基于宽带自适应补偿多路径虚拟时间反演方法的复合材料无基准损伤成像改进技术

《Ultrasonics》：Enhanced baseline-free damage imaging in composites via broadband adaptive-compensation multipath virtual time reversal method

　　摘要
无基线损伤成像是一种用于复合结构声波健康监测的极具前景的技术，但在传感器分布稀疏的情况下，其性能往往受到路径覆盖不足和多径效应干扰的限制。在复合材料中，由于材料各向异性，波传播过程中会出现强烈的色散现象以及幅度衰减不均的问题，使得这一挑战更为严峻。为解决这一问题，本文提出了一种宽带自适应补偿多径虚拟时间反演方法。该方法利用结构边界反射波，在不重叠的时间窗口约束下生成额外的虚拟感测路径，从而在无需增加传感器数量的情况下提升空间覆盖范围。为应对各向异性传播带来的信号失真，该技术采用多频宽激励信号进行系统重建，并引入自适应频域补偿策略，以修正不同路径之间的相位偏差和幅度不平衡问题。实验是在一块1000毫米×1000毫米的碳纤维增强聚合物板上进行的，所使用的传感器网络由压电换能器和光纤布拉格光栅传感器组成。实验结果表明，该算法能有效减少重建过程中的伪影，提高损伤指标的一致性。无论是位于结构中心还是边缘区域的缺陷，都能被精准定位，误差通常在2厘米以内。

引言
碳纤维增强聚合物等复合材料因其出色的比强度和抗疲劳性能，已被广泛应用于航空航天及众多工程领域[1][2][3][4]。然而，在长期使用过程中，这些结构容易出现分层、表面剥落等隐蔽性损伤[5][6][7][8]，这些损伤会逐渐削弱结构的承载能力。为深入理解这类结构退化的机理，人们开发了多种先进的可视化技术，如结合深度学习的原位X射线断层扫描技术，用以分析极端环境下的复杂损伤行为[9]。因此，为碳纤维增强聚合物结构建立有效的健康监测体系具有重要的工程意义[10][11][12]。在各类无损检测技术中，兰姆波因其能够长距离传播且单个激励源即可实现大范围覆盖，而被广泛用于复合材料的损伤检测[13][14][15][16]。尤其是基频对称模式（S0模式），由于其群速度较高、色散效应较低，能够在长距离传播过程中保持稳定的波形形态。这一特性使得在传感器数量有限的条件下仍能实现有效的多径信号分离和时间反演聚焦，因此在分布式感测网络中具有显著优势[17][18]。

传统的基于引导波的损伤定位方法通常依赖于从结构完好状态获取的基线数据。但在实际工程应用中，温度变化和复杂的载荷条件会导致声学响应出现相位偏移和幅度变化[19][20][21][22]。这些环境因素很容易掩盖初期损伤产生的微弱散射信号，从而导致误报或使传统的基线减法方法失效[23][24][25]。现有的温度补偿或基线更新策略仍不足以在复杂的服役环境中确保稳定的损伤识别[26][27]。因此，开发无基线损伤成像方法已成为基于引导波的健康监测领域的重要研究方向，同时也为这类技术在分布式感测网络中的应用奠定了基础[28][29]。近年来，人们不断探索各种创新的无基线技术以克服环境干扰。例如，利用模式转换后的兰姆波[30]以及零群速度兰姆波的多方向极化特性[31]，已展现出出色的局部损伤检测能力。此外，还引入了基于Kolmogorov-Arnold自编码器等无监督机器学习框架，可直接从复杂的引导波信号中提取损伤特征，而无需依赖先前的结构模型[32]。

虚拟时间反演技术凭借其固有的自适应相位补偿功能，成为一种极具潜力的无基线成像方法。该技术源自声学时间反演理论[33][34][35]，通过提取结构的传递函数并数值模拟波场的反向传播，从而避免了使用复杂的物理重辐射阵列。近期，罗等人[36]提出了一种基于信号重建的自适应时间反演方法，用以提升碳纤维增强聚合物板中分层缺陷的检测能力；而布鲁诺等人[37]则开发了一种基于空频域分析的虚拟时间反演成像框架。此外，还有研究将虚拟时间反演技术拓展到碳纤维增强聚合物夹层结构的损伤检测以及色散补偿方面的研究[38][39][40]。为进一步提升成像分辨率并增强对复杂波场的适应性，越来越多的先进信号处理技术被引入到波场重建过程中。最近的研究成功地将虚拟时间反演技术与非线性兰姆波断层扫描相结合，用于评估局部热老化现象[41]；同时，还开发了基于压缩感知的多模态色散补偿技术，以减轻波包变形问题[42]。不过，上述研究大多依赖于相对密集的传感器阵列或较短的传播路径。在传感器分布稀疏的情况下，虚拟时间反演技术的多径成像性能及其实际应用能力仍存在诸多亟待解决的瓶颈。

