一种电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法

本发明属于无损检测技术，尤其涉及一种电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法。

背景技术：

1、在我国工业领域中管道、储罐等承压设备广泛采用了非导电、绝缘的防腐覆层，这类覆层在油气输送、化工生产等场景中承担着设备防护的核心作用，是保障工业系统稳定运行的关键。然而，覆层在长期服役过程中易因腐蚀、划伤、老化产生不同缺陷，该缺陷的存在会引发覆层失效，进而导致设备本体受损，引发安全事故与经济损失。因此，对非导电覆层的精准检测成为承压设备安全监测的重要环节。其中，电容成像检测技术凭借其非接触、高灵敏度以及适配非导电材料检测的特性，成为了该领域的主流检测手段，被广泛应用于非导电覆层的缺陷筛查工作中。

2、在电容成像检测技术的应用过程中，受限于缺陷反演相关理论研究的缺失与数据处理方法的匮乏，该种检测技术仅能实现缺陷有无的判断与粗略定位。其中，现有常规电容成像检测流程通常是将采集的电容信号转化为可视化的电荷图；然后依靠技术人员对电荷图的形态与特征的观察，来人工判断缺陷是否存在。对于缺陷引发的电荷响应特征、预测电荷分布生成等核心内容，尚无系统方法予以支撑，仅能依靠技术人员的经验判断，导致检测结果的可靠性与一致性较差。随着工业生产对设备安全监测要求的不断提升，仅完成缺陷筛查已无法满足设备仿真分析、检测模型验证、信号特征预判的实际需求。基于缺陷信息的精准反演与预测电荷生成已成为电容成像检测技术工程应用的核心需求，也是该技术发展的重要方向。

3、然而进一步研究后发明人发现，现有电容成像缺陷反演技术仍然存在以下明显不足：

4、（1）、缺乏多参数协同反演的解析模型或显式映射关系，现有技术通常只能逐个评估缺陷的关键参数尺寸（如长度或宽度），而忽略了各参数之间的耦合效应，无法实现多个关键参数的同步反演；

5、（2）、现有参数反演方法普遍缺乏对“软场”频率相关性的利用，无法有效解耦缺陷自身深度与埋藏深度的耦合效应；

6、（3）、纯数据驱动算法缺乏物理理论的支撑，训练数据需求量大、泛化性差，难以满足工业现场原位检测的需求；

7、（4）、由于测量系统信噪比有限且电极数量固定，可获得的独立电容测量值远少于待反演的参数个数，导致逆问题极度欠定，易产生多组参数组合同时拟合测量数据的现象，导致反演结果失去唯一性。

8、基于此，亟待本领域技术人员提供一种能实现非导电覆层缺陷精准反演与预测电荷生成的电容成像检测方法，以解决现有技术中反演精度低、缺乏物理理论支撑、预测电荷生成准确性差的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，其中，该缺陷多参数反演方法结合有限元仿真，构建得到了标准化灵敏度场矩阵，并建立了灵敏度场约束下的介电常数-电容定量映射关系；对实测电荷信号进行预处理后，采用正向建模与反向匹配相结合的闭环反演算法，配合神经网络优化实现缺陷多参数精准寻优，能够快速、稳定地反演得到缺陷长度、宽度、深度及埋深等关键参数，有效提升绝缘结构内部缺陷定量检测的精度与可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，包括有如下步骤：

4、步骤s101：搭建缺陷多参数反演方法所需的电容成像检测系统，并对其进行空场标定；其中，电容成像检测系统包括有单对共面电极电容成像传感器、三轴扫描单元、信号调理单元、数据采集单元及控制单元；

