一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，包括以下步骤：S1、在被测结构中布置稀疏压电

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法


[0001]本专利技术涉及航空结构健康监测
，尤其涉及一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法。

技术介绍

[0002]航空复合材料结构在服役期间中不可避免地会遭受雷击威胁，相比于传统金属材料，航空复合材料的比强度高但导电性较差，遭受雷击时容易产生更严重的结构损伤。为了保障现代复合材料飞机在雷击环境下的安全性，针对航空复合材料结构雷击事件在线监测需求正变得日益迫切。但由于雷击持续时间短、能量大，加上复杂严苛的强电磁场环境，雷击事件的实时在线监测仍缺乏有效的技术方法。
[0003]目前在复合材料雷击监测领域，研究者一直努力研究实现雷击直接效应重要参数，如严重程度和发生位置(即雷击附着点)的飞机在线监测。其中针对雷击直接效应严重程度的研究主要分为热效应以及冲击力效应两方面，前者主要依靠高速摄像机、红外热成像仪以及光纤光学温度探头等仪器来进行观测，这些技术方法均需采用复杂的专用设备，一般仅用于实验室基本的雷击观测，难以实现飞机在线监测；后者主要依靠FBG传感器测量雷击冲击力下的复合材料应变或者使用压电薄膜压力传感器来感知雷击冲击力载荷大小，但这些方法本质上属于原位监测方法，无法适用于实际附着点未知的飞机雷击在线监测场合。
[0004]而针对雷击发生位置(即雷击附着点)的飞机在线监测研究主要有基于法拉第磁光效应研究的全光纤雷击电流监测方法以及临窗感应式雷电流监测方法，前者研制出了相应的传感器和机载测量模块，并成功进行了飞行测试，但这种方法的监测原理决定了需将用于感知雷击电流的光纤传感环沿着整个机身外表面环绕布置，严重制约了实际应用；后者利用磁电感应效应测得雷击时穿透舷窗的磁场物理量，以实现飞机雷击电流监测，但该方法依赖的测量系统较为复杂，且无法实现雷击附着点的精确定位。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，通过压电阵列雷击导波响应信号的延迟叠加进行综合成像，实现了雷击点的在线定位监测，从而可以实现大面积航空复合材料结构雷击事件的高精度成像。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，包括以下步骤：
[0007]S1、在被测结构中布置稀疏压电
‑
导波阵列；
[0008]S2、获取稀疏压电
‑
导波阵列的雷击导波响应信号；
[0009]S3、通过卷积正弦调制信号对雷击导波响应信号进行滤波处理；
[0010]S4、雷击导波响应信号预处理并实施基于信号延迟叠加的雷击综合成像。
[0011]优选的，在步骤S1中，在被测结构上布置N个压电片组成稀疏压电
‑
导波阵列，其中
N≥3。
[0012]优选的，在步骤S2中，雷击事件发生时被动采集稀疏压电
‑
导波阵列中各个压电片P
i
的雷击导波响应信号s
i
(t)，其中t为时间变量，i＝1,2,
…
,N。
[0013]优选的，在步骤S3中，将卷积正弦调制信号与雷击导波响应信号s
i
(t)进行卷积处理，以得到能量更加集中的窄带雷击导波响应信号。
[0014]优选的，步骤S3具体包括以下步骤：
[0015]S31、对各个雷击导波响应信号s
i
(t)进行低通滤波，滤除高频噪声；
[0016]S32、对滤除高频噪声后的各个雷击导波响应信号s
i
(t)进行时频域分析，确定信号中的主要导波模式，以及该导波模式信号成分、主要分布的频率范围；
[0017]S33、根据步骤S32确定的频率范围确定窄带激励信号v
a
(t)；
[0018]S34、将v
a
(t)与各个结构雷击导波响应信号s
i
(t)进行卷积运算，得到结构窄带雷击导波响应信号v
i
(t)。
[0019]优选的，在步骤S4中所述雷击导波响应信号预处理为：根据串扰位置确定各个雷击导波响应信号s
i
(t)的参考时间t
off
。
[0020]优选的，在步骤S4中所述实施基于信号延迟叠加的雷击综合成像为：以各个雷击导波响应信号s
i
(t)的参考时间t
off
作为各个信号的起始点，并进行延迟叠加综合成像处理，得到雷击综合成像结果。
[0021]优选的，步骤S4所述的延迟叠加综合成像处理具体包括以下步骤：
[0022]S41、以各个雷击导波响应信号s
i
(t)的参考时间t
off
作为各个信号的起始点，按照如下公式计算雷击导波响应从点o至P
i
的传播时间t
oi
(x,y)为：
[0023][0024]其中，(x
i
,y
i
)是压电片P
i
的坐标，c
io
为雷击导波响应从点o传播至P
i
的波速；
[0025]S42、将各个雷击导波响应信号s
i
(t)对应点o的幅值进行叠加，计算点o的像素值：
[0026][0027]因此，本专利技术具有以下有益效果：
[0028](1)采用稀疏压电
‑
导波阵列实现了大面积航空复合材料结构的雷击在线监测定位；
[0029](2)通过串扰确定了雷击导波响应信号的参考时间，解决了雷击导波响应信号预采集时间未知、难以直接实施延迟叠加成像的问题，因此可用于对实际航空复合材料结构雷击的大面积高精度成像。
[0030]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0031]图1为本专利技术的一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法的流程图；
[0032]图2为本专利技术的实验例的压电片以及雷击源在碳纤维板中的分布情况图；
[0033]图3为本专利技术的实验例的压电片P3获取的冲击响应导波信号s3(t)结果图；
[0034]图4为本专利技术的实验例的压电片P4获取的冲击响应导波信号s4(t)结果图；
[0035]图5为本专利技术的实验例的中心频率为25kHz的窄带激励信号v
a
(t)结果图；
[0036]图6为本专利技术的实验例的压电片P3获取的中心频率为25kHz的窄带冲击导波信号v3(t)结果图；
[0037]图7为本专利技术的实验例的压电片P4获取的中心频率为25kHz的窄带冲击导波信号v4(t)结果图；
[0038]图8为本专利技术的实验例的雷击成像结果图。
具体实施方式
[0039]以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在被测结构中布置稀疏压电
‑
导波阵列；S2、获取稀疏压电
‑
导波阵列的雷击导波响应信号；S3、通过卷积正弦调制信号对雷击导波响应信号进行滤波处理；S4、雷击导波响应信号预处理并实施基于信号延迟叠加的雷击综合成像。2.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，其特征在于：在步骤S1中，在被测结构上布置N个压电片组成稀疏压电
‑
导波阵列，其中N≥3。3.根据权利要求1所述的一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，其特征在于：在步骤S2中，雷击事件发生时被动采集稀疏压电
‑
导波阵列中各个压电片P
i
的雷击导波响应信号s
i
(t)，其中t为时间变量，i＝1,2,
…
,N。4.根据权利要求3所述的一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，其特征在于：在步骤S3中，将卷积正弦调制信号与雷击导波响应信号s
i
(t)进行卷积处理，以得到能量更加集中的窄带雷击导波响应信号。5.根据权利要求4所述的一种基于压电阵列导波响应的雷击成像方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：S31、对各个雷击导波响应信号s
i
(t)进行低通滤波，滤除高频噪声；S32、对滤除高频噪声后的各个雷击导波响应信号s
i
(t)进行时频域分析，确定信号中的主要导波模式，以及该导波模式信号成分、主要分布的频率范围；S33、根据步骤S32确定的频率范围确定窄带激励信号v
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建，张剑，杨济源，姚晓增，余晓东，费伟民，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：