本发明属于无损检测，特别涉及一种基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法。
背景技术：
1、薄壁结构作为一种常见的工程结构，凭借其优异的力学性能和耐久性在航空航天、能源化工、交通运输都有着广泛的运用。然而，在服役过程中，薄壁结构如飞机的机翼、机身，以及火箭的箭体等，不仅要承受复杂的载荷和振动，还要面对极端温度、高真空、强辐射等恶劣环境的影响。随着时间的推移，薄壁结构可能会因材料老化、疲劳损伤等原因，出现脱粘、裂纹等缺陷，这些缺陷如果不及时检测和处理，可能会导致结构的性能下降、安全风险增加，甚至引发严重的事故和财产损失，所以，对薄壁结构进行及时有效的检测是非常有必要的。基于超声导波的结构健康检测方法具有能耗低、检测范围广、速度快等优势，被视为最具潜力的新型薄壁结构无损检测方法之一。
2、近年来，随着传感器技术的快速发展以及对大面积结构扫描损伤评估的需求，一些学者相继提出了基于超声阵列技术对大范围区域进行损伤检测的波场分析方法。与此同时，激光多普勒测振仪通过实现非接触式接收数据可以极大避免由于传感器本身不足造成的信号接收误差，减小后续信号处理的难点。基于激光超声高灵敏度、高分辨率记忆快速响应的优点，针对本专利涉及的结构面积型损伤检测问题，多普勒测振仪可以在大范围区域密集地采集测点，运用阵列信号处理技术对波长信号进行特征提取，可以在二维或三维空间中清晰直观地表征结构损伤。
3、由于超声导波的多模态及频散特性，材料厚度的变化将非常敏感地体现在波数的变化上，因此，大部分研究者将波数作为主要目标对损伤进行评估。一般的结构损伤成像方法都是基于激光多普勒测振仪扫描损伤区域并利用二维傅里叶变换将信号从时空域转换到波数频域从而实现对损伤的成像，常规的信号处理技术虽然能够实现对大范围区域的健康监测，但需要处理大量密集的接受点数据，极大增加了时间成本和效率。因此，本专利提出一种基于谱分解与迭代求解的波数重构的损伤评估方法，运用谱估计算法计算扫描区域的波数，通过对各区域波数的分析实现对损伤区域的定量评估。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，以波场信号为分析依据，使用改进谱估计算法计算扫描区域的波数作为结构损伤质量判别特征，能够实现金属材料快速检测，运算速率快、简单高效。
2、为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
3、一种基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其包括：
4、s1：搭建待检测金属薄壁结构检测环境，获取损伤检测数据的激励检测信号；
5、将锆钛酸铅压电陶瓷片粘贴在待检测金属薄壁结构表面，使用信号发生器发射一个频率范围为5k-500k的超声导波信号chi rp，经过信号放大器输出到锆钛酸铅压电陶瓷片进行激励，同时使用多普勒测振仪进行数据采集，并做窄带提取处理，获取金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)；
6、s2：处理损伤检测数据的激励检测信号，组建金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列；
7、获取步骤s1中金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)，第i个接收阵列的接收信号为：
8、
9、其中，xi(t)为t时刻第i个接收阵列的接收信号；xi为第i个接收阵列的接收信号；i为接收阵列编号，属于1到m；s(t)为金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号；w为中心频率；k(w)为中心频率对应的超声导波波数；j为复数；t为时间参数；m为选取检测点总数；
10、组建金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列x(t)，进一步确定金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)在信号子空间中的波数匹配向量a(k(w))；
11、s3：使用改进谱估计法实现对金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号分析与处理；
12、基于步骤s2中的m维金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列x(t)，计算损伤检测数据的激励检测信号的相关矩阵r为：
13、r＝x(t)·x(t)h；
14、其中，r为损伤检测数据的激励检测信号矩阵；x(t)为金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列；h为共轭转置运算；
15、将按照从大到小排列的特征值矩阵l中的前m-3个特征值对应的特征向量组成信号子空间，将按照从大到小排列的特征值矩阵l中的后3个特征值对应的特征向量组成噪声子空间en，根据噪声子空间矩阵en与信号子空间中的波数匹配向量a(k(w))的正交性，构造检测数据信号的特征方程u(k(w))为：
16、u(k(w))＝|a(k(w))enen'a(k(w))'|；
17、其中，u(k(w))为检测数据信号的谱估计方程；en为噪声子空间矩阵，en'为其转置矩阵；a(k(w))为信号子空间中的波数匹配向量，a(k(w))'为其转置向量；
18、s4：绘制金属薄壁结构损伤局部波数结果曲线，识别出金属薄壁结构损伤区域；