5、步骤s102：构建单对共面电极电容成像传感器对应的静电场模型；计算并归一化处理得到标准化灵敏度场矩阵；

6、步骤s103：建立介电常数-电容映射模型；推导得到缺陷参数与电荷信号的定量离散映射关系；

7、步骤s104：对待测试件进行扫描，采集得到电荷信号并记录其空间坐标；对原始电荷图进行预处理，得到真实电荷图；

8、步骤s105：预设初始化缺陷参数；

9、结合标准化灵敏度场矩阵与初始化缺陷参数，生成得到介电常数矩阵；

10、基于步骤s103建立得到的介电常数-电容映射模型，通过正向建模，生成得到预测电荷图；

11、步骤s106：计算预测电荷图与真实电荷图之间的匹配度；

12、以预测电荷图与真实电荷图之间的匹配度最大为目标，对缺陷参数进行迭代更新，直至匹配度达到预设阈值，输出当前缺陷参数作为缺陷反演的最优解；

13、其中，缺陷参数中至少包括有缺陷的长度、宽度、深度和埋深。

14、较为优选的，所述步骤s101中电容成像检测系统空场标定的合格标准为：空场背景电荷信号曲线平稳、幅值波动≤±0.5mv、无杂波与基线漂移。

15、较为优选的，所述步骤s102中计算并归一化处理得到标准化灵敏度场矩阵的过程，具体描述为：

16、采用有限元仿真软件，依据单对共面电极电容成像传感器的实际几何参数，构建二维静电场模型；

17、对二维静电场模型检测区域内的各个微元依次施加介电微扰；

18、通过点扰动法，推导得到各微元的灵敏度系数；其中，各微元的灵敏度系数，满足： ；

19、式中，为真空介电常数，为激励电压，分别为两个静电场接口在位置处求解得到的电场强度；

20、将各微元的灵敏度系数线性归一化至[0,1]区间，得到标准化灵敏度场矩阵。

21、较为优选的，所述步骤s103中建立介电常数-电容映射模型的过程，具体描述为：

22、将含缺陷试件等效为无缺陷均匀基底叠加缺陷负极化区域；

23、将检测区域离散为若干互不重叠的微元体；

24、基于灵敏度场的物理定义，建立总电荷扰动的离散映射公式，满足： ；

25、式中，q为单对共面电极电容成像传感器检测到的总电荷扰动，n为检测区域离散微元的总数量，为第个微元位置的灵敏度系数，为第个微元的体积；

26、为第个微元的介电常数扰动，满足： ；

27、其中，为第个微元的实际介电常数，为无缺陷基底的均匀介电常数。

28、较为优选的，所述步骤s104中对原始电荷图进行预处理，得到真实电荷图的过程，具体描述为：

29、对原始电荷图中的电荷信号线性归一化至[0,1]区间；

30、采用高斯核对归一化后的信号进行滤波处理；

31、以空场标定采集的背景信号为基准，对滤波处理后的信号进行背景校正，得到真实电荷图。

32、较为优选的，所述步骤s106中预测电荷图与真实电荷图的匹配度计算公式，满足： ；

33、其中，为预测电荷图的电荷值，为真实电荷图的电荷值。

34、本发明提供了一种电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法。其中，该缺陷多参数反演方法包括有如下步骤：步骤s101：搭建缺陷多参数反演方法所需的电容成像检测系统，并对其进行空场标定；步骤s102：构建单对共面电极电容成像传感器对应的静电场模型；计算并归一化处理得到标准化灵敏度场矩阵；步骤s103：建立介电常数-电容映射模型；推导得到缺陷参数与电荷信号的定量离散映射关系；步骤s104：对待测试件进行扫描，采集得到电荷信号并记录其空间坐标；对原始电荷图进行预处理，得到真实电荷图；步骤s105：预设初始化缺陷参数；结合标准化灵敏度场矩阵与初始化缺陷参数，生成得到介电常数矩阵；基于步骤s103建立得到的介电常数-电容映射模型，通过正向建模，生成得到预测电荷图；步骤s106：计算预测电荷图与真实电荷图之间的匹配度；以预测电荷图与真实电荷图之间的匹配度最大为目标，对缺陷参数进行迭代更新，直至匹配度达到预设阈值，输出当前缺陷参数作为缺陷反演的最优解。

35、具有上述步骤特征的电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，其相比于现有技术而言，至少具备如下有益效果；

36、（1）、本发明提供的电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，通过将灵敏度场物理约束引入反演过程，显著降低了缺陷量化的不适定性，提升了对埋深缺陷与微小缺陷的识别精度；

37、（2）、本发明提供的电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，实现了对缺陷长度、宽度、深度、埋深多参数的同步反演，无需多次检测或复杂建模，检测效率更高；

38、（3）、本发明提供的电容成像灵敏度场约束的缺陷多参数反演方法，通过正向建模与反向匹配的闭环迭代，结合神经网络优化求解，因而兼顾了物理可靠性与算法效率，工业适应效果更强。