激光激發(fā)模式下超聲信號與結構健康狀態(tài)的相關性研究進展①

姚 東,高 波,何 兵,高貴龍,岳猛猛*

(1.火箭軍工程大學,西安 710025;2.上海航天技術研究院,上海 201109;3.中國科學院 西安光學精密機械研究所,中國科學院 超快診斷技術重點實驗室,西安 710119)

0 引言

結構監(jiān)檢測領域多年來將超聲檢測作為研究重點,相繼發(fā)展了基于壓電效應的介質耦合超聲、空氣耦合超聲以及貼片超聲等接觸式方案,并在航空航天、交通運輸、能源化工等領域[1-7]開展了廣泛應用。超聲檢測的技術流程可分解為超聲的受激激發(fā)、超聲的結構傳導、結構的信號測量,以及信號與結構健康狀態(tài)的相關性研究。

對于超聲信號與結構健康狀態(tài)的相關性研究,其核心是建立信號(電壓、位移等)對健康狀態(tài)(缺陷、損傷、材料性能退化等)的表征模型,為結構的運行可靠性評估、使用安全性評價等提供輸入。接觸式超聲檢測的表征建模以掃描成像為主:通過多點位、陣列化的超聲激發(fā)-信號測量,以圖像方式對結構內部的缺陷進行直觀展示[8-9]。隨著微小缺陷探測的需求不斷涌現(xiàn),進一步發(fā)展了相控陣成像等表征技術[10-11]。

近年來,高品質脈沖激光器等激光器件取得長足發(fā)展,推動了熱彈效應下激光-物質作用機制與超聲檢測技術的融合[12-15],從而催生了激光激發(fā)+壓電測量等半接觸激光超聲方案,以及激光激發(fā)+激光測量等非接觸激光超聲方案。相比于傳統(tǒng)的接觸式超聲檢測,激光激發(fā)+激光測量等超聲檢測無需粘貼傳感器或將探頭貼近結構,可應用于高溫、輻照等極端條件,并滿足大范圍推掃等應用需求,其不足在于:激光單色相干制約了束斑調制的能力,導致超聲的時頻模式受限,結構損傷閾值則限制了脈沖激光的能量,導致超聲的信號強度不足。

本文聚焦結構健康狀態(tài)的高分辨表征需求,從激光超聲技術原理出發(fā),概述典型應用情況,梳理論述激光激發(fā)模式下超聲信號與結構健康狀態(tài)相關性研究的難點,分析總結當前普遍運用的成像和解析兩類方法,并針對性提出重點開展的工作等建議。

1 激光超聲技術

1.1 激光超聲的技術原理以及發(fā)展概況

(1)技術原理

激光與物質相互作用的物理基礎是激光向結構的能量傳遞。當激光照射在物質表面時,一部分激光被反射,剩下部分進入材料內部并引起光化學過程[16]和光熱過程[17]。光化學過程打斷化學鍵使物質發(fā)生變化,主要應用于光刻等技術領域。光熱過程中,物質吸收光子,溫度上升。

光熱過程通過電子和晶格的相互作用,實現(xiàn)激光與物質的能量傳遞,按能量傳遞后溫度上升的程度,進一步分為熱蝕效應和熱彈效應。熱蝕效應下,物質發(fā)生熔化甚至氣化,表現(xiàn)為質量損失、局部結構缺損;熱彈效應下,溫度升高、能量積累的程度不足以產生融化或氣化。光熱過程的時間特性表述如下[18-19]:

階段1:電子吸收光子后,在大致10-13s時間內達到準熱平衡狀態(tài);階段2:10-13～10-12s時間內,電子能量的弛豫過程;階段3:10-12s之后進入聲子動力學階段,被吸收能量分布接近熱平衡狀態(tài);階段4:在10-11s量級,能量在晶格間進一步擴散。若激光的時域分布滿足一定條件,上述4個階段在各脈沖之間循環(huán),形成超聲的激光激發(fā)效應:材料表面因激光的熱彈效應形成瞬態(tài)溫度場,瞬態(tài)溫度場導致熱膨脹,從而形成瞬態(tài)位移場并激發(fā)超聲。

