一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统

1.本发明属于激光超声无损检测技术领域，具体涉及一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统。


背景技术：

2.面对广袤无垠的海洋，及时传递高效的信息是具有重要价值的。由于海洋水汽蒸发湿度较大等因素，光通信与无线通信受到非常严重的干扰，而声波在海底中传播速度较快，衰减较小，因此海底信息的获取基本依靠声波来进行探测。而在固体声波中，弹性波具有传播速度快，能量损耗低，信息容量大等重要优势，能够对信息起到很好的调制作用。随着待测金属板材厚度的逐渐增加，其模式数目也随之增加，每个模式都有其对应的位移，群速度，相速度，和应力分布，而通过声速的波动变化我们可以进而推断出边界上的应力，质量等变化，因此该发明对于声表面波在固体及水下固体中传播的模式研究具有重要科研价值。
3.激光超声技术的飞速发展与检测技术的飞速提升息息相关，光纤传感器便是新型的传感器件之一，它具有可调节、高精度、体积小、适用范围广等特点，其损耗较低，可应用于远距离复杂地形探测。2007年，梁艺军团队设计了一种基于光纤菲索干涉仪的传感器，可用于检测由声表面波振动产生而的位移；2010年，倪辰萌等人进行了全光学激发的铝板表面裂痕检测实验，并研究分析了声表面波传输特性；2017年，zhong yunjie在“journal of nondestructive evaluation”上发表了“simulation of laser ultrasonics for detection of surface-connected rail defects”，利用激光超声检测系统对带有裂痕的铁轨进行无损检测实验。
4.以上研究均为使用单一光路进行测量，无法确保高时空分辨率的弹性导波模式检测的高精度的测量实现及实时检测记录信号信息的需要。基于现实实践的发展需要，急需开发一种高精度的高时空分辨率的弹性导波模式检测系统。


技术实现要素：

5.基于现有技术的存在的技术问题，本发明提供了一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，本发明解决了高时空分辨率的弹性导波模式检测问题，实现多通道同时测量空气中或水下超声波于固体中的传输过程。
6.基于本发明的技术方案，本发明提供一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其包括激励源、待测样品、多通道光纤干涉仪、光电探测模块和信号识别处理模块，激励源在待测样品中激发超声波，利用多通道光纤干涉仪探测沿特定方向传输的超声波信号，再经由光电探测模块将光信号转换成电信号，最终利用信号识别处理模块进行处理实现高分辨率特征检测。
7.进一步地，激励源的激励方式为非接触式激励，非接触式激励采用超声激发或脉冲激光源激发弹性导波信号。
8.更进一步地，多通道光纤干涉仪为多通道光纤菲索干涉仪，对待测样品表面不同位置的弹性导波信号进行同时测量。
9.所述具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统通过选择多通道光纤干涉仪的多通道光纤探头的排布方式，来实现不同空间位置弹性波模场分布的同时探测，多通道光纤探头包括纵向排布、横向排布、环形排布或t字形排布等方式。
10.优选地，通过调整多通道光纤探头内通道间距来实现不同信号检测空间分辨率的控制，选用纤芯间距为微米量级的多芯光纤作为多通道干涉仪光纤探头，实现微米级分辨率的超声信号检测。
11.更进一步地，光电探测模块同时接收多通道光电信号。经信号识别处理模块处理后可以得到弹性材料中的传播模式、速度、相位和强度分布细节信息，基于模式分析算法获得不同弹性导波模式成分的占比。
12.优选地，待测样品通常为金属样品，使用四轴承电动位移台驱动待测金属样品，误差小于0.01mm。
13.与现有技术相比，本发明一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统的有益效果是：
