PCA-Res2Net Model-Based Method for Damage Detection of CFRP Using Electrical Impedance Tomography

电阻抗断层成像 Tikhonov正则化 迭代重建 特征提取 人工智能 主成分分析 模式识别(心理学) 计算机科学 反问题 特征(语言学) 算法 断层摄影术 数学 物理 数学分析 光学 语言学 哲学
作者
Qian Xue,C. L. Philip Chen,Wenru Fan
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73: 1-10 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tim.2023.3336759
摘要

Electrical Impedance Tomography (EIT) has become a new inspection tool for damage detection in Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) composites. However, the inverse problem of EIT is severely non-linear, ill-posed, and underdetermined, limiting the resolution and accuracy of images reconstructed with EIT. To solve the above problems, a PCA-Res2Net algorithm for CFRP damage detection based on Res2Net structure is presented, which consists of three modules: initial imaging, data dimension reduction and deep feature extraction. Firstly, L1 regularization algorithm is used to map the voltage measurement value to the conductivity distribution for preliminary damage imaging; Then, principal component analysis (PCA) is used to perform feature analysis on the conductivity distribution data for removing redundant background information and achieving data dimensionality reduction; Finally, the simplified image data is inputted into Res2Net for deep feature extraction. Three traditional EIT image reconstruction algorithms (Tikhonov, Conjugate Gradient, L1) and a deep learning algorithm (Invertible Neural Networks, INN) are compared and analyzed with the PCA-Res2Net algorithm. Simulation results demonstrated that the PCA-Res2Net algorithm yield more satisfying reconstructions, and its Correlation Coefficient (CC) and Structure Similarity Index Measure (SSIM) both exceed 97%. Compared with INN, the SSIM and CC of PCA-Res2Net achieved maximum improvements of 8.87% and 19.76% respectively. To further verify the feasibility of the proposed method, a 16-electrode EIT experimental platform is built to detect the damage samples of CFRP laminates. Experimental results demonstrated that the PCA-Res2Net model can effectively reduce the artifacts of the reconstructed images, improve the damage recognition accuracy and edge clarity.
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