(2)發(fā)展概況

激光超聲檢測發(fā)端于1963年WHITE提出的利用脈沖激光在固體材料中激發(fā)超聲波的理論,ROSE等通過點狀激光源在金屬表面激發(fā)超聲波的解析求解,闡述了脈沖激發(fā)的縱波、橫波等的指向特性[20],為激光超聲檢測的應用研究奠定了基礎。2001年,DUQUENNOY等利用激光在鋼棒表面激發(fā)的瑞利波,通過測量波速定性表征了鋼棒表面殘余應力[21]。2007年,YASHIRE等將該類激光超聲技術應用于檢測纖維復合材料層壓板的沖擊損傷以及剝離損傷[22]。LIM等與日本制鐵會社合作開發(fā)了一套基于激光超聲衰減法檢測晶粒尺寸的設備[23],并將該套設備成功的應用在了熱軋鋼的試運行生產線中。2008年,加拿大國家研究委員會工業(yè)材料學院和美國洛克希德·馬丁公司共同開發(fā)研制了名為激光超聲檢測系統(tǒng)(Laser Ultrasonic Inspection System,LUIS)的裝置,通過激光激發(fā)、激光測量的非接觸優(yōu)勢,用于飛機機翼、機身等關鍵部位的脫粘進行檢測。莫斯科國立大學較早開展激光超聲無損檢測技術的研究,并于2011年左右開發(fā)了多通道數(shù)字化激光超聲無損檢測技術。

2010年以來,美國PaR Systems公司采用CO2點源激發(fā)、Nd:YAG激光干涉檢測的技術路線,開發(fā)了激光超聲無損檢測系統(tǒng)(圖1),用于F-35機翼等大型復合材料缺陷檢測;其檢測距離大于0.5 m,單次檢測區(qū)域1.3 m×1.3 m@1.8 m,最大檢測深度50 mm,檢測精度2 mm,最高掃查速率14.4 m2/h。

圖1 美國PaR systems公司開發(fā)的激光超聲無損檢測系統(tǒng)

2019年,麻省理工學院與桑迪亞實驗室基于干涉陣列線源激發(fā)、激光干涉檢測的技術路線[24],采用激勵光與探測光的一體化結構,實現(xiàn)了輻射條件下材料性能參數(shù)的原位監(jiān)測,見圖2和圖3。

圖2 鎳暴露于550 ℃、31 MeV自離子時,離子束電流、聲表面波速度和表面溫度隨聲激發(fā)深度上線性平均劑量變化[23]

圖3 鎳暴露于550 ℃、31 MeV自離子時,熱擴散率隨熱擴散深度平均劑量變化[23]

2011年,沈中華團隊基于激光聲表面波的光熱調制原理,針對發(fā)動機葉片研究了疲勞裂紋的檢測。2012年,哈爾濱工業(yè)大學利用激光超聲技術實現(xiàn)了非接觸檢測高溫下藍寶石彈性模量[25]。2021年,袁久鑫等[26]基于點源激發(fā)、激光測振的方案,研究了激發(fā)源接收源同步移動掃描檢測方式,通過傳播路徑和檢測波型的分析,得到了增材制件缺陷反射波成像,準確探測出10 mm深度內直徑為1 mm的內部缺陷。該方法采用點源激發(fā)超聲,激光單脈沖能量為50 mJ,見圖4和圖5。

圖4 電弧增材制造試塊的人造缺陷[25]

圖5 電弧增材制造試塊10 mm深度缺陷的B掃結果[25]

2021年,西安交通大學裴翠祥團隊基于相位掩膜板產生的激光超聲,開展了微應力、微裂紋檢測等大量研究工作[27-28]。

盧明輝等[29]從激光檢測技術的優(yōu)勢出發(fā),總結了激光超聲無損檢測技術在工業(yè)中的應用案例,梳理分析了存在的問題,并對其在先進制造中的應用前景進行了展望。

1.2 在固體發(fā)動機行業(yè)的應用

固體火箭發(fā)動機廣泛應用于導彈、運載火箭,具有結構可靠、易于維護等優(yōu)點。受到固化成型以及長期貯存、勤務處理、點火發(fā)射等階段機械載荷的作用,其推進劑、襯層及絕熱層等發(fā)生物理和化學性質的變化,從而導致氣孔、裂紋、界面脫粘等缺陷的發(fā)生[30]。針對這些缺陷,行業(yè)內發(fā)展了射線探傷等非接觸無損檢測方法,以及空氣或介質耦合超聲、聲發(fā)射等接觸式無損檢測方法[30-33]。

