厚截面复合材料超声检测信号处理技术研究

发布时间：2017-06-06 16:26

  本文关键词：厚截面复合材料超声检测信号处理技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着厚截面复合材料在飞机关键结构件中的应用,针对厚截面复合材料的无损检测技术得到了快速发展,尤其是检测效率高、对人体无害的超声无损检测技术更是备受关注。许多检测场合受噪声污染,缺陷信号淹没在噪声中,大大影响了复合材料缺陷评价。如何实现噪声影响下厚截面复合材料超声信号的盲提取以及盲提取信号频谱分析的谱泄漏抑制是本文的主要研究内容。本文在复合材料超声检测国家自然科学基金、省自然科学基金以及博士点基金项目的支持下展开研究。第一章介绍了复合材料的主要缺陷类型、厚截面复合材料无损检测技术、孔隙检测技术以及信号处理技术的国内外发展现状,指出复合材料超声检测信号盲源分离技术以及全相位频谱技术研究的意义,点明本文的研究背景、研究内容以及章节安排。第二章 介绍了厚截面复合材料超声脉冲反射法检测的原理,构建了理想复合材料超声回波曲线并进行时频分析,对厚截面复合材料背散射信号进行成分分析,从技术上说明复合材料超声检测信号的复杂性及盲源分离和全相位频谱分析的必要性。第三章对盲源分离算法进行研究,为盲源分离在超声检测信号处理中的应用做好准备。首先,介绍了盲源分离的数学模型,进行了基本的理论分析；其次,提出了基于互信息最小化的盲分离算法,通过仿真实验对算法性能进行评价；最后,对提出的算法进行归一化改进,对优化算法用相同的仿真信号进行仿真实验,通过对比优化前后算法的性能指标,证明了优化算法具有更好的分离性能。第四章 结合盲分离优化算法,对厚截面复合材料超声信号盲提取技术进行研究。首先,介绍了厚截面复合材料超声反射法检测系统的构成；其次,研究了基于互信息最小化的盲分离优化算法对于厚截面复合材料超声回波信号的识别能力；最后,结合相空间重构理论对超声检测信号进行相空间重构,盲分离后得到多个独立分量,再通过赫斯特指数提取超声信号独立分量,最后将超声信号独立分量重建,实现噪声环境中厚截面复合材料超声信号的盲提取。第五章针对厚截面复合材料超声检测盲提取信号进行了全相位频谱分析研究。首先,对全相位频谱分析技术进行理论分析,并通过仿真实验比较了全相位数据预处理和传统数据预处理的不同；其次,对单一频率成分确定信号和多频率成分确定信号进行全相位频谱分析,并提出全相位时移相位差法进行频谱校正；最后,对含有微弱成分的复合信号进行全相位频谱分析,实现了微弱信号的检测,并对厚截面复合材料超声检测盲提取信号进行全相位频谱分析,和传统FFT相比识别出了更丰富的成分。第六章 总结了本文的主要内容和研究成果,并对后续工作进行了展望。
【关键词】：厚截面复合材料 超声无损检测 盲源分离 相空间重构 赫斯特指数 全相位频谱分析
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TN911.23
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-28
• 1.1 引言14-15
• 1.2 复合材料缺陷及其无损检测技术15-19
• 1.2.1 复合材料缺陷类型及影响15-16
• 1.2.2 复合材料无损检测技术现状16-18
• 1.2.3 复合材料超声检测技术现状18-19
• 1.3 厚截面复合材料超声无损检测技术19-22
• 1.3.1 厚截面复合材料层压板结构无损检测技术现状20
• 1.3.2 厚截面复合材料层压板结构孔隙检测技术现状20-22
• 1.4 厚截面复合材料超声检测的信号处理技术22-25
• 1.4.1 传统信号处理技术22-23
• 1.4.2 盲源分离技术23-24
• 1.4.3 全相位频谱分析技术24-25
• 1.5 论文研究的背景及意义25-26
• 1.6 论文研究的主要内容26-28
• 2 厚截面复合材料超声脉冲反射法检测原理及背散射信号特征分析28-38
• 2.1 引言28
• 2.2 超声脉冲反射法检测原理28-32
• 2.2.1 超声波简介28-30
• 2.2.2 超声脉冲反射法检测原理30-31
