基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法技术

本发明专利技术公开一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，包括：A、搭建光纤光栅监测平台，在待监测结构表面布贴光纤光栅传感器，并记录监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S

Quantitative detection method of crack damage based on dynamic time regularity correlation

【技术实现步骤摘要】
基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法
本专利技术涉及平板结构材料的裂纹损伤定量监测技术，尤其涉及一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法。
技术介绍
由于航空航天领域对材料结构、设备可靠性的苛刻要求，有力推动了结构健康监测技术的快速发展。在结构健康监测领域中，结构裂纹的实时监测是一个研究热点。现有技术中有很多方法，是通过采用不同类型的传感器来实现的。其中的光纤光栅传感器由于具有质量轻、精度高、灵敏度高等诸多优点被认为是最具价值、最具潜力的传感器。在光纤光栅传感器的使用中，通常提取光纤光栅传感器反射光谱的特征参数进行裂纹损伤的识别。在对现有特征参数的研究中，除了中心波长、半高宽等具有明确物理意义的特征参数外，还将裂纹损伤状态下的反射光谱和在结构健康状态下的反射光谱进行对比，提取相似度作为另一种形式的特征参数。但目前对裂纹损伤状态下的反射光谱和结构健康状态下的反射光谱之间的相似度研究，大多采用相关系数进行计算。当监测结构出现裂纹时，裂纹周边产生非线性应变区，由于光纤光栅传感器对应变敏感，光纤光栅反射光谱会产生左右漂移，这种光谱左右漂移的现象进而会导致相关系数的剧烈变化。由于光谱除了漂移现象还存在波形变宽等现象，对漂移的反射光谱直接平移进行对齐，又存在光谱序列长度选取问题，而且波形变宽也会导致相关系数的剧烈变化。所以采用现有的相关系数法对反射光谱相似度进行特征提取存在诸多复杂而难以解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，旨在通过动态时间规整技术进行波形差异度(变形程度)的提取，并采用基于支持向量回归算法进行动态时间规整对裂纹长度进行定量，从而实现基于动态时间规整提取相关性特征，采用该相关性特征进行裂纹长度的损伤定量识别，以提高裂纹损伤定量监测的实用性和准确性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，包括如下步骤：A、搭建光纤光栅监测平台，在待监测结构表面布贴光纤光栅传感器，并记录监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S0；B、对所述光纤光栅反射光谱S0进行高斯平滑，得到平滑后的反射光谱S′0，并记录S′0反射率大于预设值的波长区间[ll，lr]，截取所述光纤光栅反射光谱S0的[ll，lr]部分作为模板信号X1；C、对实时采集的光纤光栅反射光谱S1进行高斯平滑处理，得到平滑后的反射光谱S′1，记录S′1反射率大于所述预设值的波长区间[l′l，l′r]，截取S1的[l′l，l′r]部分作为实时信号X2；D、计算模板信号X1的每个元素与实时信号X2中每个元素的距离矩阵C；E、根据所述距离矩阵C规整路径P，计算最小的累计代价矩阵D，得到差异度ξ；F、将差异度ξ作为特征，采用支持向量回归算法对裂纹长度进行定量计算。其中：步骤A所述监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S0为：S0＝<(r1，l1)，(r2，l2)，...，(rn，ln)>(1)其中，表示在反射光谱序列S0中第i个序列点，ri表示在宽带光源反射光中波长为li的光被光纤光栅传感器反射的反射率。当反射光谱序列的波长间隔Δl为固定值时，所述光纤光栅反射光谱S0为：S0＝<r1，r2，...，rn>。步骤B所述平滑后的反射光谱S′0为：其中：S[n]即为原信号S0进行高斯平滑后的反射光谱S′0，g为高斯型的卷积核。还包括：为使信号两端的数据更加平滑，往信号头部填充和卷积核信号个数相等的信号头部数据，往信号尾部填充和卷积核信号个数相等的信号尾部数据，此时信号长度为“2*卷积核信号长度+原信号长度”；将填充后的信号与高斯卷积核进行卷积操作，得到长度为“2*卷积核信号长度+原信号长度”的平滑信号，截取中间部分的平滑信号作为最终的平滑信号。步骤D所述计算模板信号X1每个元素与实时信号X2中每个元素的距离矩阵C，具体为：设模板信号X1信号长度为N，实时信号X2信号长度为M，可得距离矩阵C∈RN×M并且用式(6)表示：C(n，m)＝dist(X1，n，X2，m)(6)其中，n∈[1，N]且m∈[1，M]，C(n，m)代表矩阵C的第n行m列的元素，dist(X1，n，X2，m)代表长度为N的模板信号X1与长度为M的实时信号X2之间的距离。还包括采用p范数计算dist()距离的步骤：对于x＝[x1，x2，…，xn]T的p范数，用式(7)表示：当原反射光谱信号为一个一维信号，则选用p为1的范数进行距离的计算，即：dist(X1，n，X2，m)＝|X1，n-X2，m|(8)。步骤E所述根据所述距离矩阵C规整路径P，计算最小的累计代价矩阵D，得到差异度ξ的过程包括：E1、计算规整路径P的步骤；所述规整路径P定义，用式(9)表示：P＝p1，p2，...，pk，...，pk(9)其中，max(n，m)≤K≤n+m+1；规整路径P中的第k个元素pk＝(i，j)k代表在当前规划路径中第k步为信号X1的第i个元素和信号X2的第j个元素进行匹配；E2、计算最小累计代价矩阵D的步骤；所述的累计代价为规整路径中从开头到结尾的累计的平均距离值，用式(10)表示，其中分母K是用来对不同长度规整路径的一种补偿；E3、采用动态时间规整找出其中累计代价最小的一条规整路径；所述的累计代价矩阵为D∈RN×M，其从(0，0)点开始匹配信号X1和信号X2，每匹配一对点，累加之前所有的匹配点的距离；到达终点(n，m)后，这个累积距离就是总的距离，即D(n，m)元素代表最优规整路径P从p1＝(1，1)到pk＝(n，m)的累计代价，也就是信号X1和信号X2的差异度ξ；E4、采用递归方式对累计代价矩阵D进行计算：其中，D(n，1)代表代价矩阵D的第一行元素，D(1，m)代表代价矩阵的第一列元素，D(n，m)代表代价矩阵D的第n行第m列元素，C(n，m)代表距离矩阵。步骤F所述将差异度ξ作为特征，采用支持向量回归算法对裂纹长度进行定量计算的过程为：对于待处理的数据集Data＝{(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xm，ym)}，yi∈R，得到如式(14)所示的计算模型，使得f(x)与y尽可能接近：f(x)＝wTx+b(14)其中：f(x)为模型输出，w为待确定的特征权重，b是待确定的模型偏置值。本专利技术的基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，具有如下有益效果：采用本专利技术基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，通过动态时间规整技术进行波形差异度，即变形程度的提取，并采用基于支持向量回归算法进行动态时间规整对裂纹长度进行定量，从而实现了基于动态时间规整提取相关性特征，通过采用该相关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：/nA、搭建光纤光栅监测平台，在待监测结构表面布贴光纤光栅传感器，并记录监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S