14.1、采用非接触式激发方式，对空气中(使用固体激光器)或水下(使用超声信号发生器)样品进行激发，可减少误差和能量损耗。
15.2、使用多通道光纤干涉方法测量信号，光纤紧密排布，精度可达微米量级，解决常规测量中分辨率不高的问题。
16.3、该系统可同时对多点信号进行检测，记录同一时刻不同点位的振幅震荡，经过处理可使得扫描区域内呈现同一时刻完整的模式分布，解决单一探头不同时刻测量不同点位信号，波形会随时间变化产生震荡的问题。
17.4、实验系统可以很好地避免臂长等因素的干扰，适于在温差大的环境下工作，并拥有灵敏度较高，便于调节，信噪比较高等优点，可测得水上和水下弹性波的传输，进而分析其导波模式，对声源特性进行探测。
18.5、本发明还可应用于检测金属表面裂纹，气孔等缺陷，制作简单，适用领域较为广泛。
附图说明
19.图1为依据本发明的具有高时空分辨率的弹性导波检测系统示意图。
20.图2为本发明具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统的多通道光纤探头图。
21.图3为特定频率下存在多模式叠加的最佳拟合曲线图像。
具体实施方式
22.结合本发明的附图说明，阐述本发明应用于实际的实施例和技术方案。现阐述的实施方式只代表本发明一部分实施例，不代表全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。另外，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述系统中具体模块或零件的具体参数。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
24.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.本发明提出了一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，提高了测量的时空分辨率，使用多根光纤组合而成探测矩阵，可应用于高分辨率的扫描探测，实时检测记录信号信息，并且在超声无损检测技术领域以及海底地声信号声源探测等领域都具有可观的研究价值。
27.本发明的具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统包括激励源、待测样品、多通道光纤干涉仪、光电探测模块和信号识别处理模块，激励源在待测样品中激发超声波，利用多通道光纤干涉仪探测沿特定方向传输的超声波信号，再经由光电探测模块将光信号转换成电信号，最终利用信号识别处理模块进行处理实现高分辨率特征检测。本发明的具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统包括激励源可以精准地探测样品表面的细微振动，检测到沿待测样品表面传输的弹性波，其探测的振动量级可以达到微米量级。
28.所述激励源的激励方式为非接触式激励，激励方式包括两种情况：第一种情况是测量水下超声信号于固体中传输时，选用超声信号发生器在水下激发待测样品产生超声信号，超声探头激发端和接收端分别位于待测金属样品两侧，将超声信号发生器的同步信号端口连接到示波器上对应端口，作为同步信号；第二种情况是测量空气中超声信号于固体中传输时，使用脉冲激光源激发待测样品产生超声信号，激光源辐射的激光经平面透镜分为两部分，一部分光穿过平面透镜经凸透镜汇聚于待测样品表面产生超声波，另一部分由平面透镜反射的光经由光电探测模块将光信号转化为电信号再传输到示波器上作为同步信号。
29.待测样品通常为金属样品，使用四轴承电动位移台驱动待测金属样品，误差小于0.01mm。
30.多通道光纤干涉仪采用多通道光纤菲索干涉仪，可对待测样品内不同点位的超声波进行测量。优选地，多通道光纤干涉仪的多通道光纤探头可随样品表面尺寸根据实际情况需要进行排布；与多通道光纤的排布方向相适应，多通道光纤探头可选择地制备成纵向排布、横向排布、环形排布、t字形排布等方式，多通道光纤探头对待测样品不同位置处的超声波场分布进行高分辨率的检测。在另外的实施例中，可选用纤芯间距为微米量级的多芯光纤作为多通道光纤干涉仪的多通道光纤探头，使用光学支架对光纤探头进行微调，每根