在航空航天领域，由于对结构重量和布线复杂度的严格要求，大规模区域的分布式感测网络已成为一种必然的发展趋势[43][44]。但在节点分布稀疏的情况下，仅依靠直接传播路径很难实现全场覆盖，这必然会在结构内部形成感测盲区[45]。因此，利用结构边界反射波来构建虚拟感测路径，从而扩大监测范围，已成为近年来无损检测领域的一个热门研究方向[43][44][45][46]。尽管引入反射路径可以有效提升感测覆盖范围，但现有虚拟时间反演算法在处理长距离多径反射信号时存在的固有局限性，在传感器分布稀疏的情况下会被进一步放大。随着传播路径数量的增加，多径信号在时间和频率域内都会发生复杂的叠加效应。因此，传统的窄带虚拟时间反演方法由于独立频率采样不足，难以稳定地重建复杂多径传播的完整传递函数[47][48]。此外，碳纤维增强聚合物材料显著的各向异性以及长距离传播带来的严重幅度衰减，也会导致不同反射路径之间的幅度失衡[49]。带宽限制与多径幅度失衡之间的耦合效应，会使得虚拟时间反演重建信号中出现大量的虚假损伤指数伪影，从而极大限制了利用边界反射波实现无基线成像的可行性。

为克服现有虚拟时间反演算法在传感器分布稀疏条件下的局限性，本文提出了一种改进的多径虚拟时间反演无基线成像方法，该方法结合了宽带信号重建技术与自适应频域补偿机制。为验证该算法的有效性，实验是在一块大型缺陷碳纤维增强聚合物板上进行的，所使用的传感器网络为“2个激励器+8个接收器”的混合结构，由压电换能器和光纤布拉格光栅传感器组成。选择这种混合传感器网络是因为它兼具压电换能器的高能量激发能力以及光纤布拉格光栅传感器重量轻、抗电磁干扰等优点[50][51]。此外，光纤声学技术也在不断发展，从用于健康监测的边缘滤波型应变解调技术，到基于定制光纤探头的新型宽带超声生成技术[52]，这些都大大拓展了光学传感器在复杂及电磁敏感环境中的应用前景。不过，激励器与接收器数量之间的严重失衡加剧了网络的拓扑稀疏性，这就需要借助多径反射波来弥补覆盖范围的不足。实验结果表明，当仅利用S0模式时，所提出的改进型虚拟时间反演方法能够有效抑制多径重建带来的失真，无需增加额外的物理传感器即可充分利用边界反射波，最终实现稳定的无基线损伤定位。

片段内容
复合材料中的多径传播机制与边界镜像等效性
在有限尺寸的复合层合板中，兰姆波在遇到结构边界时会发生强烈反射，从而形成覆盖整个板面的多径波场。物理板体内的多次边界反射会导致波的传播路径发生折叠。为有效利用这些信号，人们通常引入“虚拟源”概念，将这些折叠后的路径视为等效的直线传播路径。

碳纤维增强聚合物复合材料
PZT-FBG混合感测系统
本研究中的实验样品是一块尺寸为1000毫米×1000毫米×1毫米的大型碳纤维增强聚合物层合板，其层叠结构为正交的四层结构，记为[0/90]2。为实现有效的激励并稳定获取长距离多径引导波，本文建立了如图5所示的PZT-FBG混合引导波检测系统。在激励端，使用任意波形发生器来生成信号。

典型路径重建波形与自适应补偿效果的比较
为评估位于(610, 625)毫米处的局部材料去除缺陷，本节选取了三条典型的传播路径进行对比分析：一条短距离的完好路径、一条包含边界反射的长距离完好路径，以及一条穿过缺陷的受损路径。分别用传统窄带虚拟时间反演方法、未经补偿的宽带虚拟时间反演方法以及本文提出的改进方法，对这三种方法重建得到的波形及其对应的损伤指数进行了比较。

图8(a)

结论
针对复合材料在长距离监测过程中面临的色散效应和各向异性衰减问题，本文提出了一种结合宽带信号与自适应补偿的改进型多径无基线成像算法。该算法已在一块1000毫米×1000毫米的碳纤维增强聚合物板上得到了验证，所用传感器网络仅为2个激励器和8个接收器的PZT-FBG混合结构。主要结论如下：
1. 本文提出的改进型虚拟时间反演方法……

作者贡献声明
傅学磊：撰写——审阅与编辑；王宏伟：撰写——初稿；吴玉良：概念设计；邱金星：资源协调；刘晓：方法设计；李正英：监督与资源支持。

资金支持
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFF0508400）、国家自然科学基金（项目编号U24A20306和52205574）以及湖北省技术创新计划项目（项目编号2024BAA005）的支持。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

傅学磊|王宏伟|吴玉良|邱金星|刘晓|李正英
中国湖北省武汉市武汉工业大学信息工程学院，邮编430070