[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

技術領域

本發明涉及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，屬于工程結構健康監測技術領域。

背景技術

復合材料具有比強度高、比剛度大、比模量高、可設計性強，以及耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等優良的性能，在新型飛機上應用越來越廣。復合材料航空結構在復雜多變的服役環境中，很容易遭受沙石、冰雹、鳥撞、地勤車輛碰擦、工具掉落等等沖擊事件，造成復合材料結構的內部分層、基體開裂和纖維斷裂等等，損害了結構件的性能和完整性，削弱了結構件的強度高達65％，嚴重威脅著后續飛行的安全。因此，對復合材料結構沖擊事件進行在線監測，實時獲取結構的狀態信息十分必要。常規的渦流法、超聲檢測法、X射線檢驗法、計算機層析照相檢測法、微波檢測法等等成熟的無損檢測技術需要飛機著陸后才能實施，不能實時在線監測沖擊事件。而基于Lamb波的結構健康監測技術可以實現沖擊的實時在線監測，是國內外研究的一個熱點，具體方法實現上主要有以下三種：

（1）時差定位法：利用沖擊信號到達不同壓電傳感器的時間延遲，基于信號在結構中的傳播速度對沖擊位置進行定位。但是，當結構各向異性較大導致各方向波速差異較大時，沖擊定位的誤差會變得較大甚至產生錯誤。

（2）系統建模法：通過建立結構的系統優化模型，把沖擊定位問題轉化為了載荷反演優化求逆問題。從數學本質上講是一個反問題求解過程，反問題的不適定特性及沖擊位置與響應信號的高階非線性關系給求解帶來了很大困難，加之未知量數目巨大和計算任務繁重，定位的實時性也很難得到保證。并且，當結構復雜時，系統建模比較困難，從而導致沖擊定位誤差也變大甚至錯誤，而且計算量也隨之大量增加。

（3）人工智能法：利用人工神經網絡技術，建立沖擊響應信號特征參數與沖擊位置的關系，從而實現對結構沖擊的定位。但是，該方法需要事先獲取結構上大量的沖擊試驗數據作為神經網絡的訓練樣本，這在實際工程應用當中很難實現。

近年來，空間濾波器算法在微弱信號檢測和聲納探測等領域迅速發展。它通過設置濾波參數使其形成波數為[k_min，k_max]的空間濾波器，對線性壓電傳感器陣列進行虛擬轉動，從而實現0°--180°的全方位掃描。當掃描到與損傷相對于線性壓電傳感器陣列的角度相同時，損傷信號可以通過該空間濾波器，合成響應的幅值最大，而在掃描其它角度時，由于損傷不在該方位上，所以信號無法通過空間濾波器，合成響應幅值較小，對各個方位進行濾波以后得到的響應信號強度進行圖像表征，即可得到結構損傷相對于線性壓電傳感器陣列的角度。整個方位濾波掃描過程不需要依賴Lamb波信號在結構上的傳播速度，可以有效消除復雜航空復合材料結構波速差異的影響，目前在復雜航空復合材料結構健康監測中應用越來越廣。但是，對于沖擊損傷，由于無法確定沖擊信號的開始時刻，也即無法得到沖擊信號的傳播歷程。所以，利用空間濾波器算法只能求出結構沖擊的位置相對于線性壓電傳感器陣列的角度，不能確定沖擊的位置坐標。這嚴重制約了空間濾波器算法在結構健康監測中的應用。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出了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，實現空間濾波器對結構沖擊的定位，并且消除復雜航空復合材料結構波速差異對沖擊定位的影響。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

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，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