相控陣超聲監(jiān)測成像與直方圖匹配圖像增強實驗研究*

孫亞杰,高 藝,薛瑤環(huán),蔡巖松,相高峰

(1.南京信息工程大學,江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

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相控陣超聲監(jiān)測成像與直方圖匹配圖像增強實驗研究*

孫亞杰1,2*,高 藝1,2,薛瑤環(huán)1,2,蔡巖松1,2,相高峰1,2

(1.南京信息工程大學,江蘇省網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044)

相控陣超聲監(jiān)測成像是通過控制Lamb波發(fā)射與接收的時間延遲而控制其指向,當特定方向的Lamb波指向結(jié)構(gòu)中損傷時形成反射信號,由此監(jiān)測結(jié)構(gòu)中損傷;將監(jiān)測結(jié)構(gòu)掃描范圍內(nèi)不同方向上Lamb波信號的歸一化幅值用二維灰度圖像顯示,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷成像。由于相控陣監(jiān)測所得原始圖像并不完美,因此,利用直方圖匹配圖像增強方法對原始圖像進行處理,通過劃分損傷圖像的灰度級、統(tǒng)計各灰度級的分布情況、計算各灰度級的概率密度函數(shù),得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系,利用原始圖像與輸出圖像各灰度級的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級,獲得增強圖像。該方法在鋁板、玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)中進行實驗分析,驗證方法的正確性和有效性。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測;相控陣;時間延遲;損傷圖像;圖像增強;直方圖匹配

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)利用集成在結(jié)構(gòu)中的傳感/驅(qū)動元件,在線實時獲取與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)相關(guān)的信息,結(jié)合先進的信號處理方法,提取結(jié)構(gòu)損傷特征參數(shù),識別結(jié)構(gòu)的狀態(tài),包括損傷,對結(jié)構(gòu)的不安全因素,在其早期就加以控制以消除安全隱患或控制安全隱患的進一步發(fā)展,從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的自診斷,保證結(jié)構(gòu)的安全和降低維修費用[1-3]。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各種損傷會引起應(yīng)力集中、裂紋擴展,這些以及損傷周圍的邊界都會引起在結(jié)構(gòu)中傳播的Lamb波信號的散射和能量的吸收,因此,Lamb波可以作為一種在線監(jiān)測方法被用于檢測結(jié)構(gòu)中的損傷[4-7]。相控陣超聲監(jiān)測成像技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成像領(lǐng)域一個新的發(fā)展方向,超聲相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)[8-11]是通過控制相控陣傳感器陣列中各傳感陣元發(fā)射與接收Lamb波信號的時間,而使Lamb波波束指向得以控制,從而對結(jié)構(gòu)進行定向掃描的一種技術(shù)。

然而,由于基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中Lamb波的傳播較為特殊,目前Lamb波相控陣超聲技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究還較淺顯,從已發(fā)表的研究成果來看,研究過程中還存在難點和問題:①在基于損傷散射信號的主動Lamb波監(jiān)測中,激勵器與傳感器位置固定,激勵器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出的Lamb波沿著板結(jié)構(gòu)平面各方向傳播,傳感器得到的Lamb波信號不僅來自損傷散射,還包括了來自激勵器的信號和邊界反射信號,且從幅值上看損傷散射信號要小的多。因此,直接引入相控陣超聲技術(shù)時,由于損傷散射信號很微弱,即使實現(xiàn)了聚焦其幅值也會因為小于邊界反射和直接傳播信號而無法提取。如何應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)獲得損傷散射信號需要研究。②按照相控陣超聲技術(shù)對Lamb波波束指向的控制,可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)掃描結(jié)果的圖像顯示。雖然監(jiān)測圖像能夠較為直觀的表征損傷,但傳感器接收的Lamb波信號中模式混疊,對損傷散射信號的成像造成一定的影響,使得圖像質(zhì)量不高。