光纤端面直径为125μm，实现微米级分辨率的超声信号检测，进而实现高精度，高时空分辨率探测沿板厚方向传输的弹性波。
31.光电探测模块由多个光电探测器组成，可同时将多路光信号转换成电信号。
32.信号识别处理模块包括使用高采样率、高垂直分辨率的示波器以及高通滤波处理模块或低通滤波处理模块，使用信号处理算法处理测得信号、分析信号的相位差变化和延时变化。经信号识别处理模块处理后可以得到弹性材料中的传播模式、速度、相位和强度分布细节等信息，基于模式分析算法可获得不同弹性导波模式成分的占比。
33.具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统的工作原理：
34.具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统利用激光器辐射到待测样品表面，(1)针对固态物质，基于热弹效应的原理，所激发的激光在金属中产生兰姆波、瑞利波、纵波、横波等超声波；(2)针对于水下待测样品，利用超声信号发生器于水下待测样品中激发超声信号。基于光学干涉方法，测量光与经待测样品表面反射后的激光相遇产生明暗相间的干涉信号，适当调整光学谐振腔可以获得与振动信号成正比的光强输出。搭建的干涉仪为多通道光纤菲索干涉仪，可对待测样品内不同点位的超声波进行同时测量。利用信号识别处理模块对样品沿侧面传输的超声波进行识别并根据实际激发的超声波频段，做出对应的频段滤波处理，使用matlab程序对其进行时域和频域上的分析，通过处理计算后可以得到超声波于材料中的传播速度、相位和强度分布等信息，从而获得弹性导波的高时空分辨率的特征检测。
35.相比较于现有技术，本发明能够实现高分辨率检测。其工作原理在于，多通道干涉仪的光纤探头可选择多种排布方式，多种排布方式包括纵向排布、横向排布、环形排布、t字形排布等方式，可根据实际情况需要进行排布，对待测样品不同位置处的超声波场分布进行高分辨率的检测。多通道光纤探头中不同通道间距可根据实际需要进行调整，也可选用纤芯间距为微米量级的多芯光纤作为干涉仪光纤探头，实现微米级分辨率的超声信号检测。
36.待测样品中传输的波形为驻波，不同时刻波节与频率虽然不发生改变，但是会随着时间变化产生震荡。本发明具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统通过使用紧密排布的多路光纤探头，同时对待测样品内不同点位的超声信号进行测量可有效解决这一问题。通过调整光路设计和探测方式、提高光电转换器效率和检波时间采样数等方式提升检测的时间空间分辨率。
37.超声信号在固体中传输时，会产生不同阶数与反射数的对称模式与反对称模式。沿板厚施加等大的、垂直于板面的关于中性面对称、反对称的载荷，可以测得s0、a0、s1、a1
…
等不同模式。随着激发条件的不同或引入结构的不同，待测样品中会产生不同的模式变化，在特定条件下会产生模式叠加等现象。
38.本发明具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统通过处理分析所测得的超声信号，可以判断出信号传输中的主要模式分布与模式变化规律，对其进行系统的分析，可以有助于探究水下声源的具体定位，超声无损检测等问题。
39.下面结合附图，通过优选实施例，进一步说明本发明。如图1所示，图1为具有高时空分辨率的弹性导波检测系统图。测量水下超声信号于固体中传输时选用水下激发超声波模块，由超声信号发生器通过水下超声探头在待测样品表面激发超声波；测量空气中超声
信号于固体中传输时选用空气中激发超声波模块，由脉冲激光源辐射激光，一部分光经平面透镜反射作为参考光经光电探测器，连接到示波器对应同步信号端口，另一部分光穿过平面透镜经凸透镜汇聚到待测样品表面激发超声波。选用窄线宽激光器作为测量光源，其辐射激光经分光器分为多路光，每路通过环形器与制作的光纤探头相连接，组成多通道光纤干涉仪，输出信号由多路光电探测器接收，组成光电探测模块，将光信号转化成电信号。再通过多通道示波器采集信号，利用高(低)通滤波处理器以及计算机matlab等算法编程组成的信号识别处理模块处理测得信号。