2019年,中北大學金永團隊[34]針對固體發(fā)動機粘接材料差異帶來的頻率差別,通過小波變換實現(xiàn)回波信號降噪處理、界面附近特征提取,完成了對熱防護層厚度測量,2.03 mm厚度絕熱層/10 mm厚度鋼板試件的測量相對誤差為3.9%～6.4%。

針對固體火箭發(fā)動機等裝備廣泛采用的層壓復合材料結構,陳友興[35]基于透射法開展了復合材料粘接板超聲C掃信號的時頻分析:通過不同分解層數(shù)和不同閾值處理函數(shù)下的小波函數(shù)特征提取與比對,提高了激光超聲信號的信噪比,實現(xiàn)了成像探測。

上述工作發(fā)揮了激光超聲非接觸激發(fā)的優(yōu)勢,對降低“面對面”操作帶來的安全隱患、杜絕對固體發(fā)動機的附加損傷等具有廣泛前景。

1.3 激光激發(fā)模式下相關性研究面臨的技術難點

相比于壓電效應下的電致激發(fā),熱彈效應下的激光激發(fā)受到激光衍射極限和結構損傷閾值的共同限制。

(1)單色相干制約了束斑調制的能力,導致超聲的時頻模式受限。對于相關性研究,激發(fā)環(huán)節(jié)模式受限帶來的表面波、體波等相互混疊[36-38]與缺陷附近的模式轉換[39-41]進一步耦合,直接湮沒了系列模式特征,造成了波形分析等傳統(tǒng)解析方法輸入數(shù)據(jù)的缺失。

(2)結構損傷閾值限制了脈沖激光的能量,導致超聲的信號強度不足。對于相關性研究,激發(fā)環(huán)節(jié)信號微弱限制了測量環(huán)節(jié)的信號強度[42-43],在前述模式耦合、湮沒特征等問題的基礎上,引入了信噪比低下的新難點。

(3)以壓電效應為基礎的傳統(tǒng)超聲可實現(xiàn)多點位傳感器的陣列化部署,隨著新型壓電傳感器向著陣列集成、單片封裝、收發(fā)一體等方向發(fā)展,可實現(xiàn)超聲聲場的偏轉、聚焦等選擇性調控。相比之下,不同光源之間時延協(xié)調等控制的難度極大,尚未形成多光源多點位等激發(fā)技術,導致現(xiàn)有激發(fā)以單一激光束斑空間展開后的點源、線源或陣列線源為主,進一步限制了激光激發(fā)的時空調制能力。

需注意的是,針對激光激發(fā)的時空調制,研究者相繼發(fā)展了掩模版、微透鏡陣列、光纖束陣列等方案:通過激光束斑的空間展開獲得一定間距(空間周期)的柵形條紋序列,在降低被測結構單位面積激光能量、避免結構燒蝕風險的同時,實現(xiàn)了超聲波的高頻激發(fā)和信號增強,提升了傳統(tǒng)點源激發(fā)、線源激發(fā)等方案下的缺陷分辨能力。由于超聲對缺陷外型尺寸的分辨極限為其特征波長的1/2、正相關于柵形條紋的空間周期,前述柵形條紋激發(fā)技術空間周期固定化、不可調的局限性,難以滿足宏觀-細觀-微觀等多尺度下的高分辨需求。

2 面向激光激發(fā)-壓電測量的成像法

成像法是傳統(tǒng)接觸式超聲檢測進行相關性研究的主要方法,原因在于多點位壓電傳感器的陣列化部署以及新型壓電傳感器的陣列化發(fā)展,賦予了結構信號測量更多的數(shù)據(jù)維度和信息豐度。激光激發(fā)、壓電測量的半接觸式方案保留了結構信號測量的數(shù)據(jù)維度和信息豐度,掃描、相控陣等傳統(tǒng)成像方法以及時間反轉、時域合成孔徑等超分辨成像方法均適用。本文做簡要總結。