本文通過分析結(jié)構(gòu)損傷時散射信號的特點,采用相控陣原理控制信號的延遲聚焦,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的掃描,識別結(jié)構(gòu)中損傷。將監(jiān)測范圍不同角度的Lamb波信號幅值對應(yīng)的灰度值采用圖像的形式顯示,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)中目標損傷的成像。針對原始監(jiān)測圖像的不完美,利用直方圖匹配圖像增強方法對其進行處理,提高圖像的可識別度。該方法在鋁板、玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)中進行實驗分析,驗證方法的正確性和有效性。

圖1 相控陣監(jiān)測原理圖

1 相控陣監(jiān)測原理與成像方法

壓電元件發(fā)射信號時,遠場區(qū)點A(R,θ)接收到的信號為各個激勵信號在板中傳播一定距離后信號的累加,那么點A接收到的信號為:

(1)

式中,K1為發(fā)射過程中信號傳播一定距離后幅值的衰減系數(shù);Se(t)表示激勵信號;R/c為信號從坐標原點傳播到點A所需要的時間;c為超聲波在板中的傳播速度;δi(θ)為第i個壓電元件相對于坐標原點到達點A的時間差,其中,δi(θ)=xicosθ/c,i=0～M-1,該時間差是由第i個壓電元件相對于坐標原點到達點A的波程差ξi(θ)=xicosθ所引起的。

由于各壓電元件到達點A的時間存在一定差異,則需對各壓電元件激發(fā)的激勵信號在時間上進行一定的補償,使各激勵信號同時到達點A。那么,若對每個壓電元件激勵附加Δti(θ)的時間延遲,則點A接收到的信號為:

(2)

式中,如果時間延遲Δti(θ)與時間差δi(θ)相等,即:Δti(θ)=δi(θ)=xicosθ/c,i=0～M-1,那么點A(R,θ)接收到的信號幅值達到最大,即此時波束的最大值指向為θ,點A信號為:

(3)

要求波束指向為θ,則各陣元激發(fā)的激勵信號的時間延遲為:

(4)

由互易性可知,在相同條件下,接收和發(fā)射是一致的,即通過控制時間延遲,各傳感器可以接收預(yù)定偏轉(zhuǎn)角度方向上的目標信息。

信號波束在監(jiān)測角度范圍內(nèi)進行掃描時,利用接收到的回波信號幅值進行角度測量,當波束對準目標時,回波信號幅值最強,當目標偏離波束時,回波信號減弱。根據(jù)接收回波信號最強時的波束指向,就可確定監(jiān)測目標的方向。

根據(jù)相控陣超聲結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測掃描原理,通過控制信號的時間延遲,使其在一定范圍內(nèi)掃描,掃描過程中,當Lamb波波束指向損傷目標時產(chǎn)生損傷散射信號并反射回各壓電元件,因此壓電元件接收的反射信號中,損傷方向的信號幅值最大。以信號幅值為參數(shù),把掃描范圍內(nèi)不同角度上的傳感器響應(yīng)信號的幅值按照其對應(yīng)的角度用圖像的方法顯示出來,即將傳感器響應(yīng)信號各點幅值映射為圖像矩陣中各點的像素值,則相控陣超聲掃描結(jié)果可以用圖像的方法顯示出來,圖像最亮處即為損傷所在處。這就是相控陣成像監(jiān)測方法的基本原理。

2 基于直方圖匹配的圖像增強

在實際應(yīng)用中,需要突出圖像中我們感興趣的灰度級范圍,有針對性地增強某個灰度級分布范圍內(nèi)的圖像,因此,可以修改圖像的直方圖,使其具有所要求的形狀,這種方法稱為直方圖匹配或直方圖規(guī)定化[12-13]。

設(shè)原始圖像f(x,y)的灰度級范圍為[min,max],r為此灰度范圍內(nèi)的任一灰度級,P(r)為這幅圖像中灰度級為r的像素出現(xiàn)的頻率,即P(r)為r的概率密度函數(shù),該函數(shù)的圖像成為這幅圖像f(x,y)的直方圖。為研究方便,將圖像灰度級r歸一化在[0,1]之間,即0≤r≤1。

對于離散圖像,灰度級rk的概率值為:

(5)

