本发明专利技术公开了一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法，属于工程复合材料结构健康监测方法技术领域。该方法包括如下步骤：1、设置系统参数、触发阈值；2、当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，传感器阵列开始采集冲击信号；3、冲击阵列信号预处理；4、测量不同角度的波速，建立信号波速曲线；5、测量不同距离的信号幅值，建立信号幅值衰减曲线；6、得到信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位算法的阵列导向矢量和补偿后的空间谱估计公式；7、得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。本方法减少了复杂复合材料的各向异性对冲击定位的影响，较好地提高了复合材料中冲击源的定位精度和实时性。
【技术实现步骤摘要】
复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法
本专利技术涉及一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC（二维多重信号分类）冲击定位方法，属于工程复合材料结构健康监测方法
技术介绍
复合材料相比于传统材料具有高比模量、比强度等独特优势，可以有效地减轻飞机的重量并提高飞机的安全性和存活力,在航空领域具有良好的应用前景。然而复合材料对低速冲击很敏感，很容易造成复合材料的凹陷、脱层、纤维断裂等微小损伤，导致复合材料性能下降。因此，冲击监测成为当前结构健康监测中一个很重要的课题。由于Lamb波具有长距离的传播能力，基于Lamb波的结构健康监测方法具有很好的应用前景。现有基于Lamb波冲击监测技术的研究算法主要有基于时差定位技术方法，基于人工智能的优化方法以及基于系统建模的方法。近几年，许多学者提出了阵列信号处理方法，阵列信号处理技术属于信号处理的一个重要分支，即通过多个传感器同时接收（或激励）信号，相对于单个传感器，有效地提高了信号的信噪比。在这些方法中，由SchmidtR.O.提出的多重信号分类(MUSIC)算法具有代表性算法之一，其算法的基本思想是将任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征值分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的参数。正是由于MUSCI算法在特定条件下具有超高的分辨力、估计精度及稳定性，从而吸引了大量的学者对其进行深入的研究和分析，目前算法主要应用于声波、电磁波等领域。目前已有学者考虑将远场1D-MUSCI算法运用于结构健康监测中，只实现冲击源的角度估计。在远场1D-MUSCI算法中，通常假设信号源足够远，这时信号的波阵面可以近似假设为平面波，减小信号模型的复杂程度。然而当冲击发生在传感器阵列附近时，此时远场模型将不再适用，通常在远场情况下可以忽略信号源的波前曲率，即近似为平面波，而在近场区域，信号源波前的曲率不能忽略，即波前的需要用球面波来描述，此时信号源的位置信息须由方位角、距离两个参数来确定，此时将算法扩展成二维参数搜索。由冲击产生的Lamb波向传感器阵列各个阵元传播时，路径和距离都不一致，即信号的波速和衰减将影响冲击的定位。在常规的方法中，为了简化计算，通常把Lamb波的传播速度设定为一个常数，把Lamb波信号幅值衰减简单地假设为随距离线性衰减的关系。然而，复合材料具有各向异性的特点，Lamb波沿结构各个方向传播时具有不同的波速。而且在复合材料结构中的主要部位，常有加筋、变厚度等复杂的结构形式，这些都将加强了复合材料的各向异性，增加冲击精确定位的难度。此时，Lamb波在复合材料结构传播时信号幅值衰减不单单于传播距离有关。另外在沿着平面扫描时，导向矢量同样与Lamb波的传播速度有关。在运用MUSIC算法时，应该考虑波速变化、信号幅值衰减的影响。常规方法中波速与信号衰减假设将不再适用于复合材料近场冲击源定位。因此，为了保证复合材料中冲击的定位精度，需要考虑对Lamb信号的波速和衰减进行补偿，建立更加符合复合材料结构的冲击定位方法。
技术实现思路
本专利技术针对常规MUSIC算法的不足，依据Lamb波在复合材料中的各向异性与信号衰减规律，提出了一种复合材料中基于信号波速与幅值衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的冲击定位方法，包括如下步骤：（1）在被监测结构的相应位置布置压电传感器网络，组成不同的激励-传感通道；（2）设置结构健康监测集成系统的采样频率、采样长度、预采集长度、传感器阵列中第一个传感器为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值；（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；（4）冲击阵列信号预处理：提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间；（5）测量各