2.1 傳統(tǒng)成像技術

(1)掃描成像

掃描成像是廣泛使用的超聲無損檢測方法[44],按掃查方式分為B掃、C掃、D掃、S掃、P掃等。張鵬輝[45]對部分掃描方式的作用原理進行了比對示意:B掃描得到平行于聲束傳播方向且垂直于試件表面的斷面圖,C掃描得到垂直于聲束傳播方向且平行于試件表面的斷面圖。

上述掃描接收回波信號作為基礎數(shù)據(jù),在灰度圖上以不同亮度顯示缺陷或材料性能的突變;由于單一掃描成像存在分辨率較差、定位準確性低等問題,通常將其中兩種或多種掃描方式結合使用。

(2)相控陣成像

相控陣成像依托一定數(shù)量傳感器的陣列化分布,通過激發(fā)環(huán)節(jié)的時序控制對聲束進行偏轉和定向,以提高檢測距離和信噪比。

鮑曉宇全面闡述了相控陣超聲檢測系統(tǒng)及其若干關鍵技術[46],王志凌[47]通過控制信號的延時進而控制波束指向,實現(xiàn)了對結構的多方位多損傷掃描,相關技術在鋁板上進行了實驗驗證:超聲相控陣對多損傷信號的延時疊加能夠有效地提高多損傷信號的能量,同時減少非損傷處的能量,從而增強了信號的信噪比,見圖6和圖7。

圖6 掃描成像原理示意圖[45]

圖7 鋁板90°方向各組延時后損傷散射信號及其合成[47]

2.2 超分辨成像技術

根據(jù)瑞利準則,超聲對兩個點特征之間的距離d或線特征長度l的分辨大于閾值R,R與超聲波波長等有關。為提高成像分辨率,需要使用高頻率、短波長的超聲,其矛盾在于超聲波頻率越高,在介質中傳播時的衰減就越強、檢測深度越小。隨著激光激發(fā)對超聲頻率的提升、頻帶的拓寬,該矛盾尤為突出。

目前,國內外圍繞時間反轉、時域合成孔徑等方法,開展了超分辨率成像研究,為該問題的解決提供了思路。

(1)時間反轉方法

時間反轉(Time Reversal, TR)從自適應聚焦特性出發(fā),可在介質屬性、傳感器陣型等先驗信息不足的情況下實現(xiàn)無損檢測。該方法由巴黎大學FINK教授提出,從光學領域的相位共軛鏡(Phase-conjugated Mirror,PCM)擴展到聲學領域,為復雜介質中目標檢測提供了新型超聲成像方法。

對于具有一定輪廓或曲面型缺陷,ANTHONY[48]將時間反轉方法和多信號分類方法相融合,提出了時間反轉多信號分類法(TR Multiple Signals Classification,TR-MUSIC),并驗證了其超分辨率特性。2006年,SIMONETTI利用TR-MUSIC方法對鋼試件內部缺陷進行了探測[49],區(qū)分了距離為1/2波長的兩個貫通孔,克服了衍射限制,見圖8。

圖8 相控陣成像(a)與TR-MUSIC成像結果[40]

中科院聲學研究所利用時間反轉法的自聚焦特性,先后對各向異性介質等應用背景進行了成像驗證[50]。2014年,樊程廣[51]從提高成像分辨率、改善超聲圖像質量的需求出發(fā):針對強噪聲環(huán)境下TR-MUSIC失效的問題提出了多頻時間反轉信號分類方法,針對TR-MUSIC成像縱向分辨率不高的問題提出了相位補償?shù)南辔幌喔蓵r間反轉多信號分類法,并研究了成像函數(shù)中參數(shù)的選取原則,完成了在鉛、銅試塊上的驗證。

(2)時域合成孔徑方法

合成孔徑聚焦技術最早應用于雷達探測領域,20世紀70年代由FLAHERTY[52]與BURCKHARDT等[53]拓展到超聲檢測領域。

2018年,VARNOSFADERANI等[54]將合成孔徑技術與MV波束形成器技術相結合,抑制了二次諧波超聲成像的噪聲,在信噪比低的條件下顯著提高了成像分辨率和對比度。PEYTON等[55]提出了用于B掃成像的正交合成孔徑前端接收技術:使用單個信道以順序方式處理信號,并與正交采樣相結合,降低了計算量和系統(tǒng)復雜度。

