CN101510263A - 基于时间和空间域导向波模式的识别方法 - Google Patents
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Abstract
一种电信技术领域的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，本发明采用普通的压电晶片激励器和窄频带激励波对板壳结构进行激励，并应用粘贴在结构表面的传感器接收在结构中传播的导向波信号；将从板壳结构中捕获的导向波信号应用小波变换在时间和空间域进行分解；应用希尔伯特变换获得各尺度下小波变换系数的包络，然后在时间和空间与绘制各小波变换尺度下的包络；应用时间和空间域的包络等高线脊线，根据基础阶对称和基础阶反对称模式导向波的频散特性，实现导向波信号中主要信息包的模式识别。本发明应用时间和空间分析法来确定导向波数字信号中各个导向波信息包的模式，为实现高精度低识别结构中的损伤位置和大小奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电信技术领域的模式识别方法，具体是一种基于时间和空间域导向波模式的识别方法。
背景技术
导向波是一种可以在板壳结构中传播的超声波，它的重要内在特性是其频散特性，即当导向波在板壳结构中传播时，至少有两种模式(对称模式和反对称模式)的导向波会同时在板壳结构中传播；而且导向波的能量会在时间和空间域展开；同时，各种模式的导向波在板壳结构中的传播速度随着板壳结构厚度与导向波频率的乘积的改变而变化(I.A.Viktorov，《瑞利波和兰姆波》，纽约，Plenum出版社，1967)。
由于可以在板壳结构中低衰减、远距离地传播，目前导向波已经开始被应用于航空航天飞行器(例如飞机)和海洋船舶的损伤检测和定位，简称结构健康性监测。在工程应用中，导向波的频散特性是不可避免的；而这种频散特性在很大程度上限制了导向波在结构健康性监测领域的应用。为了最大限度地降低导向波频散特性对结构健康性监测应用的影响，目前通常采用窄频带的波作为导向波激励波；同时，采用特殊的激励方法来降低多模式导向波并存对结构健康性监测应用的影响。
经对现有技术文献资料的检索发现：A.Gachagan，G.Hayward，R.Banks等人发表的《一种用于有效激励和接收超声导向波的柔性激励器设计》(《IEEE超声铁电和频率控制》，2005年第52卷第7期，第1175-1182页)，将导向波激励器安装在锲形座上，通过调整锲形座的角度来降低多模式导向波并存的影响；Y.H.Kim，D.H.Kim，J.H.Han，C.G.Kim等人发表的《应用频谱分析和导向波对铺层复合材料进行损伤评估》(《复合材料-工程版》，2007年第38卷第7-8期，第800-809页)，在板壳结构的同一位置的上下两面同时安装导向波激励器，通过调整两面激励波的相位来降低多模式并存的影响。上述两种方法只能减弱、但并不能完全消除导向波频散特性的影响；而且不适合于结构在运行过程中进行在线地结构健康性监测。目前，导向波模式识别的方法(即从一个导向波信号中识别各信息包的对称或反对称模式)还比较欠缺，而这一方法则影响了结构损伤识别的精度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于时间和空间域导向波模式的识别方法。本发明应用时间-尺度分析法来确定导向波数字信号中各个导向波信息包的模式，为实现高精度低识别结构中的损伤位置和大小奠定了基础。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用普通的压电晶片激励器和窄频带激励波对板壳结构进行激励，并应用粘贴在结构表面的传感器接收在结构中传播的导向波信号；将从板壳结构中捕获的导向波信号应用小波变换在时间和空间域进行分解；应用希尔伯特变换获得各尺度下小波变换系数的包络，然后在时间和空间域绘制各小波变换尺度下的包络；应用时间和空间域的包络等高线脊线，根据基础阶对称和基础阶反对称模式导向波的频散特性，实现导向波信号中主要信息包的模式识别。
本发明包括如下步骤：
