一种多频超声信号融合缺陷定量检测方法及系统

本发明涉及智能信号处理，尤其涉及一种多频超声信号融合缺陷定量检测方法及系统。

背景技术：

1、随着楼宇外墙逐步采用金属面板、保温层和混凝土基材组成的多介质复合结构，层间脱黏、空鼓和裂缝等内部缺陷的检测需求日益突出。该类结构中，不同介质层的声学参数差异较大，超声波在传播过程中容易出现传播时延不一致、能量衰减差异明显以及多界面回波相互叠加的问题，特别是在深层区域，缺陷回波往往被正常层间回波和噪声成分掩盖，导致缺陷位置难以准确锁定、缺陷类型难以稳定区分、缺陷尺寸难以实现可靠量化。因此，亟需一种能够面向多介质层结构、利用多频超声信号实现缺陷精准定位和定量检测的方法。

2、现有技术在解决上述问题时，通常侧重于单一频率超声检测或者对多频回波进行简单处理，难以兼顾不同深度区域的传播适应性和检测稳定性；当超声波穿过多层介质并在多个界面之间往返传播时，正常层间响应、异常缺陷响应以及噪声响应容易在时域和频域上混杂，造成深层缺陷回波难以有效分离。同时，现有方案对不同频率信号在传播时延和能量损失上的差异考虑不足，导致跨频信息难以在同一深度位置形成有效增强，进而影响缺陷位置判定结果的准确性。在此基础上，若仅依赖单一幅值指标或经验判断进行分析，还容易造成缺陷类型识别不稳和尺寸评估偏差较大的问题，难以满足楼宇外墙多介质层结构缺陷检测对准确性、稳定性和定量化能力的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的在多介质层结构中深层缺陷回波易受多界面回波叠加与传播衰减影响，导致缺陷位置难以准确锁定、缺陷类型难以稳定识别以及缺陷尺寸难以可靠量化的缺点，而提出的一种多频超声信号融合缺陷定量检测方法及系统。

2、为了解决现有技术存在的问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种多频超声信号融合缺陷定量检测方法，包括：

4、s1、获取待测结构的多频对齐回波，并基于多介质层传播模型确定多频信号在不同深度处的传播时延函数和路径权重函数；

5、s2、基于所述多频对齐回波与无缺陷参考回波提取缺陷残差信号；

6、s3、基于所述传播时延函数和所述路径权重函数，计算所述缺陷残差信号在各候选深度处的跨频同位聚焦强度，并将最大跨频同位聚焦强度对应的候选深度确定为缺陷主深度位置；

7、s4、基于所述缺陷主深度位置、所述传播时延函数和所述路径权重函数，对所述缺陷残差信号进行跨频对齐和加权叠加，得到缺陷相干重构回波，并基于所述最大跨频同位聚焦强度、所述缺陷主深度位置和所述缺陷相干重构回波构建缺陷定量特征向量；

8、s5、将所述缺陷定量特征向量输入分类网络，确定缺陷类型，并依据所述缺陷类型以及所述缺陷定量特征向量中的深度信息和多频响应信息，基于物理映射模型和回归网络计算缺陷尺寸，输出包含所述缺陷类型、所述缺陷主深度位置和所述缺陷尺寸的缺陷定量检测结果。