式中,n表示圖像中像素的總數(shù),nk表示在圖像中出現(xiàn)某種灰度級的次數(shù),L表示灰度級的總數(shù)目,p(rk)為第k級灰度級的概率。

對離散圖像進行直方圖匹配處理的過程如下:

①對原始圖像做灰度變換:

(6)

②對輸出圖像做灰度變換:

(7)

③對原始圖像的每個灰度級rk選擇一個輸出圖像的灰度級zk,選擇規(guī)則是使sr(rk)與sz(zk)最接近,從而得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系。

④利用rk和zk的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級,獲得增強圖像。

3 實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)

實驗中使用的采集系統(tǒng)為多通道壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[14-15],圖2為系統(tǒng)框圖。該實驗采集系統(tǒng)由數(shù)字I/O控制模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、激勵波形產(chǎn)生模塊、高頻寬帶功率放大模塊、電荷放大模塊、多通道掃查切換模塊組成。該掃查系統(tǒng)具備I/O控制、數(shù)據(jù)采集、波形產(chǎn)生、信號放大控制等功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

圖2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)框圖

為了驗證針對相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成像的圖像增強方法的有效性與普適性,實驗對象采用3種不同材料結(jié)構(gòu),分別為鋁板結(jié)構(gòu)、玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)。損傷形式則設(shè)計為孔洞,質(zhì)量塊加載與專用加載裝置加載。圖3為實驗試件,圖3(a)與圖3(b)為LF-21M防銹鋁板結(jié)構(gòu),圖3(a)為鋁板實物圖,圖3(b)為鋁板結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:1 200mm×2 000mm×1.5mm;圖3(c)與圖3(d)為玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu),圖3(c)為玻璃纖維復合材料實物圖,圖3(d)為玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:2 000mm×1 000mm×3mm;圖3(e)、圖3(f)與圖3(g)為碳纖維復合材料結(jié)構(gòu),圖3(e)為碳纖維復合材料實物圖,圖3(f)為加載裝置與CDLG-1高精度S形拉壓力傳感器,圖3(g)為碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)尺寸為:1 800mm×1 000mm×2.84mm。

圖3 實驗試件(單位mm)

組成壓電線陣的各壓電元件直徑為8mm,厚度為0.48mm。監(jiān)測結(jié)構(gòu)中坐標系以壓電陣列中心位置為坐標原點,線陣所在直線為橫軸,壓電元件標號由小到大的方向為x坐標軸正方向,與之垂直方向為y坐標軸。

鋁板結(jié)構(gòu)(圖3(a)與圖3(b))中壓電線陣由8個壓電元件組成,相鄰兩個壓電元件的中心距離為12mm,8個壓電元件從上而下的標號依次為0號～7號。實驗損傷形式為圓孔,圖3圖(b)中標記8mm的圓為鉆孔位置,鉆孔的圓心坐標為:(105°,210mm)。

玻璃纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)(圖3(c)與圖3(d))中壓電線陣由9個壓電元件組成,相鄰兩個壓電陣元的中心間距為12mm,壓電元件的標號從上而下依次為0～8號。損傷形式是質(zhì)量為0.5kg的質(zhì)量塊加載,其位置為:(78°,125mm)。

碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)(圖3(e)和圖3(g))中壓電線陣由11個壓電元件組成,相鄰兩個壓電元件的中心間距為10mm,壓電元件的標號從左至右依次為0～10號。實驗利用加載裝置加載,利用CDLG-1高精度S形拉壓力傳感器監(jiān)測加載的載荷大小,碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)利用加載裝置加載35kg的載荷位置為:(140°,85mm)。

3.2 相控陣監(jiān)測成像信號處理

圖4 激勵信號

驅(qū)動器激發(fā)的激勵信號為5波峰窄帶正弦調(diào)制信號,中心頻率為40kHz,峰峰值為±5V。實驗的采樣頻率為1.6MHz,激勵信號的到達時刻為0.196ms,如圖4所示。每個驅(qū)動器在不同方向上激發(fā)的激勵信號是通過基準激勵信號經(jīng)過時間延遲得到的,控制時間延遲即控制各個驅(qū)動器在不同監(jiān)測角度激發(fā)激勵信號的觸發(fā)時間。時間延遲是根據(jù)作為驅(qū)動器的壓電元件的標號與監(jiān)測角度計算得到,將不同驅(qū)動器不同方向計算得到的時間延遲附加于基準激勵信號中得到每個驅(qū)動器在不同方向的激勵信號。