• 2.2.3 超声波换能器31-32
• 2.3 复合材料超声回波仿真信号32-34
• 2.4 厚截面复合材料背散射信号成分分析34-37
• 2.4.1 缺陷信号35
• 2.4.2 散射噪声35-36
• 2.4.3 结构噪声36
• 2.4.4 非声学噪声36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 超声信号盲源分离理论分析和算法研究38-68
• 3.1 引言38
• 3.2 盲源分离问题的数学模型和基本特性38-43
• 3.2.1 盲源分离的数学模型38-40
• 3.2.2 盲源分离的假设40-41
• 3.2.3 盲源分离的特性41-43
• 3.3 盲源分离的信息理论基础43-46
• 3.4 基于互信息最小化的自然梯度盲源分离算法46-50
• 3.4.1 数据的预处理46-47
• 3.4.2 基于互信息最小化的分离准则函数47-48
• 3.4.3 基于自然梯度的自适应互信息逼近48-50
• 3.5 仿真实验50-59
• 3.5.1 信号模型50-51
• 3.5.2 仿真信号的盲源分离51-55
• 3.5.3 结果评价55-59
• 3.6 基于归一化的自然梯度盲源分离优化算法59-66
• 3.6.1 自适应更新函数的归一化处理59
• 3.6.2 优化算法的仿真实验59-63
• 3.6.3 优化算法的性能评价63-66
• 3.6.4 优化算法在具体应用中的步长选择66
• 3.7 本章小结66-68
• 4 基于互信息最小化盲分离优化算法的超声信号盲提取技术研究68-96
• 4.1 引言68
• 4.2 复合材料超声检测系统68-72
• 4.2.1 复合材料超声检测系统框架68-69
• 4.2.2 超声采集卡的选择和参数69-71
• 4.2.3 超声检测探头71
• 4.2.4 复合材料试块71-72
• 4.3 盲分离优化算法对复杂情况中复合材料超声信号的识别实验72-81
• 4.3.1 信号模型72-73
• 4.3.2 复合材料实际信号的识别实验73-78
• 4.3.3 结果评价78-81
• 4.4 复合材料超声信号的盲提取81-91
• 4.4.1 相空间重构82-88
• 4.4.2 含噪超声信号的盲分离88
• 4.4.3 超声信号的独立成分提取88-90
• 4.4.4 超声信号重建90-91
• 4.5 复合材料超声信号盲提取实验91-95
• 4.5.1 相空间重构91-93
• 4.5.2 基于互信息最小化的含噪超声信号盲分离93
• 4.5.3 超声信号独立成分提取93-94
• 4.5.4 超声信号重建94
• 4.5.5 结果评价94-95
• 4.6 本章小结95-96
• 5 厚截面复合材料超声检测盲提取信号的全相位频谱分析96-122
• 5.1 引言96
• 5.2 全相位频谱分析基本理论96-106
• 5.2.1 全相位频谱分析概念96-97
• 5.2.2 全相位频谱分析的数据预处理及统一表示97-104
• 5.2.3 传统FFT谱分析和全相位FFT谱分析的数学表达104-106
• 5.3 单一频率成分确定信号的全相位预处理106-110
• 5.3.1 传统加窗前后的波形对比及谱线分析106-108
• 5.3.2 全相位预处理后的波形对比及谱线分析108-110
• 5.4 全相位频谱分析和传统频谱分析的比较110-112
• 5.5 全相位FFT谱分析的频谱校正112-115
• 5.5.1 全相位时移相位差法的校正原理113-114
• 5.5.2 基于全相位时移相位差法的频谱校正实验114-115
• 5.6 全相位频谱分析在微弱信号检测中的应用115-119
• 5.7 厚截面复合材料超声盲提取信号的全相位频谱分析实验119-121
• 5.8 本章小结121-122
• 6 总结与展望122-126
• 6.1 总结122-123
• 6.2 展望123-126
• 参考文献126-136

【参考文献】

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本文编号：426910