1.导向波激励和导向波信号接收，即将压电晶片安装在板壳结构的表面作为导向波激励器，用于在结构中激励出导向波；将经汉宁窗调幅的具有有限周期的正弦波脉冲信号作为导向波激励波信号，入射到导向波激励器；将超声波信号接收器安装在相同板壳结构的表面上距离导向波激励器待检测导向波波长5倍以上的位置(其中待检测导向波波长等于待检测导向波传播速度除以待检测导向波频率后得到的结果)，作为导向波信号接收器，用于接收由导向波激励器产生的、在板壳结构中传播的导向波数字信号。
2.导向波信号时间和空间域分解，即利用连续小波变换对由导向波信号接收器采集到的导向波数字信号在连续尺度序列下进行分解，获得各个尺度下导向波数字信号在多尺度下的连续小波变换系数。
3.导向波信号小波变换系数的包络线获取，即应用希尔伯特变换对各个尺度下导向波数字信号的连续小波变换系数进行变换，从而获取所有尺度下小波变换系数的包络线。
4.导向波信号的时间和空间域脊线搜索，即搜索所有尺度下小波变换系数包络线中各个导向波信息包的最大值，在时间和空间域同时绘制导向波小波变换系数包络线等高线和各信息包的最大值点，将这些最大值点连线，构成在时间和空间域的导向波中主要信息包的脊线。
5.导向波信息包模式识别，即对比导向波理论频散特性曲线，应用时间和空间域的导向波信息包脊线的斜率，识别该信息包的模式，即：当在时间和空间域某导向波信息包的脊线斜率为负数时，该导向波信息包为基础阶对称模式的导向波；当在时间和空间域某导向波信息包的脊线斜率为正数时，该导向波信息包为基础阶反对称模式的导向波。
6.匹配出导向波的实际频散曲线，即应用导向波中同一模式波信息包中、各个尺度下峰值的到达时间，根据导向波激励器和导向波信号接收器之间的实际距离，计算导向波在该尺度下的传播速度，从而匹配出导向波在实际板壳结构中的实际传播频散曲线。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明应用了、而不是刻意绕开导向波频散特性，从而实现了现有技术无法实现的导向波信号中各信息包的模式识别；
(2)本发明可以实现导向波模式识别，因此可以采用表面粘贴的导向波激励器和导向波信号接收器安装方式，有助于推动在线结构健康性监测的工程应用；
(3)应用所匹配出的导向波实际频散曲线进行结构损伤识别和定位的精度，与通过理论频散曲线的方法相比将大大提高。
附图说明
图1是导向波激励与导向波信号接收实例；
图2是导向波激励波信号；
图3是导向波信号接收器采集到的导向波信号；
图4是导向波信号变换流程图；
图5是图3所示导向波信号中各导向波信息包的小波变换系数等高线及其脊线；
图6是导向波的频散特征曲线；
其中，S0为基础阶对称模式导向波的频散曲线，A0为基础阶反对称模式导向波的频散曲线；
图7是匹配出的实际导向波频散曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例步骤如下：
1、导向波激励和导向波信号接收，如图1所示，针对待检测的板壳结构的特征，对板壳结构进行边界固支(即采用固定安装的方式安装带检测板壳结构)，在固支好的板壳结构表面采用粘贴的方式安装压电晶片激励器，用于在板壳结构中激励出导向波；导向波激励波为具有有限周期的窗函数调幅的正弦波信号(本实例中选择的窗函数为汉宁窗函数，正弦波脉冲信号的周期数为5，导向波激励波的波形如图2所示)，将超声波信号接收器安装在相同板壳结构的表面上距离导向波激励器200m的位置(如图1所示)，作为导向波信号接收器，导向波激励波通过通用压电晶片放大器放大后入射到图1中的压电晶片激励器中，从而激励出在板壳结构中传播的导向波。与此同时，导向波信号接收器开始接收由导向波激励器产生的、在板壳结构中传播的导向波数字信号，所接收到的导向波信号如图3所示，包括两个导向波信息包，分别命名为“PI”和“PII”。
2.导向波信号时间和空间域分解，即利用连续小波变换对由导向波信号接收器采集到的导向波数字信号在连续尺度序列下进行分解，获得各个尺度下导向波数字信号在多尺度下的连续小波变换系数。
3.导向波信号小波变换系数的包络线获取，即应用希尔伯特变换对各个尺度下导向波数字信号的连续小波变换系数进行变换，从而获取所有尺度下小波变换系数的包络线。
