基于扫描激光多普勒测振的二维连续小波变换复合材料面板检测技术

《Applied Sciences》：A 2-Dimensional Continuous Wavelet Transform Technique for Composite Panel Inspections by Scanning Laser Doppler Vibrometry

　　

Lamb波传播分析是复合材料薄壁结构无损检测（NDT）的前沿方法之一。其基本诊断原理依赖于弹性波波长随传播板厚度的变化。因此，复合材料面板中的关键缺陷（如脱层）可以通过非接触、自动化和高分辨率的方法（如激光多普勒测振（LDV））检测。信号处理中应用的通用方法称为局部波数估计（LWE），它通过创建采集频带内平均波长的图像，其中像素元素对应测振仪扫描网格的点。标准信号处理方法通常通过短空间傅里叶变换（SSFT）实现。虽然SSFT在创建采集频带内的平均波长图像方面有效，但其主要缺点在于严重依赖先验选择的空间窗口大小；次优选择会严重降低检测鲁棒性和空间分辨率。为克服这一限制，研究人员提出了一种基于各向同性Morlet小波的二维连续小波变换（2D-CWT）新方法，用于检测复合材料结构中的缺陷。随后，该方法通过一块带有诱导脱层的玻璃纤维增强板进行了实验验证。该方法平均而言表现更优，消除了参数依赖性，同时保留了原始图像分辨率，实现了66%的Intersection over Union（IoU）指标，与标准方法的值相当，但计算时间更短。

**研究背景与问题**
复合材料因其高比强度、低重量及优异的抗疲劳与耐腐蚀性能，在航空航天、汽车等领域得到广泛应用。然而，制造或服役过程中产生的缺陷（如脱层）会严重威胁结构完整性，因此发展高效、非接触、高分辨率的无损检测（NDT）方法至关重要。Lamb波在薄板结构中的传播特性对厚度变化敏感，当存在脱层时，局部有效厚度减小导致波数改变，这为基于波数成像的缺陷检测提供了物理基础。目前，局部波数估计（LWE）是主流信号处理框架，其标准实现采用短空间傅里叶变换（SSFT），能够生成采集频带内的平均波长图像。然而，SSFT存在一个关键缺陷：检测性能严重依赖于预先选定的空间窗口尺寸。窗口过大会导致缺陷区域波数被周围完整材料主导，对比度下降；窗口过小则波数分辨率不足，同样降低检测鲁棒性。这种参数依赖性限制了SSFT的实际应用。为此，研究人员提出了一种基于二维连续小波变换（2D-CWT）的新方法，旨在消除对窗口尺寸的依赖，同时保持高空间分辨率，实现自动化、无基线的缺陷检测。

**研究内容与结论**
研究人员在玻璃纤维增强聚合物（GFRP）平板上开展实验，该平板含有人工制造的脱层（直径22 mm，位于第3–4层之间）。采用单点扫描激光多普勒测振仪（SLDV）在64×64网格上采集面外速度信号，激励源为直径10 mm的压电陶瓷（PZT）圆盘，通过脉冲发生器激发。实验设置模拟自由边界条件，采样频率250 kHz，每个空间位置采集16次时间历程进行平均以提高信噪比。研究人员开发了一套完整的缺陷检测流程：首先对信号进行幅度衰减补偿，补偿模型基于各向同性指数衰减函数，通过非线性最小二乘拟合从数据中提取参数；然后分别采用SSFT和2D-CWT进行波数成像；最后通过自适应最大熵阈值化（Kapur算法）将连续波数图二值化，并利用连通组件标记提取缺陷区域，以IoU（Intersection over Union）指标与真实缺陷几何比较。该研究发表在《Applied Sciences》上，证明了2D-CWT方法在消除参数依赖、保持图像分辨率的同时，实现了与SSFT最优参数相当的检测精度（IoU 66%），且计算时间更低（112 ms vs. SSFT最大176 ms），是一种无监督、自动化且不需要基线信号的解决方案。