9、优选地，获取待测结构的多频对齐回波，包括：

10、采集待测结构在多个频率下的原始回波信号，并对所述原始回波信号进行去噪处理，得到各频率对应的去噪信号；

11、选取一参考频率对应的去噪信号作为基准，利用互相关法求取其余各频率去噪信号相对于所述基准的跨频时间偏移量；

12、根据所述跨频时间偏移量对各频率去噪信号进行时间平移校准，得到所述多频对齐回波。

13、优选地，基于多介质层传播模型确定多频信号在不同深度处的传播时延函数和路径权重函数，包括：

14、基于所述多介质层传播模型，获取各频率超声波在各介质层中的传播波速、衰减系数以及层间界面的界面传递系数；

15、根据各介质层厚度和所述传播波速，计算各频率超声波在各候选深度处的双程传播时延，作为所述传播时延函数；

16、根据各介质层厚度、所述衰减系数以及所述界面传递系数，计算各频率超声波在各候选深度处的衰减与透射综合权重，作为所述路径权重函数。

17、优选地，基于所述多频对齐回波与无缺陷参考回波提取缺陷残差信号，包括：

18、基于传递矩阵法构建无缺陷多介质层的参考传递函数；

19、将所述参考传递函数与超声激励对应的激励频谱相结合，生成对应于各频率的无缺陷参考回波；

20、根据所述多频对齐回波与所述无缺陷参考回波之间的差值，提取所述缺陷残差信号。

21、优选地，计算所述缺陷残差信号在各候选深度处的跨频同位聚焦强度，包括：

22、对各频率的所述缺陷残差信号进行解析信号处理；

23、对每一候选深度，基于该候选深度对应的所述传播时延函数和所述路径权重函数，对各频率解析信号进行跨频聚合，得到该候选深度对应的聚合响应；

24、根据所述聚合响应与各频率解析信号在该候选深度处的响应强度，计算该候选深度对应的跨频同位聚焦强度；

25、将跨频同位聚焦强度最大的候选深度确定为所述缺陷主深度位置，并将对应的跨频同位聚焦强度确定为所述最大跨频同位聚焦强度。

26、优选地，对所述缺陷残差信号进行跨频对齐和加权叠加，得到缺陷相干重构回波，包括：

27、基于所述缺陷主深度位置处各频率对应的路径权重函数，确定各频率的融合权重；

28、基于所述缺陷主深度位置对应的传播时延函数，对各频率的所述缺陷残差信号进行跨频时间对齐；

29、依据所述融合权重对时间对齐后的各频率缺陷残差信号进行加权叠加，得到所述缺陷相干重构回波。

30、优选地，构建缺陷定量特征向量，包括：

31、从所述缺陷相干重构回波中提取峰值幅值、主响应相位、频谱中心和半高宽；

32、将所述最大跨频同位聚焦强度、所述缺陷主深度位置、所述峰值幅值、所述主响应相位、所述频谱中心和所述半高宽进行组合，构成所述缺陷定量特征向量。

33、优选地，基于物理映射模型和回归网络计算缺陷尺寸，包括：

34、依据所述缺陷类型以及所述缺陷定量特征向量中的深度信息和多频响应信息，通过反映缺陷参数与多频回波参数对应关系的所述物理映射模型，求解得到缺陷尺寸初值；

35、将所述缺陷定量特征向量输入所述回归网络，输出尺寸修正量；

36、将所述缺陷尺寸初值与所述尺寸修正量进行融合，得到所述缺陷尺寸。

37、为了解决上述问题，本发明还提供一种多频超声信号融合缺陷定量检测系统，包括：

38、获取与校准模块，用于获取待测结构的多频对齐回波，并基于多介质层传播模型确定多频信号在不同深度处的传播时延函数和路径权重函数；

39、残差提取模块，用于基于所述多频对齐回波与无缺陷参考回波提取缺陷残差信号；

40、聚焦定位模块，用于基于所述传播时延函数和所述路径权重函数，计算所述缺陷残差信号在各候选深度处的跨频同位聚焦强度，并将最大跨频同位聚焦强度对应的候选深度确定为缺陷主深度位置；

41、相干重构模块，用于基于所述缺陷主深度位置、所述传播时延函数和所述路径权重函数，对所述缺陷残差信号进行跨频对齐和加权叠加，得到缺陷相干重构回波，并基于所述最大跨频同位聚焦强度、所述缺陷主深度位置和所述缺陷相干重构回波构建缺陷定量特征向量；

42、定量评估模块，用于将所述缺陷定量特征向量输入分类网络，确定缺陷类型，并依据所述缺陷类型以及所述缺陷定量特征向量中的深度信息和多频响应信息，基于物理映射模型和回归网络计算缺陷尺寸，输出包含所述缺陷类型、所述缺陷主深度位置和所述缺陷尺寸的缺陷定量检测结果。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、本发明通过对待测结构在多个频率下的回波信号进行去噪、跨频时间校准以及多介质层传播建模，建立了不同深度处的传播时延关系和路径权重关系，并进一步利用无缺陷参考回波对实测回波进行差值处理，提取出缺陷残差信号，从而有效削弱正常层间响应对检测结果的干扰；在此基础上，对各候选深度处的缺陷残差信号进行跨频聚合，利用最大跨频同位聚焦强度确定缺陷主深度位置，使多频信号能够围绕同一缺陷位置形成一致增强，进而提高深层缺陷定位的准确性和稳定性；

45、本发明在完成缺陷主深度位置确定后，进一步对缺陷残差信号进行跨频对齐和加权叠加，得到缺陷相干重构回波，并从中提取峰值幅值、主响应相位、频谱中心和半高宽等参数，与最大跨频同位聚焦强度和缺陷主深度位置共同构成缺陷定量特征向量；通过将该缺陷定量特征向量输入分类网络确定缺陷类型，并结合物理映射模型和回归网络计算缺陷尺寸，实现了对缺陷类型、位置和尺寸的联合定量检测，增强了检测结果的完整性和精细性。