40.更进一步地，本发明选用超声信号发生器水下激发方式激发超声波，选用半浸没于水中的金属铝板作为待测样品，其尺寸为6mm
×
120mm
×
200mm。使用四轴承精密电动位移台固定或夹持待测金属铝板，将固定后的金属铝板沿z轴方向进行调节使其半浸没于水中；使用超声信号发生器于水下激发超声信号，超声探头刚好完全浸没于水中，距离待测金属铝板下沿6mm。所选超声信号发生器激发超声波频率范围为0.25mhz-20 mhz，脉冲电压范围为100v-400v，将频率调至1mhz，电压调至400v，增益调至-49db。采用的是七通道光纤干涉仪进行探测，窄线宽激光器发出的检测光源经分光器分为七路光，每一路连接一个环形器，确保光按一定路线传输。每一个环形器一端连接固定在法兰盘上可用光纤调节架调节的光纤探头，光纤探头为七芯环形排布方式，其探头为七芯扇入扇出式，探头固定在可进行三维调节的光纤调整架上。输出信号由光电探测器接收，将由检测光经过光纤端面和待测金属铝板样品表面形成的光程差产生的干涉光信号转化为电信号再输出到多通道信号识别处理模块进行处理。
41.使用matlab编写程序对所测的信号进行滤波处理，并做傅里叶变换对其频域进行分析。使用超声探头接收激励的弹性波时域信号。可以观测到光纤探头测得的弹性波时域信号横向排布上具有明显的相位上的区别，纵向排布上具有明显的延时上的区别。经傅里叶变换后所得到的频域信号与激励信号的频域较为一致。超声探头激发的超声波频率为1mhz左右，所测得的信号进行频域分析后在1mhz附近出现明显幅值。
42.需要进一步说明的是：简单的金属铝板的薄板波导中，会同时出现具有对称和反对称性质的导波模，依激发情况不同，其模式占比也有所差异。通过对所测得信号时域频域上的分析处理，计算得到其声速，进而分析不同的导波模式分布。
43.该实施例中通过使用紧密排布的多路光纤探头，同时对待测样品(金属铝板)内不同点位的超声波进行测量、调整光路设计和探测方式、提高光电转换器效率和检波时间采样数等方式实现了高分辨率的检测。
44.以上所述为本发明较佳使用案例，但本发明保护范围并不局限于此，光纤探头数量也不局限于7根，更多通道光纤探头也在本发明保护范围之内。任何熟悉本技术领域的研究人员在本发明揭露的技术范围内轻易想到的变换或替换都应属于本发明的保护范围内。
45.在另一的实施例中，测量水下超声信号于固体中传输时选用水下激发超声波模块，由超声信号发生器通过水下超声探头在待测样品表面激发超声波；测量空气中超声信号于固体中传输时选用空气中激发超声波模块，由脉冲激光源辐射激光，一部分光经平面透镜反射作为参考光经光电探测器，连接到示波器对应同步信号端口，另一部分光穿过平面透镜经凸透镜汇聚到待测样品表面激发超声波。选用窄线宽激光器作为测量光源，其辐射激光经分光器分为多路光，每路通过环形器与制作的光纤探头相连接，组成多通道光纤
干涉仪，输出信号由多路光电探测器接收，组成光电探测模块，将光信号转化成电信号。再通过多通道示波器采集信号，利用高(低)通滤波处理器以及计算机matlab等算法编程组成的信号识别处理模块处理测得信号。
46.如图2所示的多通道光纤探头图，在待测样品表面激发超声波，使用多通道光纤探头进行扫描与测量。多通道光纤探头中不同通道间距可根据实际需要进行调整，也可选用纤芯间距为微米量级的多芯光纤作为干涉仪光纤探头，实现微米级分辨率的超声信号检测。探头纤芯排布可设计为环形排布(
①
)，纵向排布(
②
)，横向排布(
③
)，t形排布(
④
)等排布方式。可根据实际情况需要进行排布，对样品不同位置处的超声波场分布进行高分辨率的检测。
47.图3为特定频率下存在多模式叠加的最佳拟合曲线图像。对样品入口附近沿y轴电场进行拟合，利用该系统检测模式分布，分析多模式传输情况，利用拟合算法可测得a0，s1模式占比较大。