19、绘制超声导波波数和金属薄壁结构局部波数结果曲线，通过搜索遍历不同的超声导波波数k(w)值得到金属薄壁结构局部波数结果曲线pk(w)，绘制出关于超声导波波数k(w)和金属薄壁结构局部波数结果曲线pk(w)的曲线，通过最小优化搜索法确定金属薄壁结构损伤局部波数结果曲线pk(w)为：
20、
21、其中，pk(w)为金属薄壁结构局部波数结果曲线。
22、可优选的，步骤s1中使用多普勒测振仪进行数据采集，具体为：
23、对于基于多普勒测振仪获得的二维波场数据，检测点在扫描区域内是均匀分布的，对于需要选取检测点作为算法接收信号矩阵的正方形区域，在其中按照与激励阵元的距离均匀分布为原则进行接收阵元的选取，首先遍历区域内各检测点与激励的距离得到最小距离d1和最大距离dm，分别作为这m个选取检测点的第一个检测点和最后检测点；再按照计算出的距离差在区域中遍历出与各距离最近的检测点作为相应距离的选取点。
24、可优选的，步骤s1中的金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)是由超声导波信号chi rp激励的，需要对接收信号做窄带提取处理；使得金属薄壁结构损伤检测数据的激励原始信号转变为单模态窄带复信号。
25、可优选的，步骤s2中组建金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列x(t)，具体为：
26、根据m个选取检测点，组建m维金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列x(t)为：
27、
28、其中，x(t)为金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列。
29、可优选的，步骤s1中确定金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)在信号子空间中的波数匹配向量a(k(w))为：
30、
31、其中，a(k(w))为信号子空间中的波数匹配向量。
32、可优选的，步骤s3中损伤检测数据的激励检测信号的相关矩阵r需要进行特征值分解，具体为：
33、
34、其中，v为特征矢量矩阵；vk为特征矢量矩阵的第k个特征矢量；l为特征值矩阵；lk为特征值矩阵的第k个特征值，满足l13 l23…lk…3lm，且vk与lk一一对应。
35、可优选的，步骤s1中改进谱估计算法计算超声导波波数k(w)的原理是基于超声导波到达的不同损伤数据接收阵元的时延建立与距离、超声导波波数信号和噪声子空间矩阵，当损伤数据接收阵元间距大于超声导波的半波长时，损伤数据接收阵元接收信号之间的相位差df会超出周期，存在超声导波波数k(w)使信号子空间中的波数匹配向量a(k(w))与噪声子空间矩阵en正交，从而在进行谱峰搜索时出现多个谱峰；当损伤数据接收阵元之间的距离差一致时改进谱估计的结果等于实际误差，因此选取的接收阵元尺寸dd是按照小于半波长的等间距排列的，具体为；
36、
37、其中，dd为选取接收阵元间距；ld为超声导波波长。
38、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
39、(1)本发明使用改进谱估计算法计算扫描区域的波数作为结构损伤质量判别特征，通过对扫描区域划分选点大大减小了利用多普勒激光测振仪评估损伤的效率，运算速率快、简单高效，为波场数据处理技术提供了新思路。
40、(2)本发明应用局部波场测试与波数重构方法，能够精确地获取结构局部波数信息，间接表征结构损伤尺寸和深度，同时降低测试流程的复杂程度，能够方便快捷地实现金属薄壁板材的损伤检测。
41、(3)本发明避免了人工对照寻找损伤特征的局限性，摆脱了对于工程经验的依赖，能够实现金属薄壁板材质量的自动化判别。
1.一种基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：其包括：
2.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s1中使用多普勒测振仪进行数据采集，具体为：
3.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s1中的金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)是由超声导波信号chirp激励的，需要对接收信号做窄带提取处理；使得金属薄壁结构损伤检测数据的激励原始信号转变为单模态窄带复信号。
4.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s2中组建金属薄壁结构的损伤检测数据接收信号阵列x(t)，具体为：
5.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s1中确定金属薄壁结构损伤检测数据的激励检测信号s(t)在信号子空间中的波数匹配向量a(k(ω))为：
6.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s3中损伤检测数据的激励检测信号的相关矩阵r需要进行特征值分解，具体为：
7.根据权利要求1所述的基于超声导波谱估计的金属薄壁结构损伤量化评价方法，其特征在于：步骤s1中改进谱估计算法计算超声导波波数k(ω)的原理是基于超声导波到达的不同损伤数据接收阵元的时延建立与距离、超声导波波数信号和噪声子空间矩阵，当损伤数据接收阵元间距大于超声导波的半波长时，损伤数据接收阵元接收信号之间的相位差df会超出周期，存在超声导波波数k(ω)使信号子空间中的波数匹配向量a(k(ω))与噪声子空间矩阵en正交，从而在进行谱峰搜索时出现多个谱峰；当损伤数据接收阵元之间的距离差一致时改进谱估计的结果等于实际误差，因此选取的接收阵元尺寸dd是按照小于半波长的等间距排列的，具体为；