个激励-传感通道所对应角度的波速，建立信号波速曲线，得到第个压电传感器相对于第个压电传感器的时间延迟关系，其中表示冲击源信号到达第个阵元时相对于第个阵元的时间延迟，，为压电传感器编号，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角；为冲击源传播到第个压电传感器的波速，为冲击源传播到第个压电传感器的波速；（6）测量各个激励-传感通道所对应距离的信号幅值，并用指数函数建立信号幅值衰减曲线，其中为第个压电传感器的信号幅值，为第个压电传感器的信号幅值，为幅值衰减系数，冲击源到第个压电传感器与到第个压电传感器的距离差，第个压电传感器相对于第个压电传感器的相位变化；（7）将步骤（）中时间关系和步骤（）中的幅值衰减关系代入阵列导向矢量中，其中为冲击源到达坐标原点的距离，为冲击源与轴的夹角，为冲击窄带信号的角频率，得到信号波速与衰减补偿的冲击定位算法的阵列导向矢量和补偿后的空间谱估计公式，其中为空间谱，为阵列导向矢量的转置，为为噪声子空间的转置；（8）设置二维搜索的距离步长和角度步长，扫描整个监测区域并进行补偿算法的空间谱估计，得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。所述步骤（）中建立信号波速曲线的具体步骤如下：A、采集不同激励—传感通道上的激励信号和传感信号，根据已知激励源到压电传感器距离和激励信号与传感信号的时间差，得到相应传播角度上的波速；B、将步骤A中得到的波速值，通过曲线拟合得到波速曲线。所述步骤（）中用指数函数建立幅值衰减曲线的具体步骤如下：a、选择同一个压电传感器用相同激励方式进行激励，再选择不同压电传感器接收信号，采集这些激励—传感通道上的激励信号和传感信号，获取相应传播距离的信号幅值；b、将步骤a中得到信号幅值，通过函数拟合得到幅值随距离的变化曲线，得到个信号幅值衰减系数、。本专利技术的有益效果如下：本方法不需要复杂的系统建模和提取信号波达时间，对信号幅值衰减和波速进行了补偿，减少了复杂复合材料的各向异性对冲击定位的影响，较好地提高了复合材料中冲击源的定位精度和实时性，能有效地应用于真实的航空复杂结构的冲击载荷定位中。附图说明图1航空复合材料油箱结构冲击定位示意图，其中1、模拟冲击；2、航空油箱结构；3、传感器均匀线性阵列。图2冲击阵列信号波形图。图3PZT1冲击信号的频谱图。图4结构监测区域压电传感器布置情况图。图5Lamb波在航空油箱结构中的波速曲线。图6Lamb波在航空油箱结构中的信号幅值衰减曲线。图7冲击信号传播模型图。图8冲击源(131mm,108o)的定位结果图。图9复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。为了更好地说明复合材料中基于信号波速与衰减补偿的冲击定位方法的具体实施步骤，这里用航空油箱结构说明方法的具体实施过程。如图所示，油箱的尺寸为,油箱的上、下表面均为碳纤维复合材料结构，其余个侧面为铝合金板。以铆钉的方式固定，个侧面各有加筋板，以上表面碳纤维复合材料板作为冲击监测区域，其铺层情况为：每层厚度为，铺层顺本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的 冲击定位方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在被监测结构的相应位置布置压电传感器网络，组成不同的激励‑传感通道；（2）设置结构健康监测集成系统的采样频率、采样长度、预采集长度、传感器阵列中第一个传感器为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值；（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；（4）冲击阵列信号预处理：提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间；（5）测量各个激励‑传感通道所对应角度的波速，建立信号波速曲线，得到第个压电传感器相对于第个压电传感器的时间延迟关系，其中表示冲击源信号到达第个阵元时相对于第个阵元的时间延迟，， 为压电传感器编号，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角， 为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角；为冲击源传播到第个压电传感器的波速，为冲击源传播到第个压电传感器的波速；（6）测量各个激励‑传感通道所对应距离的信号幅值，并用指数函数建立信号幅值衰减曲线，其中为第个压电传感器的信号幅值，为第个压电传感器的信号幅值，为幅值衰减系数，冲击源到第个压电传感器与到第个压电传感器的距离差，第个压电传感器相对于第个压电传感器的相位变化；（7）将步骤（）中时间延迟关系和步骤（）中的幅值衰减曲线代入阵列导向矢量中，其中为冲击源到达坐标原点的距离，为冲击源与轴的夹角，为冲击窄带信号的角频率，得到信号波速与衰减补偿的冲击定位算法的阵列导向矢量和补偿后的空间谱估计公式，其中为空间谱，为阵列导向矢量的转置，为为噪声子空间的转置；（8）设置二维搜索的距离步长和角度步长，扫描整个监测区域并进行补偿算法的空间谱估计，得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。