【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及超聲波無損檢測的，尤其涉及一種基于fpga的超聲導波成像方法。
技術(shù)介紹
1、航空航天、土木建筑、艦船和石油能源等行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)通常承擔著重要的基礎(chǔ)構(gòu)建和可靠支撐功能，其往往處于固液耦合、風沙侵蝕、溫濕度變化、壓力變化等高風險環(huán)境中且需要長時間運行，維護其結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。基于超聲導波技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(shm?structural?health?monitoring)具備非侵入式檢測、多模態(tài)檢測、長距離檢測、早期損傷檢測等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)的維護與監(jiān)測中發(fā)揮著不可或缺的作用。
2、現(xiàn)有導波成像檢測系統(tǒng)設(shè)備龐大，便攜性和靈活性不足，且主要基于pc平臺，運算效率低，成像速度慢，早期損傷檢測及實時損傷成像的能力受限，導致其難以在現(xiàn)場實際應(yīng)用中發(fā)揮最大效用，尤其是在需要快速響應(yīng)和處理大量數(shù)據(jù)的場合，如在災(zāi)難應(yīng)急管理、航空航天實時監(jiān)測和大型工業(yè)設(shè)施的日常維護中。采用gpu加速的成像平臺對于成像速度有所提升，但其成本較高，且由于使用了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，導致速度提升有限。
3、例如申請?zhí)枮?01910163948.1的專利技術(shù)專利公開了一種超聲導波成像檢測儀及其方法，導波信號采集系統(tǒng)內(nèi)的現(xiàn)場可編程邏輯陣列控制導波信號執(zhí)行電路產(chǎn)生導波檢測信號，信號由現(xiàn)場可編程邏輯陣列采集處理后，通過pcie總線傳送給成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)通過pcie總線接收傳來的導波檢測數(shù)據(jù)后，經(jīng)嵌入式多核處理器進行成像處理，再通過lvds顯示信號線送到顯示面板進行顯示；該專利技術(shù)的嵌入式多核處理器降低了整機的功耗，采用pcie總線簡化
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對超聲導波成像方法的運算效率較低，且成像速度慢的技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出一種基于fpga的超聲導波成像方法，將導波激勵波形合成、波形數(shù)據(jù)采集、波形數(shù)據(jù)處理、成像運算等過程集中于fpga片內(nèi)處理，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存過程，并結(jié)合fpga并行運算，同步處理多通道、多像素點的成像計算。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)能夠顯著提高超聲導波成像速度。
2、為了達到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種基于fpga的超聲導波成像方法，步驟包括：
3、s1：選擇合適的傳感器陣列，采用單發(fā)全收的方式遍歷傳感器陣列中所有傳感器通道輸出激勵信號，并利用fpga模塊采集所有傳感器通道的波形數(shù)據(jù)；
4、s2：利用fpga模塊對傳感器通道的波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的波形數(shù)據(jù)，采集基準數(shù)據(jù)與監(jiān)測對比數(shù)據(jù)；
5、s3：基于無損傷的基準數(shù)據(jù)計算每個傳感器收發(fā)路徑監(jiān)測對比數(shù)據(jù)的信號差系數(shù)；
6、s4：根據(jù)傳感器陣列定義成像的像素點，利用像素點組成坐標平面，并基于權(quán)重公式計算每個像素點權(quán)重；
7、s5：對于每對傳感器收發(fā)路徑，分別計算并得到像素點的損傷概率分布計算結(jié)果；
8、s6：基于圖像顯示范圍對損傷概率分布計算結(jié)果進行顏色線性映射，輸出顯示。
9、步驟s1所述選擇合適的傳感器陣列的具體方法為：
10、當檢測物為板狀結(jié)構(gòu)時，傳感器陣列選用矩形陣列或圓形陣列，當檢測物為管狀結(jié)構(gòu)時，傳感器陣列選用環(huán)形陣列。
11、步驟s2所述對傳感器通道的波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的實現(xiàn)方法為：
12、s21：利用fpga模塊的帶通濾波器對每個波形數(shù)據(jù)并行執(zhí)行濾波運算；
13、s22：fpga模塊根據(jù)每對傳感器收發(fā)路徑的預(yù)設(shè)時間窗，對每對傳感器收發(fā)路徑的波形數(shù)據(jù)進行信號窗截取，得到預(yù)處理后的波形數(shù)據(jù)。
14、步驟s21所述濾波器為iir濾波器，iir濾波器的階數(shù)設(shè)計為4階。
15、步驟s22所述預(yù)設(shè)時間窗為激勵信號發(fā)射結(jié)束后的所有波形數(shù)據(jù)。
16、步驟s2所述采集基準數(shù)據(jù)與監(jiān)測對比數(shù)據(jù)的具體方法為：
17、首先對無損傷的檢測物進行波形數(shù)據(jù)采集，得到基準數(shù)據(jù)x，隨后，對需要檢測的檢測物進行實時檢測，并進行波形數(shù)據(jù)采集，得到監(jiān)測對比數(shù)據(jù)y。
18、步驟s3所述計算每個傳感器收發(fā)路徑監(jiān)測對比數(shù)據(jù)的信號差系數(shù)的具體方法為：
19、基于無損傷基準數(shù)據(jù)x，通過信號差系數(shù)公式計算當前每對傳感器收發(fā)路徑波形數(shù)據(jù)與無損傷基準數(shù)據(jù)的信號差系數(shù)aij，信號差系數(shù)公式為：
