[發明專利]復合材料中基于信號波速與衰減補償的2D?MUSIC沖擊定位方法

有效

• 申請號: 201310685400.6
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103698748B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 袁慎芳;鐘永騰;邱雷;劉彬;王志凌
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01S5/22
• 分類號: G01S5/22
• 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

本發明涉及一種復合材料中基于信號波速與衰減補償的2D-MUSIC（二維多重信號分類）沖擊定位方法，屬于工程復合材料結構健康監測方法技術領域。

背景技術

復合材料相比于傳統材料具有高比模量、比強度等獨特優勢，可以有效地減輕飛機的重量并提高飛機的安全性和存活力,在航空領域具有良好的應用前景。然而復合材料對低速沖擊很敏感，很容易造成復合材料的凹陷、脫層、纖維斷裂等微小損傷，導致復合材料性能下降。因此，沖擊監測成為當前結構健康監測中一個很重要的課題。

由于Lamb波具有長距離的傳播能力，基于Lamb波的結構健康監測方法具有很好的應用前景。現有基于Lamb波沖擊監測技術的研究算法主要有基于時差定位技術方法，基于人工智能的優化方法以及基于系統建模的方法。

近幾年，許多學者提出了陣列信號處理方法，陣列信號處理技術屬于信號處理的一個重要分支，即通過多個傳感器同時接收（或激勵）信號，相對于單個傳感器，有效地提高了信號的信噪比。在這些方法中，由Schmidt R.O.提出的多重信號分類(MUSIC)算法具有代表性算法之一，其算法的基本思想是將任意陣列輸出數據的協方差矩陣進行特征值分解，從而得到與信號分量相對應的信號子空間和與信號分量相正交的噪聲子空間，然后利用這兩個子空間的正交性來估計信號的參數。正是由于MUSCI算法在特定條件下具有超高的分辨力、估計精度及穩定性，從而吸引了大量的學者對其進行深入的研究和分析，目前算法主要應用于聲波、電磁波等領域。目前已有學者考慮將遠場1D-MUSCI算法運用于結構健康監測中，只實現沖擊源的角度估計。在遠場1D-MUSCI算法中，通常假設信號源足夠遠，這時信號的波陣面可以近似假設為平面波，減小信號模型的復雜程度。然而當沖擊發生在傳感器陣列附近時，此時遠場模型將不再適用，通常在遠場情況下可以忽略信號源的波前曲率，即近似為平面波，而在近場區域，信號源波前的曲率不能忽略，即波前的需要用球面波來描述，此時信號源的位置信息須由方位角、距離兩個參數來確定，此時將算法擴展成二維參數搜索。由沖擊產生的Lamb波向傳感器陣列各個陣元傳播時，路徑和距離都不一致，即信號的波速和衰減將影響沖擊的定位。在常規的方法中，為了簡化計算，通常把Lamb波的傳播速度設定為一個常數，把Lamb波信號幅值衰減簡單地假設為隨距離線性衰減的關系。

然而，復合材料具有各向異性的特點，Lamb波沿結構各個方向傳播時具有不同的波速。而且在復合材料結構中的主要部位，常有加筋、變厚度等復雜的結構形式，這些都將加強了復合材料的各向異性，增加沖擊精確定位的難度。此時，Lamb波在復合材料結構傳播時信號幅值衰減不單單于傳播距離有關。另外在沿著平面掃描時，導向矢量同樣與Lamb波的傳播速度有關。在運用MUSIC算法時，應該考慮波速變化、信號幅值衰減的影響。常規方法中波速與信號衰減假設將不再適用于復合材料近場沖擊源定位。

因此，為了保證復合材料中沖擊的定位精度，需要考慮對Lamb信號的波速和衰減進行補償，建立更加符合復合材料結構的沖擊定位方法。

發明內容

本發明針對常規MUSIC算法的不足，依據Lamb波在復合材料中的各向異性與信號衰減規律，提出了一種復合材料中基于信號波速與幅值衰減補償的2D-MUSIC沖擊定位方法。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種復合材料中基于信號波速與衰減補償的沖擊定位方法，包括如下步驟：

（1）在被監測結構的相應位置布置壓電傳感器網絡，組成不同的激勵-傳感通道；

（2）設置結構健康監測集成系統的采樣頻率、采樣長度、預采集長度、傳感器陣列中第一個傳感器為觸發通道，以及數據采集卡觸發通道的觸發閾值；

（3）當觸發通道中信號幅值大于觸發閾值時，各個壓電傳感器開始采集信號，將這些信號合成為矩陣形式的沖擊陣列信號；

（4）沖擊陣列信號預處理：提取沖擊陣列信號中的窄帶信號，并計算其協方差矩陣，對協方差特征值分解，得到相應的噪聲子空間；

（5）測量各個激勵-傳感通道所對應角度的波速，建立信號波速曲線，得到第個壓電傳感器相對于第個壓電傳感器的時間延遲關系，其中表示沖擊源信號到達第個陣元時相對于第個陣元的時間延遲，， 為壓電傳感器編號，為沖擊源到達第個壓電傳感器的距離，為沖擊源傳播到第個壓電傳感器直線路徑與軸的夾角， 為沖擊源到達第個壓電傳感器的距離，為沖擊源傳播到第個壓電傳感器直線路徑與軸的夾角；為沖擊源傳播到第個壓電傳感器的波速，為沖擊源傳播到第個壓電傳感器的波速；