基于多重信号分类算法的冲击载荷定位方法技术

本发明专利技术公布了一种基于多重信号分类算法的结构冲击载荷定位方法，包括如下步骤：步骤一：冲击响应信号的采集；步骤二：利用多重信号分类（ＭＵＳＩＣ）算法进行冲击源的波达方向（ＤＯＡ）估计；步骤三：根据Ｌａｍｂ波传播特性进行冲击源距离的估计。本发明专利技术方法简便可靠，可对冲击进行实时、在线监测，冲击定位精度高、实时性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术基于阵列信号处理技术中的MUSIC算法的结构冲击载荷位置识别方法，属 工程结构健康监测方法。
技术介绍
复合材料以其比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好及材料性能可设计等一系列优 点，在航空、航天、汽车等工程领域得到了日益广泛的应用，尤其是在军用、民用飞机上已开 始越来越多地使用先进复合材料结构。然而层合板复合材料在服役过程中不可避免的要承 受各种能量物体的冲击，比如，冰雹的撞击、飞行器翼面与空中飞鸟的碰撞、飞行器受到枪 击及工具经常在维护过程中掉落在飞行器表面等。这些冲击极易造成复合材料结构的内 部分层、基体开裂和纤维断裂等损伤。这些内部损伤将使层合结构的力学性能严重退化， 强度可削弱35% 40%，导致承载能力大大降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在的威 胁。而且这些损伤多发生在材料内部不易从表面发现，留下严重的隐患，使得具有损伤的复 合材料结构具有突发性和灾难性失效的潜在能力，并且它在损伤、失效等方面的表现却是 机理复杂，现象多样，判别困难。因此很有必要对复合材料结构进行全寿命的监测，以确保 结构的稳定性和安全性。目前已有许多传统的已被广泛应用的无损检测技术，例如敲击、超 声、X射线、电涡流射线、电位测量以及热应力场等方法。但是这些检测方法一般设备复杂、 耗时耗力，需要对损伤的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役环境下 的实时在线监测，不适合未来大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断。对于在服役过 程中的飞行器，重要的是如何来实时监测冲击试件以保护飞行器的安全运行。而利用基于 压电智能结构的健康监测技术可以实现低速冲击的实时、在线监测，评估结构的损伤程度， 从而保证结构的稳定性和安全性以及降低结构的维护成本。目前冲击载荷识别的研究主要集中在实验室针对小试件进行，多是在模拟冲击载 荷的情况下进行的实验研究，而且实验对象也多以结构简单的梁或板结构为主，很少在复 合材料结构上进行真实的冲击实验。尽管已有各种冲击载荷识别方法，但是目前还没有形 成一种能够高精度、实时在线识别冲击载荷的方法。对于复合材料结构的冲击定位问题，原 理上可以利用声发射技术进行定位，但由于复合材料的各向异性和应力波在传播过程中的 反射、折射、散射及噪声的影响，很难准确确定波速及波达时间，因此单纯采用常规的声发 射技术很难对冲击源进行精确定位。而基于优化技术的识别方法在反演过程中需要不断地 进行结果迭代，求解时间过长。因此，对于范围稍大的监测区域来说，搜寻最优位置所需的 时间更长，单纯运用最优化方法进行实时在线监测已不大可能。并且基于优化技术的识别 方法通常直接将时域内许多离散点的冲击力时间历程本身当作未知参数进行求解。由于要 求解的未知参数过多，计算任务重，也很难满足在线监测的实时性要求。基于人工智能的荷 载识别方法可以解决荷载识别问题，但用于荷载识别的模型需要以实际加载方式或解析解 求出响应样本的方法来训练，只能用于已知结构而且对结构的训练工作量较大，训练后的 结构在实际荷载识别时亦存在不稳定现象，因此，应用于冲击监测这一实际问题仍有一定的难度。阵列信号处理技术作为信号处理领域一个重要的分支，近几十年来已在雷达、声 纳、通信、地震勘探、射电天文及医学诊断等多种国民经济和军事领域广泛应用。其与传统 的单个或少量定向传感器相比，阵列信号处理具有灵活的波束控制、高的信号增益、极强的 抗干扰能力及高的空间超分辨能力等优点。MUSIC是Schmidt和Bienvenu及Kopp于1979 年提出，由Schmdit在1986年重新发表。MUSIC算法的提出促进了特征结构分类算法的兴 起和发展，该算法已成为空间谱估计理论体系中的标志性算法。由于它能对多个空间信号 进行识别，故这种方法称为多重信号分类法。由于MUSIC方法发展成熟，分辨率高，对阵列 结构要求低等特点，以及超高速超大运算能力信号处理芯片的出现使其在阵列信号处理中 的应用非常广泛。因此，将阵列信号处理技术中的MUSIC算法引入到结构健康监测领域中， 研究冲击源的定位问题。
技术实现思路