20、aij＝1-ρij；
21、其中，i表示所選路徑的激勵傳感器，i＝1，2...n，j表示所選路徑的接收傳感器，j＝1，2...n，ρij為基準數(shù)據(jù)x和監(jiān)測對比數(shù)據(jù)y的信號相關(guān)系數(shù)，信號相關(guān)系數(shù)為：
22、
23、其中，cov(x,y)為基準信號x和監(jiān)測對比信號y之間的協(xié)方差，σx為基準信號x的標準差，σy為監(jiān)測對比信號y的標準差。
24、步驟s4所述基于權(quán)重公式計算每個像素點權(quán)重的具體方法為：
25、根據(jù)傳感器陣列中傳感器數(shù)量定義成像的像素點點數(shù)，根據(jù)傳感器矩陣中各傳感器位置定義像素點坐標位置，得到坐標平面，在坐標平面中，每個像素點對應(yīng)一個像素點坐標，在坐標平面中映射所有傳感器坐標；基于每對發(fā)射傳感器和接收傳感器對應(yīng)像素點在坐標平面內(nèi)的坐標，計算每個像素點的導波傳輸距離，使用權(quán)重公式計算每個像素點的權(quán)重，權(quán)重公式為：
26、
27、其中，wij(x,y)為當前計算的傳感器收發(fā)路徑在像素點(x,y)處的權(quán)重，rij(x,y)為像素點(x,y)與激勵傳感器i的距離和接收傳感器j的距離和，β為標定因子，標定因子β值根據(jù)成像區(qū)域的大小設(shè)定。
28、步驟s5所述得到像素點的損傷概率分布計算結(jié)果的具體方法為：
29、對于每對傳感器收發(fā)路徑，利用損傷概率分布公式分別計算每個像素點權(quán)重與信號差系數(shù)的乘積得到計算結(jié)果，并行計算完所有傳感器路徑后，將每個像素點的所有計算結(jié)果累加得到像素點的損傷概率分布計算結(jié)果。
30、所述損傷概率分布公式為：
31、
32、其中，wij(x,y)為當前計算的傳感器收發(fā)路徑在像素點(x,y)處的權(quán)重，aij為無損傷基準數(shù)據(jù)的信號差系數(shù)。
33、本專利技術(shù)的有益效果為：本專利技術(shù)通過使用fpga高速采集導波波形數(shù)據(jù)，并直接在fpga內(nèi)部進行運算，減少了數(shù)據(jù)傳輸過程，使用fpga的并行計算能力進行多通道同步信號預(yù)處理，以及多像素點同步成像計算，顯著提高超聲導波損傷概率分布成像速度，提高現(xiàn)場監(jiān)測效率。
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1.一種基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S1所述選擇合適的傳感器陣列的具體方法為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S2所述對傳感器通道的波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的實現(xiàn)方法為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S21所述濾波器為IIR濾波器，IIR濾波器的階數(shù)設(shè)計為4階。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S22所述預(yù)設(shè)時間窗為激勵信號發(fā)射結(jié)束后的所有波形數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任意一項所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S2所述采集基準數(shù)據(jù)與監(jiān)測對比數(shù)據(jù)的具體方法為：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S3所述計算每個傳感器收發(fā)路徑監(jiān)測對比數(shù)據(jù)的信號差系數(shù)的具體方法為：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟S5所述得到像素點的損傷概率分布計算結(jié)果的具體方法為：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于FPGA的超聲導波成像方法，其特征在于，所述損傷概率分布公式為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于fpga的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于fpga的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟s1所述選擇合適的傳感器陣列的具體方法為：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于fpga的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟s2所述對傳感器通道的波形數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的實現(xiàn)方法為：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于fpga的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟s21所述濾波器為iir濾波器，iir濾波器的階數(shù)設(shè)計為4階。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于fpga的超聲導波成像方法，其特征在于，步驟s22所述預(yù)設(shè)時間窗為激勵信號發(fā)射結(jié)束后的所有波形數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：營笑，劉洋，李健，汪照，孫賀，
申請(專利權(quán))人：天津大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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