48.与现有技术相比较，本发明设计制作了一套具有高时空分辨率的弹性导波检测系统，可经多个光纤探头同时测量计算得到高时空分辨率的弹性导波模式信息。本发明的优点在于：采用非接触式激发方式，对空气中(在空气中使用固体激光器)或水下(在水下使用超声信号发生器)样品进行激发，可减少误差和能量损耗。使用多通道光纤干涉方法测量信号，光纤紧密排布，精度可达微米量级，解决常规测量中分辨率不高的问题。本发明具有高时空分辨率的弹性导波检测系统可同时对多点信号进行检测，记录同一时刻不同点位的振幅震荡，经过处理可使得扫描区域内呈现同一时刻完整的模式分布，解决单一探头不同时刻测量不同点位信号，波形会随时间变化产生震荡的问题；并且本发明系统可以很好地避免臂长等因素的干扰，适于在温差大的环境下工作，并拥有灵敏度较高，便于调节，信噪比较高等优点，可测得水上和水下弹性波的传输，进而分析其导波模式，对声源特性进行探测。本发明系统还可应用于检测金属表面裂纹，气孔等缺陷，制作简单，适用领域较为广泛。
49.以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的工作原理和结构组成之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于.其包括激励源、待测样品、多通道光纤干涉仪、光电探测模块和信号识别处理模块，所述激励源在待测样品中激发超声波，利用多通道光纤干涉仪探测沿特定方向传输的超声波信号，再经由光电探测模块将光信号转换成电信号，最终利用信号识别处理模块进行处理实现高分辨率特征检测。2.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，激励源的激励方式为非接触式激励，非接触式激励采用超声激发或脉冲激光源激发弹性导波信号。3.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，多通道光纤干涉仪为多通道光纤菲索干涉仪，对待测样品表面不同位置的弹性导波信号进行同时测量。4.根据权利要求1或权利要求3所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，通过选择多通道光纤干涉仪的多通道光纤探头的排布方式，来实现不同空间位置弹性波模场分布的同时探测，多通道光纤干涉仪的多通道光纤探头包括纵向排布、横向排布、环形排布或t字形排布方式。5.根据权利要求3或权利要求4所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，通过调整多通道光纤探头内通道间距来实现不同信号检测空间分辨率的控制，选用纤芯间距为微米量级的多芯光纤作为多通道干涉仪光纤探头，实现微米级分辨率的超声信号检测。6.根据权利要求1所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，光电探测模块同时接收多通道光电信号。7.根据权利要求1或权利要求6所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，经信号识别处理模块处理后可以得到弹性材料中的传播模式、速度、相位和强度分布细节信息，基于模式分析算法获得不同弹性导波模式成分的占比。8.根据权利要求1或权利要求6所述的一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其特征在于，待测样品通常为金属样品，使用四轴承电动位移台驱动待测金属样品，误差小于0.01mm。

技术总结
本发明公开了一种具有高时空分辨率的弹性导波模式检测系统，其包括激励源、待测样品、多通道光纤干涉仪、光电探测模块和信号识别处理模块，所述激励源在待测样品中激发超声波，利用多通道光纤干涉仪探测沿特定方向传输的超声波信号，再经由光电探测模块将光信号转换成电信号，最终利用信号识别处理模块进行处理实现高分辨率特征检测。本发明具有高时空分辨率的弹性导波检测系统测量精度高、误差小、易搭建、适用范围广泛，可应用于水下声源定位和无损检测等领域，具有重要的应用价值和前景。具有重要的应用价值和前景。具有重要的应用价值和前景。


技术研发人员：樊亚仙 班瑞 张日丰 刘欢 陶智勇
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/8