技术问题本专利技术的技术问题是提供一种利用阵列信号处理技术中的MUSIC算法 和Lamb波频散特性的结构冲击载荷位置识别方法。本方法利用MUSIC方法实现冲击源波达 方向的估计，根据Lamb波的频散特性实现冲击源距离的估计，可以对冲击实时、在线监测， 准确、快速地识别出冲击载荷位置。技术问题本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术基于多重信号分类算法的结构冲击载荷定位方法，其特征在于包括如下步 骤步骤一冲击响应信号的采集(1)在所述结构上布置由多个相同型号的压电元件组成的压电阵列；(2)将2块4通道的数采卡0通道并联在一起，保证两块数采卡同步触发采集；(3)设定采集参数，利用电荷放大器和数据采集卡采集压电阵列输出的冲击响应信号；步骤二 基于MUSIC算法进行冲击源的波达方向估计首先用快速傅里叶变换对所述冲击响应信号进行频谱分析，然后根据选定的方向 估计中心频率利用小波变换从所述冲击响应信号中提取出中心频率下的窄带信号，最后取 窄带信号的幅值最大的信号运用多重信号分类(MUSIC)算法的进行D0A估计；步骤三基于Lamb波传播特性进行冲击源的距离估计首先用小波变换从任一压电元件接收到的冲击响应信号中提取出距离估计中心 频率下的Lamb波信号，获得同一频率的对称&模式的Lamb波和反对称&模式的Lamb波， 用最大峰值法求出对称&和反对称A0这两种模式的Lamb波到所述达压电元件的时间差， 最后由测得的这两种模式的Lamb波的传播速度求出冲击源到达压电元件的距离，将各压 电元件估计出的距离值转化为相对于压电阵列参考点的距离，取所有压电元件测得的距离 的平均值作为距离估计值。优选地，步骤一中，所述压电阵列中压电元件间的距离小于冲击源信号波长。有益效果本专利技术与现有技术相比，本方法简便可靠，可对冲击进行实时在线监 测，实时性强、定位精度高，能实际应用于工程结构中冲击载荷的监测及定位，确保工程结构的运行安全，防止事故的发生。 附图说明图1是一均勻线阵在窄带远场条件下是我信号模型的示意图。它是由M个阵元等 间距排列成一条直线的均勻线阵，以左边第一个阵元为参考点，以垂直于阵列的方向为法 线方向。N个远场的窄带信号以e角入射到此均勻线阵上。图2是铝板上的一组Lamb波频散曲线。纵坐标为群速度，横坐标为板厚与频率的 乘积(频厚积)。图3是压电阵列测得的复合材料结构上的冲击响应信号。图4是截取出的0. 4-0. 6ms时间段的小波信号波形。图5是用MUSIC方法估计出的方位谱。图6是用小波变换提取出的Lamb波，小波变换的中心频率为25kHz。图7是本专利技术方法流程图。具体实施例方式下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明如图7所示，本专利技术的方法包括如下步骤(1)冲击响应信号的采集包括如下步骤(1. 1)在结构上布置一个由7个相同型号的压电元件组成的均勻线阵；(1. 2)将2块4通道的数采卡0通道并联在一起，保证两块数采卡同步触发采集。(1. 3)设定采集参数，如采样频率、触发预置、预采点数、采集点数等。利用电荷放 大器和数据采集卡采集冲击响应信号。步骤二 基于MUS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多重信号分类算法的结构冲击载荷定位方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：冲击响应信号的采集（１）在所述结构上布置由多个相同型号的压电元件组成的压电阵列；（２）将２块４通道的数采卡０通道并联在一起，保证两块数采卡同步触发采集；（３）设定采集参数，利用电荷放大器和数据采集卡采集压电阵列输出的冲击响应信号；步骤二：基于ＭＵＳＩＣ算法进行冲击源的波达方向估计首先用快速傅里叶变换对所述冲击响应信号进行频谱分析，然后根据选定的方向估计中心频率利用小波变换从所述冲击响应信号中提取出中心频率下的窄带信号，最后取窄带信号的幅值最大的信号运用多重信号分类（ＭＵＳＩＣ）算法的进行ＤＯＡ估计；步骤三：基于Ｌａｍｂ波传播特性进行冲击源的距离估计首先用小波变换从任一压电元件接收到的冲击响应信号中提取出距离估计中心频率下的Ｌａｍｂ波信号，获得同一频率的对称Ｓ↓［０］模式的Ｌａｍｂ波和反对称Ａ↓［０］模式的Ｌａｍｂ波，用最大峰值法求出对称Ｓ↓［０］和反对称Ａ↓［０］这两种模式的Ｌａｍｂ波到所述达压电元件的时间差，最后由测得的这两种模式的Ｌａｍｂ波的传播速度求出冲击源到达压电元件的距离，将各压电元件估计出的距离值转化为相对于压电阵列参考点的距离，取所有压电元件测得的距离的平均值作为距离估计值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，苏永振，邱雷，梁栋，张炳良，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]