4.导向波信号的时间和空间域脊线搜索，即搜索所有连续小波变换尺度下，导向波信息包PI和PII的极大值出现的时间，并将其存储；最后在时间和空间域绘制导向波信号连续小波变换系数包络线的等高线；连接各个尺度下导向波信息包PI和PI的极大值出现时间点，从而构成各个导向波信息包的时间和空间域脊线；步骤2、3和4中的算法流程如图4所示，导向波信号的时间和空间域分析结果如图5所示。
5.导向波信息包模式识别，即应用时间和空间域的导向波信息包脊线的斜率，识别该信息包的模式，S0的传播速度随着导向波频率的增加而降低；相反，A0的传播速度随着导向波频率的增加而增加。在小波变换中，小尺度对应高频率，大尺度对应低频率。因此：在时间和空间域，S0模式的导向波脊线的斜率为负值；相反，A0模式的导向波脊线的斜率为正值。基于本推论，可以确定图5中第一个导向波脊线为S0模式，第二个导向波脊线为A0模式；对照图3中PI和PII导向波信息包的到达时间，从而可以确定PI为S0模式的导向波，PII为A0模式的导向波。
6.匹配出导向波的实际频散曲线，即应用导向波中同一模式波信息包中、各个尺度下峰值的到达时间，根据板壳结构上导向波激励器和导向波信号接收器之间的实际距离，计算导向波在该尺度下的传播速度，由于小波变换中尺度与频率成反比关系，因此可以相应地得到基础阶对称和反对称导向波的传播速度虽频率的实际变化曲线，即实际传播的频散曲线，如图7中“○”和“◇”所标注的曲线。
Claims (6)
1、一种基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)导向波激励和导向波信号的接收，将压电晶片安装在板壳结构的表面作为导向波激励器，将导向波激励波信号入射到导向波激励器，将超声波信号接收器安装在相同板壳结构的表面上距离导向波激励器待检测导向波波长5倍以上的位置，作为导向波信号接收器；
(2)导向波信号时间和空间域分解，对由导向波信号接收器采集到的导向波数字信号在连续尺度序列下进行分解，获得各个尺度下导向波数字信号在多尺度下的连续小波变换系数；
(3)获取导向波信号连续小波变换系数的包络线，对各个尺度下导向波数字信号的连续小波变换系数进行变换，获取所有尺度下小波变换系数的包络线；
(4)导向波信号时间和空间域脊线搜索，搜索各尺度下导向波数字信号的连续小波系数中各个导向波信息包的极大值，在时间和空间域绘制导向波数字信号小波变换系数包络线的等高线；并连接各导向波信息包的极大值点，构成各导向波信息包的时间和空间域脊线；
(5)导向波信息包模式识别，即对比导向波理论频散特性曲线，应用时间和空间域的导向波信息包脊线的斜率，识别该信息包的模式；
(6)匹配出导向波的实际频散曲线，即根据计算所得的导向波在各频率下的实际传播速度，匹配出导向波在实际板壳结构中的实际传播频散曲线。
2、根据权利要求1所述的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征是，所述的导向波激励波信号，是经汉宁窗调幅的具有有限周期的正弦波脉冲信号。
3、根据权利要求1所述的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征是，利用连续小波变换对由导向波信号接收器采集到的导向波数字信号在连续尺度序列下进行分解。
4、根据权利要求1所述的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征是，应用希尔伯特变换对各个尺度下导向波数字信号的连续小波变换系数进行变换。
5、根据权利要求1所述的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征是，当在时间和空间域某导向波信息包的脊线斜率为负数时，该导向波信息包为基础阶对称模式的导向波；当在时间和空间域某导向波信息包的脊线斜率为正数时，该导向波信息包为基础阶反对称模式的导向波。
6、根据权利要求1所述的基于时间和空间域导向波模式的识别方法，其特征是，应用导向波中同一模式波信息包中、各个尺度下峰值的到达时间，根据导向波激励器和导向波信号接收器之间的实际距离，计算导向波在各频率下的实际传播速度。
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