1993年,孫寶申等詳細闡述了時域合成孔徑的基本理論及實現(xiàn)方法[56]。2017年,陳玲等將時域成像過程映射為正向畫圓弧的操作[57],提升了雙介質結構中的成像速度;羅嶸等[58]通過角譜運算對頻域內聲場進行重建,結合時域合成孔徑實現(xiàn)了鋼制主軸內部缺陷的成像;2019年,王濤等研究了基于信號相關性對相位畸變的校正,從而對估計信號相位偏差量等進行了優(yōu)化研究[59],解決了非均勻介質和表面不平整等因素引起的相位聚焦畸變問題。張婉[60]基于橫波波形的分離,實現(xiàn)了鉛樣品內部缺陷的成像;其研究去除了近表面區(qū)域出現(xiàn)的幅值和面積都較大的偽像,提高了成像精度和對比度,能夠檢測出鉛板中0.1 mm的缺陷,見圖9。

圖9 直徑0.1 mm圓形缺陷檢測結果[60]

3 面向激光激發(fā)-激光測量的解析法

激光測量模式下,不同光源之間時延協(xié)調等控制難題限制了多點位測量的運用,典型方案為單點位、小區(qū)域(束斑直徑一般在百微米以內)。

相比于壓電傳感器的陣列化部署、陣列化發(fā)展,激光測量帶來的不同在于:(1)單點位測量,同一時刻結構信號的空間分布信息無法獲取;(2)小區(qū)域測量,結構響應捕獲的位置分辨率需求由傳統(tǒng)壓電傳感器的毫米級大幅提升至微納米級。

上述特點與激光激發(fā)帶來的超聲時頻模式混疊、超聲信號強度不足等難題疊加,加劇了激光激發(fā)-激光測量方案下相關性研究難度。目前,以物理解析、數(shù)據(jù)解析為代表的若干方法得到了發(fā)展。

3.1 物理解析技術

物理解析是指在彈性波動等理論框架下,通過超聲的速度測量、模態(tài)分析對材料常數(shù)以及缺陷參數(shù)進行量化分析;其理論框架反映了超聲在結構中傳導過程對結構尺寸、材料參數(shù)、缺陷型位等信息的加載機制。據(jù)此,傳統(tǒng)超聲技術對板材或涂層厚度、各向異性本構參數(shù)、裂紋位置等進行研究。隨著激光測量模式下結構響應捕獲的位置分辨率提升至百微米級,該技術在高溫高壓、強輻射等場景下,展現(xiàn)了非接觸帶來的工程運用便利性。

(1)對材料性能的解析

對于材料性能的研究需求,物理解析技術從超聲波速度與材料彈性常數(shù)之間的數(shù)學物理方程出發(fā),可得到材料彈性常數(shù)。

WILCOX、BRESSE、SCRUBY等研究了激光激發(fā)下超聲波的傳播模式,并通過測量橫波和縱波的速度測定了材料彈性常數(shù)[61-63]。由于波形模式特征湮沒、波速測量精度不足等原因,解析結果的誤差較大。針對該問題,周辛庚等[64]利用縱波和表面波兩類特征相結合的方法,并在密度己知的條件下測定了彈性常數(shù);戰(zhàn)宇[37]進一步引入多次測量數(shù)據(jù)的線性擬合,以避免距離測量、實驗系統(tǒng)時間延遲帶來的誤差,并在短脈沖線源激光激發(fā)、激光多普勒振動測量的方案下,完成了鋁、鋼和銅的彈性常數(shù)測試,泊松比和體積模量的測量誤差均小于1.5%。

針對橫觀各向異性、纖維增強等非均質材料,張銳等針對薄層狀復合材料的彈性常數(shù)、厚度和密度等參數(shù),研究了低頻多模蘭姆波測量方法[65];羅玉昆[66]運用經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)研究了超聲信號處理中能量密度重構起點的依據(jù)問題,通過對體波速度和沿纖維方向瑞利波速度的計算,估計了材料比模量。