在結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)下采集數(shù)據(jù),得到結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下傳感器響應(yīng)信號和損傷狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號。結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號作為參考信號,損傷狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)信號與之相比較得到損傷散射信號,損傷散射信號是由于損傷的存在而產(chǎn)生的。

圖5 碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)中Lamb波波速

圖6 損傷監(jiān)測結(jié)果原始圖像

每個角度上經(jīng)過時間延遲的損傷散射信號累加得到該方向的合成信號。把0～180°范圍內(nèi)歸一化合成信號絕對值包絡(luò)的幅值按照其角度用灰度的形式表示在同一個圖上得到損傷圖像,如圖6所示。圖中橫、縱坐標代表位置,不同點的灰度對應(yīng)該點信號的相對幅值,灰度的從暗到亮代表信號幅值的從弱到強,圖中亮點表示損傷,幅值最大處為損傷位置的中心點。圖6(a)為鋁板鉆孔監(jiān)測圖像,監(jiān)測結(jié)果為:(107°,217 mm),實際鉆孔位置為:(105°,210 mm),角度誤差和距離誤差為:(2°,10 mm);圖6(b)為玻璃纖維復合材料加載質(zhì)量塊監(jiān)測圖像,監(jiān)測結(jié)果為:(77°,122 mm),實際損傷位置為:(78°,125 mm),角度誤差和距離誤差為:(1°,4 mm);圖6(c)為碳纖維盒段結(jié)構(gòu)利用加載裝置加載監(jiān)測圖像,監(jiān)測結(jié)果為:(139°,84 mm),實際加載載荷位置為:(140°,85 mm),角度誤差與距離誤差為:(1°,3 mm)。

其中,監(jiān)測結(jié)果的角度誤差是監(jiān)測損傷位置與真實損傷位置的角度相減,而距離誤差是通過余弦定理計算得出的,即:

(7)

式中,Δθ為監(jiān)測損傷與真實損傷之間的角度誤差,θm為監(jiān)測損傷位置的角度,θr為實際損傷位置的角度,Δr為監(jiān)測損傷與真實損傷之間的距離誤差,rm為監(jiān)測損傷位置的距離,rr為真實損傷位置的距離。

圖7 直方圖匹配對比度增強后鋁板損傷監(jiān)測圖像

3.3 直方圖匹配圖像增強實驗分析

由各監(jiān)測結(jié)構(gòu)的相控陣掃描成像結(jié)果圖6可以看到,圖像的對比度低,噪聲信號的幅值較大,圖6(a)監(jiān)測圖像對比度尤其低,雖然沒有使損傷的定位出現(xiàn)錯誤,但使得超聲相陣掃描識別圖像的顯示不突出,因此,利用直方圖匹配圖像增強方法對其進行圖像處理,提高圖像的可識別度,使監(jiān)測結(jié)果顯示清晰,為使圖像增強前后的對比形象化,同時說明直方圖匹配圖像增強方法的有效性,利用該方法處理后的圖像如圖7所示。

以圖6(a)鋁板結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測圖像為例說明直方圖匹配圖像增強過程。圖6(a)是一幅181×886的圖像(181為掃描角度個數(shù),886為每個方向歸一化合成信號絕對值包絡(luò)參與成像的數(shù)據(jù)點數(shù)),歸一化圖像灰度值為0～1,圖像中像素的灰度值可能為[0,1]范圍內(nèi)任意值,為統(tǒng)計方便,將[0,1]范圍的灰度值進行劃分,每隔0.1劃分為一個灰度級,將灰度級附近的灰度值歸類,其中灰度級的劃分如下:0(0～0.05)、0.1(0.05～0.15)、0.2(0.15～0.25)、0.3(0.25～0.35)、0.4(0.35～0.45)、0.5(0.45～0.55)、0.6(0.55～0.65)、0.7(0.65～0.75)、0.8(0.75～0.85)、0.9(0.85～0.95)、1(0.95～1)。

