)果為:(107°,217 mm),實(shí)際鉆孔位置為:(105°,210 mm),角度誤差和距離誤差為:(2°,10 mm);圖6(b)為玻璃纖維復(fù)合材料加載質(zhì)量塊監(jiān)測(cè)圖像,監(jiān)測(cè)結(jié)果為:(77°,122 mm),實(shí)際損傷位置為:(78°,125 mm),角度誤差和距離誤差為:(1°,4 mm);圖6(c)為碳纖維盒段結(jié)構(gòu)利用加載裝置加載監(jiān)測(cè)圖像,監(jiān)測(cè)結(jié)果為:(139°,84 mm),實(shí)際加載載荷位置為:(140°,85 mm),角度誤差與距離誤差為:(1°,3 mm)。

其中,監(jiān)測(cè)結(jié)果的角度誤差是監(jiān)測(cè)損傷位置與真實(shí)損傷位置的角度相減,而距離誤差是通過余弦定理計(jì)算得出的,即:

(7)

式中,Δθ為監(jiān)測(cè)損傷與真實(shí)損傷之間的角度誤差,θm為監(jiān)測(cè)損傷位置的角度,θr為實(shí)際損傷位置的角度,Δr為監(jiān)測(cè)損傷與真實(shí)損傷之間的距離誤差,rm為監(jiān)測(cè)損傷位置的距離,rr為真實(shí)損傷位置的距離。

圖7 直方圖匹配對(duì)比度增強(qiáng)后鋁板損傷監(jiān)測(cè)圖像

3.3 直方圖匹配圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)分析

由各監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的相控陣掃描成像結(jié)果圖6可以看到,圖像的對(duì)比度低,噪聲信號(hào)的幅值較大,圖6(a)監(jiān)測(cè)圖像對(duì)比度尤其低,雖然沒有使損傷的定位出現(xiàn)錯(cuò)誤,但使得超聲相陣掃描識(shí)別圖像的顯示不突出,因此,利用直方圖匹配圖像增強(qiáng)方法對(duì)其進(jìn)行圖像處理,提高圖像的可識(shí)別度,使監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示清晰,為使圖像增強(qiáng)前后的對(duì)比形象化,同時(shí)說明直方圖匹配圖像增強(qiáng)方法的有效性,利用該方法處理后的圖像如圖7所示。

以圖6(a)鋁板結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)圖像為例說明直方圖匹配圖像增強(qiáng)過程。圖6(a)是一幅181×886的圖像(181為掃描角度個(gè)數(shù),886為每個(gè)方向歸一化合成信號(hào)絕對(duì)值包絡(luò)參與成像的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)),歸一化圖像灰度值為0～1,圖像中像素的灰度值可能為[0,1]范圍內(nèi)任意值,為統(tǒng)計(jì)方便,將[0,1]范圍的灰度值進(jìn)行劃分,每隔0.1劃分為一個(gè)灰度級(jí),將灰度級(jí)附近的灰度值歸類,其中灰度級(jí)的劃分如下:0(0～0.05)、0.1(0.05～0.15)、0.2(0.15～0.25)、0.3(0.25～0.35)、0.4(0.35～0.45)、0.5(0.45～0.55)、0.6(0.55～0.65)、0.7(0.65～0.75)、0.8(0.75～0.85)、0.9(0.85～0.95)、1(0.95～1)。

②按式(6)對(duì)原始圖像做灰度變換的結(jié)果sr(rk)如表2所示。

③按式(7)對(duì)輸出圖像做灰度變換的結(jié)果sz(zk)如表2所示。

④根據(jù)使sr(rk)與sz(zk)最接近的規(guī)則,對(duì)原始圖像的灰度級(jí)rk選擇輸出圖像的灰度級(jí)zk,這個(gè)直方圖匹配處理的變換關(guān)系如表3所示。

⑤根據(jù)表3中圖像灰度級(jí)的變換關(guān)系,對(duì)原始圖像的像素進(jìn)行灰度變換,從而得到直方圖匹配處理后的增強(qiáng)圖像,結(jié)果顯示如圖7(a)所示。圖像處理后,其灰度的概率密度函數(shù)如表4所示

玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)原始圖像圖6(b)與圖6(c)經(jīng)過直方圖匹配處理后的對(duì)比度增強(qiáng)的圖像如圖7(b)與圖7(c)所示。

對(duì)比直方圖匹配處理前后的圖像圖6與圖7可以看出,經(jīng)過直方圖匹配處理后圖像灰度級(jí)有所減少,使某些細(xì)節(jié)消失,但是圖像的對(duì)比度明顯加強(qiáng),損傷監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示也更加清晰,達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。