對于三階常數(shù)等復雜情況,KELLY等以Murnaghan常數(shù)(l、m、n)、有限變形理論等為基礎,建立了聲波在材料中的傳播速度與應力之間的關系[67];以銅、多晶金屬為對象,YOST、SMITH等[68-70]開展了三階常數(shù)的測試研究。王寅觀等以非線性彈性波動理論為框架,推導了三階彈性常數(shù)的超聲測量公式[71];董利明等基于靜水壓力的概念,提出了金屬材料三階彈性常數(shù)的激光超聲測量技術:采用激光超聲方法測量橫波、縱波以及表面波波速,結合材料線性熱膨脹系數(shù),從彈性常數(shù)與波速的關系出發(fā),計算獲得三階彈性常數(shù)[72]。

(2)對缺陷型位的解析

對于缺陷尺寸、位置等型位信息的研究需求,物理解析技術通過分析反射波、散射波的傳播特性,結合模態(tài)轉換特征對缺陷型位進行檢測;采用的特征參數(shù)主要為回波幅值,以及反射回波飛行時間差等。

DOMARKAS等在1978年提出,可利用聲表面波在缺陷附近的反射波聲場來判定缺陷尺寸[73];1981年,FORTUNKO等基于電-磁-聲換能激發(fā)平面內橫波,探測了缺陷的走勢和幾何形狀[74]。

2020年,陳洪磊[75]從Lamb波的信號特征出發(fā),提出了基于Chirplet變換的特征函數(shù)構建方法,研究了檢測信息非完備與完備兩類條件下的參數(shù)化蘭姆波檢測信號處理與缺陷定位研究。李玉海從超聲原始信號的組成出發(fā),系統(tǒng)闡述了缺陷回波探測的原理[76]:原始信號分為延續(xù)傳播、缺陷反射、透射消耗三部分,較大部分以缺陷反射的方式反向傳播;根據(jù)超聲脈沖信號經(jīng)過探測點的峰值和缺陷處超聲信號回波的峰值對應時間差,即可計算得到缺陷距離測量點位的距離。2021年,張興舜開展了基于雙波混頻干涉的激光測量實驗,結合聲表面直達波、缺陷反射波與透射表面波的時頻域特征分析,實現(xiàn)了寬約0.15 mm、深約0.15 mm微小表面裂紋的檢測[77],見圖10。

圖10 超聲脈沖峰值及回波信號峰值的對應時刻示意圖[77]

3.2 數(shù)據(jù)解析技術

相比于物理解析對彈性波動理論等的依賴,數(shù)據(jù)解析以數(shù)值仿真或標樣實驗獲得的數(shù)據(jù)作為操作信息,在信號處理技術、人工智能方法等的支持下,將相關性研究處理為數(shù)據(jù)挖掘活動。典型方法含決策樹算法支撐下的特征識別、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)反演等。針對機械振動、檢測誤差等帶來的噪聲問題,一般先對檢測獲得的時域、頻域或時-頻混合等原始信號進行降噪,再進行特征提取和識別。

(1)基于小波變換的特征識別

易秋吉通過對小波包能量、小波包局部熵等特征的分析[78],提出了小波包融合特征挖掘回波缺陷信號時頻特性、實現(xiàn)材料表面缺陷定量評價的方法,其可分性測度值達到9.84。

趙燕飛[79]針對激光超聲激發(fā)信號的降噪處理,以高斯白噪聲為例,對EMD、小波變換等方法進行了比對分析,進而研究了提取反射/透射表面波的閾值頻率對表面缺陷深度檢測的方法。

(2)決策樹算法支撐下的特征識別

決策樹通過一系列規(guī)則對數(shù)據(jù)進行分類,逐級分類后可提取數(shù)據(jù)中蘊含的規(guī)則,典型算法分類含ID3、C4.5、CART以及隨機森林。

崔潔[80]分析了含不同類型、不同深度裂紋的金屬構件超聲信號,提取了時頻特征以及能量分布,按照隨機森林算法構建了分類器輸入量,研究了裂紋識別可行性和有效性;結果表明,隨機森林算法的識別準確率超過90%,優(yōu)于ID3、C4.5、CART三種其他決策樹算法。