【技术特征摘要】
20190801 CN 20191070865381.一种基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、搭建光纤光栅监测平台，在待监测结构表面布贴光纤光栅传感器，并记录监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S0；
B、对所述光纤光栅反射光谱S0进行高斯平滑，得到平滑后的反射光谱S′0，并记录S′0反射率大于预设值的波长区间[ll，lr]，截取所述光纤光栅反射光谱S0的[ll，lr]部分作为模板信号X1；
C、对实时采集的光纤光栅反射光谱S1进行高斯平滑处理，得到平滑后的反射光谱S′1，记录S′1反射率大于所述预设值的波长区间[l′l，l′r]，截取S1的[l′l，l′r]部分作为实时信号X2；
D、计算模板信号X1的每个元素与实时信号X2中每个元素的距离矩阵C；
E、根据所述距离矩阵C规整路径P，计算最小的累计代价矩阵D，得到差异度ξ；
F、将差异度ξ作为特征，采用支持向量回归算法对裂纹长度进行定量计算。


2.根据权利要求1所述基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤A所述监测结构在无损伤状态下的光纤光栅反射光谱S0为：
S0＝<(r1，l1)，(r2，l2)，...，(rn，ln)>(1)
其中，表示在反射光谱序列S0中第i个序列点，ri表示在宽带光源反射光中波长为li的光被光纤光栅传感器反射的反射率。


3.根据权利要求2所述基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，当反射光谱序列的波长间隔Δl为固定值时，所述光纤光栅反射光谱S0为：
S0＝<r1，r2，...，rn>。


4.根据权利要求1所述基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤B所述平滑后的反射光谱S′0为：



其中：S[n]即为原信号S0进行高斯平滑后的反射光谱S′0，g为高斯型的卷积核。


5.根据权利要求4所述基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，还包括：
为使信号两端的数据更加平滑，往信号头部填充和卷积核信号个数相等的信号头部数据，往信号尾部填充和卷积核信号个数相等的信号尾部数据，此时信号长度为“2*卷积核信号长度+原信号长度”；将填充后的信号与高斯卷积核进行卷积操作，得到长度为“2*卷积核信号长度+原信号长度”的平滑信号，截取中间部分的平滑信号作为最终的平滑信号。


6.根据权利要求1所述基于动态时间规整相关性特征的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤D所述计算模板信号X1每个元素与实时信号X2中每个元素的距离矩阵C，具体为：
设模板信号X1信号长度为N，实时信号X2信号长度为M，可得距离矩阵C∈RN×M并且用式(6)表示：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫方，蓝煜东，张萌，赵炎，谢宇宽，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11