表1 灰度分布情況

表2 灰度變換結(jié)果

表3 匹配的灰度變換關(guān)系

表4 增強(qiáng)后圖像概率

4 結(jié)論

利用相控陣原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別,根據(jù)損傷散射信號(hào)特點(diǎn),采用相控陣原理控制信號(hào)的延遲聚焦,實(shí)現(xiàn)損傷定位。采用二維灰度圖像的形式直觀顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果,圖像中灰度的從暗到亮對(duì)應(yīng)信號(hào)幅值的從小到大,灰度最亮處即為結(jié)構(gòu)損傷所在處。針對(duì)相控陣監(jiān)測(cè)圖像對(duì)比度不高的情況,采用直方圖匹配圖像增強(qiáng)方法將損傷圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng),通過劃分損傷圖像的灰度級(jí),統(tǒng)計(jì)各灰度級(jí)的分布情況,計(jì)算各灰度級(jí)的概率密度函數(shù),得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系,利用原始圖像與輸出圖像各灰度級(jí)的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級(jí),獲得增強(qiáng)圖像,提高損傷圖像的可識(shí)別度。

[1]袁慎芳.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[2]季賽,黃麗萍,孫亞杰.面向無線傳感結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓縮感知方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(12):1740-1746.

[3]謝建宏.壓電智能結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的最小二乘支持向量機(jī)方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(1):164-167.

[4]Fromme P.Structural Health Monitoring of Plates with Surface Features Using Guided Ultrasonic Waves[C]//Proc of SPIE 2009,7295:1-8.

[5]Liu Y,Wang Y M,Shen C J,et al.Damage Detection for Plate-Like Structure Based on Lamb Wave and Time-Reversal Theory[C]//2012 5th International Congress on Image and Signal Processing,2012:1778-1781.

[6]Zhang Xiaoyue,Yuan Shenfang,Liu Menglong,et al.Analytical Modeling of Lamb Wave Propagation in Composite Laminate Bonded with Piezoelectric Actuator Based on Mindlin Plate Theory[J].Journal of Vibroengineering,2012,14(4):1681-1700.

[7]Marcus Engholm,Tadeusz Stepinski.Adaptive Beamforming for Array Imaging of Plate Structures Using Lamb Waves[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2010,57(12):2712-2724.

[8]Yu L Y,Bottai S G,Giurgiutiu V,et al.Shear Lag Solution for Tuning Ultrasonic Piezoelectric Wafer Active Sensors with Applications to Lamb Wave Array Imaging[J].International Journal of Engineering Science,2010,48(10):848-861.

[9]Giurgiutiu V.Development and Testing of High-Temperature Piezoelectric Wafer Active Sensors for Extreme Environments[J].Structural Health Monitoring,2010,9(6):513-525.

[10]孫亞杰,張永宏,袁慎芳,等.無參考Lamb波相控陣結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)成像方法[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013,30(6):122-127.

[11]Purekar A S,Pines D J.Damage Detection in Thin Composite Laminates Using Piezoelectric Phased Sensor Arrays and Guided Lamb Wave Interrogation[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2010,21(10):995-1010.

[12]盛道清.圖像增強(qiáng)算法的研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2007.

[13]Acharya T,Ray A K.Image Processing Principles and Applications[M].Published by John Wiley and Sons,Inc.,Hoboken,New Jersey,2005:105-217.

[14]Qiu L,Yuan S F.On Development of a Multi-Channel PZT Array Scanning System and Its Evaluating Application on UAV Wing Box[J].Sensors and Actuators A,2009,151:220-230.

[15]邱雷,袁慎芳.集成壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用[J].壓電與聲光,2008,30(1):39-42.

Experimental Research on Phased Array Ultrasonic Monitoring Imaging and Histogram Matching Based Image Enhancement*

SUNYajie1,2*,GAOYi1,2,XUEYaohuan1,2,CAIYansong1,2,XIANGGaofeng1,2

(1.Jiangsu Engineering Center of Network Monitoring,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

he Lamb wave can directionally monitor the structure.The time delay of the signal is controlled in the process of transmitting and receiving.The normalized amplitudes of the scanning signals are drawn on a two-dimensional gray image to get the structural damage image.The original damage image is not perfect.The histogram matching image enhancement method is used to improve the image recognition.Firstly,the gray level of the damage image is divided and the probability density function of the gray level is calculated.Secondly,the final gray transform relationship processed by histogram matching is gotten.Finally,the gray level of the original image is modified according to the gray level mapping relationship between the original image and the output image to obtain the contrast enhancement image.The method is conducted in the aluminum structure,the glass fiber-reinforced polymer and the carbon fiber-reinforced polymer to verify its correctness and effectiveness.

structural health monitoring;phased array;time-delay;damage image;image enhancement;histogram matching

孫亞杰(1980-),女,山東濰坊人,博士,講師,主要研究方向?yàn)橄嗫仃嚱Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、信號(hào)信息處理等,syj@nuist.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305211);2014年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(省級(jí)指導(dǎo))項(xiàng)目(201410300087);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目

2014*07-28 修改日期:2014-11-13

C:7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.016

TB553

A

1004-1699(2015)01-0086-07