2013106854006100001dest_path_image001.jpg,2013106854006100001dest_path_image002.jpg,2013106854006100001dest_path_image003.jpg,2013106854006100001dest_path_image004.jpg,2013106854006100001dest_path_image005.jpg,2013106854006100001dest_path_image006.jpg,dest_path_image007.jpg,dest_path_image008.jpg,dest_path_image009.jpg,dest_path_image010.jpg,dest_path_image011.jpg,dest_path_image012.jpg,dest_path_image013.jpg,776379dest_path_image010.jpg,631202dest_path_image011.jpg,dest_path_image014.jpg,348623dest_path_image010.jpg,dest_path_image015.jpg,678585dest_path_image010.jpg,dest_path_image016.jpg,368324dest_path_image010.jpg,dest_path_image017.jpg,dest_path_image018.jpg,3836dest_path_image011.jpg,dest_path_image019.jpg,208552dest_path_image011.jpg,345135dest_path_image017.jpg,dest_path_image020.jpg,954627dest_path_image010.jpg,dest_path_image021.jpg,823357dest_path_image011.jpg,dest_path_image022.jpg,dest_path_image023.jpg,453052dest_path_image010.jpg,dest_path_image024.jpg,127747dest_path_image011.jpg,dest_path_image025.jpg,dest_path_image026.jpg,461252dest_path_image010.jpg,891096dest_path_image011.jpg,dest_path_image027.jpg,808...
【技术特征摘要】
1.一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的冲击定位方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）以航空油箱结构上表面碳纤维复合材料结构作为冲击监测区域，在相应位置布置个压电传感器，组成不同的激励-传感通道；（2）设置航空油箱结构健康监测集成系统的采样频率、采样长度、预采集长度、传感器阵列中第一个传感器为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值；（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；（4）冲击阵列信号预处理：从冲击响应的频谱图选取为中心频率提取窄带信号，提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间；（5）冲击产生的波向传感器阵列各个阵元传播时，传播路径和距离都不一致，导致各条路径上的波速存在差异，进而影响冲击定位精度，测量各个激励-传感通道所对应角度的波速，通过次多项式函数拟合，建立信号波速曲线，得到第个压电传感器相对于第个压电传感器的时间延迟关系，其中表示冲击源信号到达第个阵元时相对于第个阵元的时间延迟，，为压电传感器编号，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角；为冲击源传播到第个压电传感器的波速，为冲击源传播到第个压电传感器的波速；（6）测量各个激励-传感通道所对应距离的信号幅值，通过函数拟合，建立信号幅值衰减曲线，其中为第个压电传感器的信号幅值，为第个压电传感器的信号幅值，为幅值衰减系数，冲击源到第个压电传感器与到第个压电传感器的距离差，第个压电传感器相对于第个压电传感器的相位...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，钟永腾，邱雷，刘彬，王志凌，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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