[论文解读] Passive Phased Array Acoustic Emission Localisation via Recursive Signal-Averaged Lamb Waves with an Applied Warped Frequency Transformation

Luke Pollock, Graham Wild|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Ultrasonics and Acoustic Wave Propagation被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于在板状结构中定位声发射源的被动相控阵方法，通过采用经过压缩频率变换（WFT）增强的递归信号平均兰姆波实现。通过WFT补偿信号色散，并利用密集阵列间距将信号建模为时移、缩放和含噪的副本，该方法应用时间锁定的递归平均以抑制非相关噪声，同时不滤除有用的频带分量，在信噪比提升和定位精度方面优于传统的带通滤波。

ABSTRACT

This work presents a concept for the localisation of Lamb waves using a Passive Phased Array (PPA). A Warped Frequency Transformation (WFT) is applied to the acquired signals using numerically determined phase velocity information to compensate for signal dispersion. Whilst powerful, uncertainty between material properties cannot completely remove dispersion and hence the close intra-element spacing of the array is leveraged to allow for the assumption that each acquired signal is a scaled, translated, and noised copy of its adjacent counterparts. Following this, a recursive signal-averaging method using artificial time-locking to denoise the acquired signals by assuming the presence of non-correlated, zero mean noise is applied. Unlike the application of bandpass filters, the signal-averaging method does not remove potentially useful frequency components. The proposed methodology is compared against a bandpass filtered approach through a parametric study. A further discussion is made regarding applications and future developments of this technique.

研究动机与目标

• 开发一种鲁棒的、用于在板状结构中通过相控阵传感器定位声发射源的被动方法。
• 解决兰姆波中的信号色散问题，该问题会扭曲波形并降低定位精度。
• 在不移除潜在有用频带分量的前提下提升信噪比，与传统带通滤波不同。
• 利用阵列中元件间紧密间距的特性，将信号建模为彼此之间时移、缩放和含噪的副本。
• 通过参数研究，将所提出的递归信号平均技术与标准滤波方法进行对比验证。

提出的方法

• 使用数值推导的相速度数据对采集信号应用压缩频率变换（WFT），以预先补偿兰姆波中的色散。
• 假设相邻传感器信号由于阵列间距密集，呈现为缩放、平移并受零均值、不相关噪声污染的形式。
• 实施具有人工时间锁定的递归信号平均算法，以对齐并相干叠加信号，从而提升信噪比。
• 避免使用带通滤波，以保留所有频率分量，维持信号完整性和分辨率。
• 利用平均后的信号估计声发射事件的飞行时间和到达方向。
• 将WFT + 递归平均方法的定位性能与传统的带通滤波方法进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 压缩频率变换是否能有效预补偿不同材料属性下兰姆波中的色散？
• RQ2 具有人工时间锁定的递归信号平均是否比带通滤波更有效地提升信噪比？
• RQ3 在材料属性存在不确定性的情况下，相邻阵元间信号相似性的假设在实际中有多大程度成立？
• RQ4 与传统滤波方法相比，该方法在定位精度和分辨率方面表现如何？
• RQ5 该方法在实际非理想结构健康监测场景中存在哪些实际限制和可扩展性问题？

主要发现

• 所提方法在低信噪比条件下相比带通滤波表现出更优的信噪比提升效果。
• 递归信号平均保留了传统带通滤波器可能衰减或畸变的关键频带分量。
• 压缩频率变换显著减少了由色散引起的波形畸变，提升了不同频率下的相速度匹配度。
• 由于信号相干性增强和噪声减少，定位精度得到提升，参数研究已证实此点。
• 由于内在的平均与相位补偿机制，该方法对材料属性的微小不确定性表现出鲁棒性。
• 在模拟和实验信号条件下，该技术均优于滤波基线方法，证实其在实时结构健康监测中的潜力。