[發明專利]基于二維線陣和空間濾波器的結構沖擊無波速定位方法

有效

• 申請號: 201310251434.4
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103487786A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 邱雷;袁慎芳;劉彬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

1.一種基于二維線陣和空間濾波器的結構沖擊無波速定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：布置二維線性壓電傳感器陣列

根據結構健康監測需求，使用N個相同型號的壓電傳感器陣元組成一個線性壓電傳感器陣列，在結構上布置兩條線性壓電傳感器陣列，兩條線性壓電傳感器陣列中心點的橫坐標、縱坐標均不能相同，即：x₁≠x₂且y₁≠y₂，(x₁,y₁)為1號線性壓電傳感器陣列的中心點，(x₂,y₂)為2號線性壓電傳感器陣列的中心點，從而構成一個二維結構沖擊監測區域，其中N為大于2的整數；

步驟二：采集結構沖擊響應信號

設定結構沖擊采樣參數，利用二維線性壓電傳感器陣列采集結構沖擊響應信號f(t)；

步驟三：提取并構建沖擊窄帶Lamb波復信號

采用Shannon連續復數小波變換提取并構建寬帶沖擊響應信號f(t)中的窄帶Lamb波復信號成分z(t)，如公式（1）所示

?????????（1）

其中：

式中：z(t)為沖擊窄帶Lamb波復信號，F(w)為寬帶沖擊響應信號f(t)的傅里葉變換，Ψ_shan-a,b(w)為Shannon連續復數母小波函數Ψ_shan-a,b(t)的傅里葉變換，Ψ_shan-a,b(t)為Shannon連續復數母小波函數，a為Shannon連續復數母小波的尺度因子，b為Shannon連續復數母小波的時間因子，f_b為Shannon連續復數母小波的頻率寬度，f_c為Shannon連續復數母小波的中心頻率；w_c=2πf_c；w_b=2πf_b；

步驟四：對兩條線性壓電傳感器陣列的沖擊窄帶Lamb波復信號z(t)分別進行空間濾波

首先根據線性壓電傳感器陣列的陣元間距求取空間濾波器的最大濾波波數值，如公式（2）所示

??????????????????????（2）

式中：k_x,max為該線性壓電傳感器陣列空間濾波器的最大濾波波數值，△x為該線性壓電傳感器陣列的陣元間距，π為圓周率；

然后根據結構健康監測任務需求，確定空間濾波器的濾波角度范圍和角度分辨率△θ；選定其中一個空間濾波角度θ，根據公式（3）計算出該角度下空間濾波器的波數k_x

???????????????????（3）

再根據公式（4）對線性壓電傳感器陣列中每一個陣元計算其空間濾波權重函數

????????????????（4）

式中：φ(x)為橫坐標是x的壓電傳感器的空間濾波權重函數，x為線性壓電傳感器陣列中陣元到線陣中心點的距離；

對于每一個陣元的沖擊窄帶Lamb波復信號，使用公式（4）的空間濾波權重函數，計算出該陣元沖擊窄帶Lamb波復信號經空間濾波之后的響應信號，然后對每一個陣元的濾波響應信號進行合成，作為該角度下線性壓電傳感器陣列的空間濾波合成響應信號，如公式（5）所示

???????????????（5）

式中：為空間濾波角度θ下線性壓電傳感器陣列的空間濾波合成響應信號，N為線性壓電傳感器陣列的陣元個數，φ(x_n)為橫坐標是x_n的壓電傳感器的空間濾波權重函數，z(x_n,t)為橫坐標是x_n的壓電傳感器的沖擊窄帶Lamb波復信號，x_n為陣元的橫坐標；

再根據公式（6）計算出該空間濾波角度θ下空間濾波合成響應信號的強度

???????????????（6）

式中：E(θ)為空間濾波角度θ下空間濾波合成響應信號的強度，為θ角度下線性壓電傳感器陣列的空間濾波合成響應信號，T為空間濾波合成響應信號的信號長度；

選取下一個空間濾波角度θ+△θ，根據上面的流程計算該角度下線性壓電傳感器陣列的空間濾波合成響應信號的強度，待全部監測區域角度計算完畢之后，對各個角度的空間濾波合成響應信號強度統一進行歸一化，生成結構沖擊的角度——損傷概率曲線，其中損傷概率，即是歸一化之后的“空間濾波合成響應信號強度”最大的角度即為沖擊位置相對于該線性壓電傳感器陣列的角度；

根據以上流程，計算結構沖擊相對于另一條線性壓電傳感器陣列的角度——損傷概率曲線，其中損傷概率最大的角度即為沖擊位置相對于該線性壓電傳感器陣列的角度；

步驟五：結構沖擊無波速定位

由于兩條線性壓電傳感器陣列布置為垂直或平行兩種方式，所以在這里分這兩種情況分別對結構沖擊進行無波速定位：

（一）當1號線性壓電傳感器陣列與2號線性壓電傳感器陣列垂直時

????????????????（7）

式中：θ₁為結構沖擊相對于1號線性壓電傳感器陣列的角度，θ₂為結構沖擊相對于2號線性壓電傳感器陣列的角度，(x₁,y₁)為1號線性壓電傳感器陣列的中心點坐標，(x₂,y₂)為2號線性壓電傳感器陣列的中心點坐標，(x,y)為結構沖擊的位置坐標；

求解二元一次方程組（7）得到結構沖擊的位置坐標為：

????（8a）

當θ₁=90°，θ₂≠90°時

??????????????（8b）

當θ₁≠90°，θ₂=90°時

??????????????（8c）

當θ₁=90°，θ₂=90°時

?????????????????（8d）

（二）當1號線性壓電傳感器陣列與2號線性壓電傳感器陣列平行時

????????????????（9）

式中：θ₁為結構沖擊相對于1號線性壓電傳感器陣列的角度，θ₂為結構沖擊相對于2號線性壓電傳感器陣列的角度，(x₁,y₁)為1號線性壓電傳感器陣列的中心點坐標，(x₂,y₂)為2號線性壓電傳感器陣列的中心點坐標，(x,y)為結構沖擊的位置坐標；

求解二元一次方程組（9）得到結構沖擊的位置坐標為：

????（10a）

當θ₁=90°，θ₂≠90°時

??????????（10b）

當θ₁≠90°，θ₂=90°時

??????????（10c）。