(3)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)反演

人工神經(jīng)網(wǎng)絡通過數(shù)據(jù)的訓練形成感知環(huán)境變化的能力,并調節(jié)神經(jīng)元的參數(shù)以適應變化,具有并行化處理等特點。依托人工神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)反演不追求物理機制或理論框架的映射,可在操作信息的支持下同時對材料常數(shù)、缺陷型位等健康狀態(tài)信息進行快速可信的分析。

針對傅里葉變換、EMD分解等方法受信號平穩(wěn)性、信噪比等限制的情況,蘇純提出了基于有監(jiān)督學習神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應分類方法[81],對0.1 mm×0.5 mm、0.2 mm×0.5 mm等不同類型缺陷探測樣本的多次實驗表明,交叉驗證分類正確率均能達到100%。陳超等[82]利用有限元軟件COMSOL分析了脈沖激光照射下含表面缺陷鋁材的透射波信號,并提取信號的時域峰值、頻域上3 dB帶寬、上限截止頻率等組成特征向量,建立了基于粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的缺陷深度定量識別模型,定量識別了0.1～3 mm深度的缺陷;該神經(jīng)網(wǎng)絡對缺陷的識別平均誤差為5.05%,與未優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡以及支持向量機的識別平均誤差比對見圖11。

4 結束語

結構監(jiān)檢測領域將超聲檢測作為研究重點,相繼發(fā)展了基于壓電效應的介質耦合超聲、空氣耦合超聲以及貼片超聲等接觸式方案,以及激光激發(fā)+壓電測量、激光激發(fā)+激光測量等半接觸、非接觸的激光超聲方案。針對激光激發(fā)模式下超聲時頻模式受限、超聲信號強度不足等技術難題,面向壓電測量和激光測量分別發(fā)展了成像、解析等方法,以建立激光超聲信號與結構健康狀態(tài)的相關性。

(1)多點位壓電傳感器的陣列化部署以及新型壓電傳感器的陣列化發(fā)展,賦予了結構信號測量更多的數(shù)據(jù)維度和信息豐度,掃描、相控陣等傳統(tǒng)成像方法以及時間反轉、時域合成孔徑等超分辨成像方法均適用激光激發(fā)、壓電測量的半接觸式方案;隨著激光激發(fā)對超聲頻率的提升、頻帶的拓寬,時間反轉、時域合成孔徑等超分辨成像方法,可解決波長減小帶來的分辨率提升與衰減率增加之間的矛盾,克服了聲波的衍射限制。針對超分辨成像帶來的算法復雜與算力增大等問題,后續(xù)建議結合典型缺陷解剖數(shù)據(jù)等先驗信息,借助缺陷輪廓校準等措施,彌補圖像對比度不足等帶來的成像壓力;同時,鑒于相關算法及其求解步驟已逐漸固定,可針對若干典型結構及其使用環(huán)境,開發(fā)專用超聲傳播行為的數(shù)值仿真程序或軟件模塊,支撐研究對象由規(guī)則型位的缺陷、均質的平板,向復雜、多樣的工程結構轉變。

(2)激光測量帶來的不同在于:單點位測量、同一時刻結構信號的空間分布無法獲取,且小區(qū)域測量、結構響應捕獲的位置分辨率提升至百微米級,單點位、小區(qū)域的特點與激光激發(fā)帶來的超聲時頻模式混疊、超聲信號強度不足等難題疊加,加劇了相關性研究的難度,目前發(fā)展了以物理解析、數(shù)據(jù)解析為代表的若干方法;相比于物理解析對彈性波動理論等框架的依賴,數(shù)據(jù)解析以數(shù)值仿真或標樣實驗獲得的數(shù)據(jù)作為操作信息,在決策樹算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能技術的加持下將相關性研究處理為數(shù)據(jù)挖掘活動,具有分析效率高、參數(shù)覆蓋全等優(yōu)勢。針對當前從時域、頻域或能量角度提取信號特征參數(shù)時,參數(shù)規(guī)模與表征有效性難以協(xié)調的問題,后續(xù)建議以批量化的結構仿真數(shù)值分析為基礎,經(jīng)正問題求解的參數(shù)敏感性分析、反問題求解的樣本優(yōu)化設計等工作,提升數(shù)據(jù)解析方法對復雜工程結構的適用性。