**主要关键技术与方法**
1. **扫描激光多普勒测振（SLDV）数据采集**：在GFRP平板上以64×64网格（空间分辨率约1.9 mm）逐点测量面外速度，每点采集16次时间历程并平均，使用Polytec单点LDV（OFV-505激光头与OFV-5000控制器），通过二维电动位移台实现扫描。
2. **幅度衰减补偿**：将速度信号转换为极坐标，沿径向提取最大局部响应，拟合各向同性衰减模型（`D(r)=A·r^{?α}`），通过非线性最小二乘法（Trust-Region-Reflective算法）估计参数（A=0.019±0.002 mm/s，α=0.54±0.04），然后对原始信号除以衰减模型进行补偿。
3. **波数成像方法**：
- **短空间傅里叶变换（SSFT）**：对补偿后的信号进行三维傅里叶变换（时间与空间），使用高斯滑动窗口（标准差s），在频域搜索最大波数并沿频率平均，得到局部平均波数图。
- **二维连续小波变换（2D-CWT）**：采用各向同性Morlet小波（“Halo”小波）作为母小波，对空间域波场进行小波变换，通过尺度参数a（与波数成反比）在频率线上最大化小波系数，得到平均尺度图，经取反后与SSFT对比。
4. **二值化与缺陷提取**：基于Kapur最大熵阈值法自动确定分割阈值，并迭代确定PZT干扰区域排除掩膜直径，使用连通组件标记（CCL）算法提取缺陷斑块，以IoU指标评估检测精度。

**研究结果**
**4.1 重复性研究**
通过计算每个扫描点16次重复测量的变异系数（CV_L2），验证了测量精度空间均匀性。结果表明，经幅度补偿后，脱层区域内CV_L2约0.5%，确认了时间平均数据的可靠性。
**4.2 基于RMS的缺陷检测**
原始速度信号的RMS图显示脱层区域振幅增大，但二值化后出现与材料各向异性辐射模式相关的假阳性伪影，且检测到的缺陷面积小于实际尺寸。
**4.3 衰减补偿RMS检测**
补偿后RMS图对比度增强，但二值化后仍出现由板边界反射引起的假阳性斑块，表明简单RMS方法无法有效分离缺陷与边界干扰。
**4.4 基于SSFT的波数成像**
SSFT方法在不同窗口尺寸（s从20 mm至50 mm）下产生不同结果：小窗口（20 mm）导致方向性伪影和假阳性；大窗口（50 mm）虽检出缺陷但边缘模糊。最佳窗口尺寸40 mm时IoU达71%，但性能对参数敏感（50 mm时降至23%）。
**4.5 基于2D-CWT的波数成像**
2D-CWT平均尺度图清晰显示脱层区域（低尺度对应高波数），经二值化后，在PZT掩膜排除后正确识别单一缺陷斑块，IoU为66%，且无需手动选择窗口参数。
**4.6 缺陷检测方法比较**
通过IoU指标定量比较，2D-CWT（66%）与SSFT最优结果（71%）接近，但计算时间更短（112 ms），且消除了参数调节需求。SSFT在非最优窗口下性能下降显著，而2D-CWT保持稳定。

**讨论与结论**
讨论部分指出，2D-CWT方法的主要优势在于消除了SSFT对空间窗口尺寸的依赖，通过尺度参数自适应适应局部特征，从而在保持空间分辨率的同时实现鲁棒检测。然而，该方法存在局限性：当前测试的GFRP板各向异性较弱，若材料各向异性严重，背景波数分布的各向异性模式可能降低阈值分割的统计可分离性，需要预滤波步骤；表面粗糙度假设为均匀；仅评估了单一类型缺陷（脱层）且仅检测到A0模式。未来工作需整合各向异性信息到预处理中。研究结论总结如下：（1）2D-CWT中空间窗口尺寸不再是相关参数，空间分辨率保持不变；（2）尽管衰减模型存在不确定性，66%的IoU保持恒定；（3）2D-CWT执行时间低于SSFT；（4）所提算法完全无监督。该研究为复合材料面板的定量损伤评估提供了一种灵活、自动化且无基线的解决方案，具有重要的工程应用前景。