②按式(6)對原始圖像做灰度變換的結(jié)果sr(rk)如表2所示。

③按式(7)對輸出圖像做灰度變換的結(jié)果sz(zk)如表2所示。

④根據(jù)使sr(rk)與sz(zk)最接近的規(guī)則,對原始圖像的灰度級rk選擇輸出圖像的灰度級zk,這個直方圖匹配處理的變換關(guān)系如表3所示。

⑤根據(jù)表3中圖像灰度級的變換關(guān)系,對原始圖像的像素進行灰度變換,從而得到直方圖匹配處理后的增強圖像,結(jié)果顯示如圖7(a)所示。圖像處理后,其灰度的概率密度函數(shù)如表4所示

玻璃纖維復合材料結(jié)構(gòu)與碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測原始圖像圖6(b)與圖6(c)經(jīng)過直方圖匹配處理后的對比度增強的圖像如圖7(b)與圖7(c)所示。

對比直方圖匹配處理前后的圖像圖6與圖7可以看出,經(jīng)過直方圖匹配處理后圖像灰度級有所減少,使某些細節(jié)消失,但是圖像的對比度明顯加強,損傷監(jiān)測結(jié)果顯示也更加清晰,達到圖像增強的目的。

表1 灰度分布情況

表2 灰度變換結(jié)果

表3 匹配的灰度變換關(guān)系

表4 增強后圖像概率

4 結(jié)論

利用相控陣原理進行結(jié)構(gòu)損傷識別,根據(jù)損傷散射信號特點,采用相控陣原理控制信號的延遲聚焦,實現(xiàn)損傷定位。采用二維灰度圖像的形式直觀顯示監(jiān)測結(jié)果,圖像中灰度的從暗到亮對應(yīng)信號幅值的從小到大,灰度最亮處即為結(jié)構(gòu)損傷所在處。針對相控陣監(jiān)測圖像對比度不高的情況,采用直方圖匹配圖像增強方法將損傷圖像進行對比度增強,通過劃分損傷圖像的灰度級,統(tǒng)計各灰度級的分布情況,計算各灰度級的概率密度函數(shù),得到直方圖匹配處理的最終灰度變換關(guān)系,利用原始圖像與輸出圖像各灰度級的映射關(guān)系,修改原圖像的灰度級,獲得增強圖像,提高損傷圖像的可識別度。

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Experimental Research on Phased Array Ultrasonic Monitoring Imaging and Histogram Matching Based Image Enhancement*

SUNYajie1,2*,GAOYi1,2,XUEYaohuan1,2,CAIYansong1,2,XIANGGaofeng1,2

(1.Jiangsu Engineering Center of Network Monitoring,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

he Lamb wave can directionally monitor the structure.The time delay of the signal is controlled in the process of transmitting and receiving.The normalized amplitudes of the scanning signals are drawn on a two-dimensional gray image to get the structural damage image.The original damage image is not perfect.The histogram matching image enhancement method is used to improve the image recognition.Firstly,the gray level of the damage image is divided and the probability density function of the gray level is calculated.Secondly,the final gray transform relationship processed by histogram matching is gotten.Finally,the gray level of the original image is modified according to the gray level mapping relationship between the original image and the output image to obtain the contrast enhancement image.The method is conducted in the aluminum structure,the glass fiber-reinforced polymer and the carbon fiber-reinforced polymer to verify its correctness and effectiveness.

structural health monitoring;phased array;time-delay;damage image;image enhancement;histogram matching

孫亞杰(1980-),女,山東濰坊人,博士,講師,主要研究方向為相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、信號信息處理等,syj@nuist.edu.cn。

項目來源:國家自然科學基金項目(51305211);2014年度大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目(省級指導)項目(201410300087);江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程項目

2014*07-28 修改日期:2014-11-13

C:7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.016

TB553

A

1004-1699(2015)01-0086-07