[發明專利]基于多重信號分類算法的沖擊載荷定位方法

有效

• 申請號: 201010199273.5
• 申請日: 2010-06-12
• 公開（公告）號: CN101865758A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 袁慎芳;蘇永振;邱雷;梁棟;張炳良
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M7/08
• 分類號: G01M7/08;G01B7/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明基于陣列信號處理技術中的MUSIC算法的結構沖擊載荷位置識別方法，屬工程結構健康監測方法。

背景技術

復合材料以其比強度高、比剛度大、抗疲勞性能好及材料性能可設計等一系列優點，在航空、航天、汽車等工程領域得到了日益廣泛的應用，尤其是在軍用、民用飛機上已開始越來越多地使用先進復合材料結構。然而層合板復合材料在服役過程中不可避免的要承受各種能量物體的沖擊，比如，冰雹的撞擊、飛行器翼面與空中飛鳥的碰撞、飛行器受到槍擊及工具經常在維護過程中掉落在飛行器表面等。這些沖擊極易造成復合材料結構的內部分層、基體開裂和纖維斷裂等損傷。這些內部損傷將使層合結構的力學性能嚴重退化，強度可削弱35％～40％，導致承載能力大大降低，對結構的整體破壞和失效形成潛在的威脅。而且這些損傷多發生在材料內部不易從表面發現，留下嚴重的隱患，使得具有損傷的復合材料結構具有突發性和災難性失效的潛在能力，并且它在損傷、失效等方面的表現卻是機理復雜，現象多樣，判別困難。因此很有必要對復合材料結構進行全壽命的監測，以確保結構的穩定性和安全性。目前已有許多傳統的已被廣泛應用的無損檢測技術，例如敲擊、超聲、X射線、電渦流射線、電位測量以及熱應力場等方法。但是這些檢測方法一般設備復雜、耗時耗力，需要對損傷的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役環境下的實時在線監測，不適合未來大型航空、航天飛行器結構的健康監測與診斷。對于在服役過程中的飛行器，重要的是如何來實時監測沖擊試件以保護飛行器的安全運行。而利用基于壓電智能結構的健康監測技術可以實現低速沖擊的實時、在線監測，評估結構的損傷程度，從而保證結構的穩定性和安全性以及降低結構的維護成本。

目前沖擊載荷識別的研究主要集中在實驗室針對小試件進行，多是在模擬沖擊載荷的情況下進行的實驗研究，而且實驗對象也多以結構簡單的梁或板結構為主，很少在復合材料結構上進行真實的沖擊實驗。盡管已有各種沖擊載荷識別方法，但是目前還沒有形成一種能夠高精度、實時在線識別沖擊載荷的方法。對于復合材料結構的沖擊定位問題，原理上可以利用聲發射技術進行定位，但由于復合材料的各向異性和應力波在傳播過程中的反射、折射、散射及噪聲的影響，很難準確確定波速及波達時間，因此單純采用常規的聲發射技術很難對沖擊源進行精確定位。而基于優化技術的識別方法在反演過程中需要不斷地進行結果迭代，求解時間過長。因此，對于范圍稍大的監測區域來說，搜尋最優位置所需的時間更長，單純運用最優化方法進行實時在線監測已不大可能。并且基于優化技術的識別方法通常直接將時域內許多離散點的沖擊力時間歷程本身當作未知參數進行求解。由于要求解的未知參數過多，計算任務重，也很難滿足在線監測的實時性要求。基于人工智能的荷載識別方法可以解決荷載識別問題，但用于荷載識別的模型需要以實際加載方式或解析解求出響應樣本的方法來訓練，只能用于已知結構而且對結構的訓練工作量較大，訓練后的結構在實際荷載識別時亦存在不穩定現象，因此，應用于沖擊監測這一實際問題仍有一定的難度。

陣列信號處理技術作為信號處理領域一個重要的分支，近幾十年來已在雷達、聲納、通信、地震勘探、射電天文及醫學診斷等多種國民經濟和軍事領域廣泛應用。其與傳統的單個或少量定向傳感器相比，陣列信號處理具有靈活的波束控制、高的信號增益、極強的抗干擾能力及高的空間超分辨能力等優點。MUSIC是Schmidt和Bienvenu及Kopp于1979年提出，由Schmdit在1986年重新發表。MUSIC算法的提出促進了特征結構分類算法的興起和發展，該算法已成為空間譜估計理論體系中的標志性算法。由于它能對多個空間信號進行識別，故這種方法稱為多重信號分類法。由于MUSIC方法發展成熟，分辨率高，對陣列結構要求低等特點，以及超高速超大運算能力信號處理芯片的出現使其在陣列信號處理中的應用非常廣泛。因此，將陣列信號處理技術中的MUSIC算法引入到結構健康監測領域中，研究沖擊源的定位問題。

發明內容

技術問題：本發明的技術問題是提供一種利用陣列信號處理技術中的MUSIC算法和Lamb波頻散特性的結構沖擊載荷位置識別方法。本方法利用MUSIC方法實現沖擊源波達方向的估計，根據Lamb波的頻散特性實現沖擊源距離的估計，可以對沖擊實時、在線監測，準確、快速地識別出沖擊載荷位置。

技術問題：本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

本發明基于多重信號分類算法的結構沖擊載荷定位方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一：沖擊響應信號的采集