超聲子波缺陷散射的小波有限球法與視頻放大方法

《超聲子波缺陷散射的小波有限球法與視頻放大方法》是依託華中科技大學，由軒建平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超聲子波缺陷散射的小波有限球法與視頻放大方法
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：軒建平
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

複雜材料內部的超聲成像在許多領域有重要套用，是一個困難的挑戰。其基本問題是，不均勻材料散射和弱化超音波，妨礙可感知的波動成像。本項目針對該科學問題，發展無需構造格線的小波有限球法對超音波散射機理進行可靠和有效地分析和數值計算，利用開發的成像裝置進行實驗驗證等手段，揭示材料缺陷對超聲脈衝子波散射的主要規律，改進成像質量。為此，開展複雜材料中缺陷對脈衝子波散射本構模型研究，把小波用於有限球法中局部基函式，提出改進的高精度小波聯繫係數計算和數值積分規則的方法；採用雙白光LED管光源和雙偏振光學系統，設計新型超音波傳播過程可視化原型樣機；利用小波金字塔算法進行視頻幀內濾波，時間序列模型進行視頻幀間濾波，提出基於小波圖像處理的超音波傳播視頻運動放大和時間空間聯合濾波方法等工作，為超聲無損檢測、材料力學、小波分析和數值計算提供新方法，同時也為超聲成象、信號處理和早期故障診斷提供新技術和新工具。

結題摘要

本項目採用小波多解析度理論研究了超音波傳播和結構微振動視頻微小運動放大問題，利用有限球理論，對結構中超音波與裂紋等缺陷的散射問題進行建模和數值分析，利用頻閃原理，設計和製作了低成本超音波傳播過程測量裝置。結合套用實際，開發了相應的信號分析與學習算法。主要研究內容和成果有：提出了基於Coiflet小波的視頻微小運動放大方法，根據小波多解析度理論構造了一種視頻運動放大方法，由小波金字塔算法獲得了視頻每幀的空間頻率二維分布，按照空間頻率二維分布設定適當的放大因子，否則會出現偽影，影響放大效果，幀間採用時間序列方法濾波。此外，超音波在具有複雜殘餘應力的材料中，傳播視頻信號極其微弱，難以看清其傳播過程，據此，提出了一種新的基於複數可操作金字塔算法的視頻運動放大方法，通過對一段標準視頻序列進行可操縱金字塔空間分解、時域濾波，放大得到的信號以揭示微小的運動，並在超音波傳播視頻微小運動進行了套用，效果良好。有限球法是一種無格線劃分的有限元方法，其解決了傳統有限元方法中“非重疊有限單元”的限制。本項目使用Matlab軟體編寫有限球法和波傳播程式，仿真了超聲子波在深槽、圓孔等缺陷結構件中的波傳播過程、波形轉換、頭波和爬波等現象。設計並製作了低成本超音波可視化功能模組，採用FPGA編程產生兩路相位差動態變化的觸發信號；然後利用MOSFET管的開關效應產生高壓脈衝來激勵超音波換能器，利用電晶體的雪崩倍增效應來產生大電流、窄脈寬的脈衝來點亮LED作為頻閃光源,實現了在透明試件中超音波傳播的可視化，實驗結果和仿真結果具有較好的一致性。提出的方法也套用到結構件振動視頻狀態檢測與故障診斷中，開發了相關信號分析與學習方法。這些結果為超聲學、固體力學、斷裂動力學、小波分析和數值計算提供新理論、新方法，同時也為超聲檢測、斷裂分析和早期故障診斷和結構微小運動監測提供新技術和新工具，具有重要的科學意義和套用價值。