[發明專利]基于導波能量特征主成分分析的結冰定量監測方法和裝置

有效

• 申請號: 202011284428.5
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112529041B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 周世圓;趙明華;于全朋;胡曉丹;孫曉瑩
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G01B21/02
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 溫子云

本發明公開了一種基于導波能量特征主成分分析的結冰定量監測方法和裝置，能夠利用導波信號能量特征主成分綜合得分對結冰長度進行評估，實現了結冰長度的定量監測。首先獲取不同結冰長度下的導波信號，提取導波信號能量特征，構建導波信號能量特征矩陣；采用主成分分析法對導波信號能量特征矩陣進行處理，獲得每個結冰長度的導波信號能量特征主成分及其綜合得分，從而獲得結冰長度與綜合得分的關系曲線；結冰監測時，激勵并接收導波信號、提取能量特征并構建新的導波信號能量特征矩陣，對該矩陣進行主成分分析及綜合得分計算，獲得被監測結冰區域的綜合得分；最終依據所述關系曲線，獲得結冰長度。

技術領域

本發明涉及結構健康監測領域，具體涉及一種基于導波能量特征主成分分析的結冰定量監測方法和裝置。

背景技術

飛機在飛行過程中，當溫度較低時，飛機表面與云層發生碰撞，使得過冷水迅速發生相變，導致在飛機的許多部件上結冰。飛機結冰會造成飛機質量增加，飛行阻力增大，影響飛機的氣動性能，操作穩定性和起降特性，嚴重降低飛機飛行的安全性，甚至導致飛行事故的發生。

超聲導波結冰探測技術可以監測飛機結冰狀態，從而啟動除冰系統進行除冰，對于飛機的安全飛行起著至關重要的作用。但由于超聲導波具有多模態特性和頻散特性，結冰監測中導波信號波形較為復雜，給信號識別尤其是定量監測帶來極大挑戰。

采用多信號特征取代單信號特征進行結冰監測可提高監測精度與可靠性，但由于信號各特征之間存在相關性，過多的特征會增加分析問題的難度與復雜性，難以獲得信號特征與結冰尺寸的關系，無法對結冰尺寸進行定量監測。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于導波能量特征主成分分析的結冰定量監測方法，能夠利用導波信號能量特征主成分綜合得分對結冰長度進行評估，實現了結冰長度的定量監測。

為了解決上述技術問題，本發明是這樣實現的：

一種基于導波能量特征主成分分析的結冰定量監測方法，包括以下步驟：

步驟1：在結冰區域一側激勵導波，另一側采集導波信號；獲取不同結冰長度下的導波信號；

步驟2：提取每個導波信號的能量特征；所有結冰長度的導波信號對應的能量特征組成導波信號能量特征矩陣A；

步驟3：采用主成分分析法對導波信號能量特征矩陣A進行降維，獲得每個結冰長度的導波信號能量特征主成分，并利用導波信號能量特征主成分計算相應結冰長度的導波信號能量特征主成分綜合得分；

步驟4：根據不同結冰長度的主成分綜合得分，得到結冰長度與導波信號能量特征主成分綜合得分的關系曲線；

步驟5：結冰監測時，激勵并接收導波信號，提取所接收導波信號的能量特征，將提取的能量特征加入導波信號能量特征矩陣A，形成導波信號能量特征矩陣B，采用主成分分析法對導波信號能量特征矩陣B進行處理并計算綜合得分，獲得被監測結冰區域的導波信號能量特征主成分綜合得分；

步驟6：依據所述關系曲線，確定步驟5獲得的導波信號能量特征主成分綜合得分對應的結冰長度，即為結冰監測結果。

優選地，所述步驟2提取的導波信號的能量特征包括：均方根值、標準差、絕對均值、方根幅值、峰峰值、波形因子、峰值因子、脈沖因子、裕度因子和峭度，以及基于db8小波基函數對導波信號進行三層小波分解后得到的頻帶2能量和頻帶4能量。

優選地，所述步驟6進行結冰監測時，定時激勵接收導波信號，獲得實時的結冰區域長度尺寸變化情況。

優選地，步驟3所述利用導波信號能量特征主成分計算相應結冰長度的導波信號能量特征主成分綜合得分為：將各導波信號能量特征主成分進行加權，權值為主成分的貢獻率，獲得導波信號能量特征主成分綜合得分。