[发明专利]一种基于图像配准的导波频散曲线模态追踪方法及系统

说明书

本发明属于导波结构健康监测领域，提供了一种基于图像配准的导波频散曲线模态追踪方法及系统，利用同一导波模态相邻频散点间模态振型所具有的极高相似性，通过提取各频散点对应的模态振型图，依据波数将其划分为图像序列，由所述的一次图像配准模块对相邻图像序列中的频散点模态振型图进行图像配准，计算图像间的结构相似度来筛选误匹配的频散点，其中针对误匹配频散点的模态振型图需进行位移反转及二次图像配准，结合配准结果中SSIM的最大值来追踪相邻图像序列中的各阶导波模态，依序循环，直至所有图像序列中的频散点都已配准完毕，以实现导波的多模态分离，并绘制各阶模态导波频散曲线，以分析导波信号及提取结构损伤信息。

技术领域

本发明导波结构健康监测领域，尤其涉及一种基于图像配准的导波频散曲线模态追踪方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，实际工程中的波导结构截面形状并不是非常规则且其所处工况环境比较复杂，采用传统的解析法很难求解，通常只能利用数值方法来研究波导结构的频散曲线，例如有半解析有限元法、波有限元法、有限元模态分析法等。但通过数值方法绘制的频散特性都是以散点图的形式呈现，无法区分不同的导波模态，很难形象、简便地描述各个模态对应的振动及传播规律，给导波的反射、透射、散射、结构响应等问题的后续研究带来了许多不便。

对于导波的频散曲线，在任何一频厚积下至少存在两种或两种以上的导波模式，且导波模式数目随着频厚积的增大迅速增加，不同导波模态的频散曲线相互交叉是极为普遍的现象，这给导波模态的追踪和分离带来了一定的难度。

目前，导波模态的追踪和分离的技术方法有：

(1)Loveday P W教授于2007年在期刊The International Society for OpticalEngineering上发表了一项基于模态正交分类算法对导波频散曲线进行模态追踪的工作(Loveday P W,Tomizuka M,Yun C B,et al.Time domain simulation of piezoelectricexcitation of guided waves in rails using waveguide finite elements[J].Proceedings of Spie the International Society for Optical Engineering,2007,6529:65290V-65290V-10.)，其中假设不同模态两个相邻频率之间本征矢量的正交性是近似成立的，通过计算每一个高频本征矢量与各个低频本征矢量之间的正交关系，可以判断相邻频散点是否属于同一模态。

(2)Mencik J M教授于2005年在期刊European Journal of Mechanics A/Solids上基于哈密顿矩阵的辛正交性质，对每个频散点特征值对应的本征矢量进行归一化，提出一项导波模态追踪准则来判断和区分每条导波模态的频散曲线(Mencik J M,Ichchou MN.Multi-mode propagation and diffusion in structures through finite elements[J].European Journal of Mechanics/ASolids,2005,24(5):877-898.)，然而该方法为了追求更高效的模态追踪与分离，往往需要向材料中引入一个非常小的阻尼比。(Ichchou MN,Akrout S,Mencik J M.Guided waves group and energy velocities via finiteelements[J].Journal of SoundVibration,2007,305(4-5):931-944.)

上述两种方法都涉及到大量的矢量运算，且为保证模态追踪结果的准确性都严格要求相邻频散点的频率间隔足够小，具有一定的应用局限性。