CN102889896A

CN102889896A - 一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法

Info

Publication number: CN102889896A
Application number: CN2012103559865A
Authority: CN
Inventors: 邱雷; 袁慎芳; 钱伟峰; 梅寒飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102889896B

Abstract

本发明为小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统提供一种冲击监测数字序列的两级降噪方法。在小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统获取到数字序列后，采用本方法进行数字序列的两级噪声抑制。第一级噪声抑制采用Haar离散小波变换。第二级噪声抑制采用基于特征数字序列的降噪方法。确定特征数字序列的判别标准是上升沿后持续一段长度m的数字序列中，为1（即高电平）的数字序列所占的比例大于R。基于本方法，能够在不增加任何滤波、调理模块，不增加新的降噪用的硬件模块的情况下，提高小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统的冲击监测的准确性，降低对冲击的误判和虚警。

Description

一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法

技术领域

本发明涉及一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统获取的数字序列的降噪方法。这种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统适用于大型航空结构的机载实时的冲击区域监测和冲击事件的记录，属航空结构健康监测技术领域。通过本发明的数字序列两级降噪方法，可以在不需增加任何信号滤波、调理电路或其它降噪的硬件模块的前提下，实现数字序列的降噪，从而在不增加系统体积和功耗的情况下，降低系统对结构冲击的误判和虚警。

背景技术

复合材料因其具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好及材料性能可设计等一系列优点得到了广泛的应用，尤其是在军用、民用飞机上已开始越来越多地使用先进复合材料结构以达到减重的目的。然而，层合板复合材料在服役过程中不可避免的要承受各种冲击，极易造成复合材料结构的内部损伤并导致其力学性能退化，承载能力降低，甚至导致结构的整体破坏和失效。因此对复合材料结构进行全寿命的监测，以确保结构的稳定性和安全性是具有迫切的应用需求的。

被动结构健康监测方法能够实现在线的冲击监测，实时获取冲击区域、位置等信息，然后再利用无损检测对通过被动结构监测获得的冲击区域进行进一步检测，能够大大缩短检测时间，降低维护成本。但是针对大型航空结构的冲击监测，以采用24路压电传感器监测冲击信号为例，按照传统高速数据采集测试方式进行监测信号采集，系统硬件采用商用的4通道高速模拟数据采集卡和4通道电荷放大调理器，那么完成24路冲击信号监测至少需要6张数据采集卡和6台电荷调理器，外加集成此数量硬件所需的带统一控制核心的处理器和机箱。大量应用功能独立、集成度不高的模块直接导致测试环境复杂度和测试系统调试难度的提高，以及系统体积和重量的庞大。然而，对于机载设备而言，要求该设备的添加不会给飞机造成过大的载重负担，而且飞机机体结构所需监测的面积很大，特别是像我国正处于研制阶段的民用大型客机C919，支持24路压电传感器的被动监测系统是远远不够的，需要大规模的压电传感器阵列才能够满足要求。但是这样又进一步增加了监测系统的体积和重量。同时，大规模传感器阵列及飞机长时间的飞行产生的过多的冗余及无效的信息量也给系统存储器容量提出了严峻的挑战。故现有被动结构健康监测系统并不能够满足冲击监测机载设备的要求。

针对上述问题，最近，一种适用于机载的小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统被提出并正在逐步得到应用。该系统具备体积小、重量轻、低功耗、安装和使用方便、监测区域大（支持传感器数量大）、能够实时响应冲击事件并能够存储有效冲击信号和定位结果等多个特点。

但是该系统为了满足小型化和低功耗的要求，在硬件电路中没有任何针对信号噪声的滤波和调理模块，外部传感器阵列直接与系统内的比较器阵列连接，系统的冲击定位算法单纯依靠对应传感器通道的数字序列的上升沿的先后顺序。如果冲击响应信号中存在较大幅度的噪声，那么这些噪声也同样会经过比较器而产生数字序列，从而使得系统无法准确实现冲击的定位。如果在没有冲击的情况下，仅是幅度较大的噪声同样也会经过比较器产生数字序列，从而产生虚警。飞机在飞行过程中的气动噪声、结构振动噪声以及发动机噪声是不可避免的。所以需要发明一种针对该系统的数字序列的降噪方法，在不增加任何滤波、调理模块，不增加新的降噪用的硬件模块的情况下，提高系统冲击监测的准确性，降低对冲击的误判和虚警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统提供一种数字序列的两级降噪方法，在不增加任何针对冲击响应信号的滤波、调理模块，不增加新的降噪用的硬件模块的情况下，提高系统冲击监测的准确性，降低对冲击的误判和虚警。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法，第一级噪声抑制采用Haar离散小波变换，第二级噪声抑制采用基于特征数字序列的降噪方法。

第二级噪声抑制过程为：首先检索到数字序列中的第一个上升沿，然后提取其后的m个数据点计算为1的数字序列所占的比例，如果小于R，则整个m个长度的数字序列置0，如果大于等于R，则整个m长度的数字序列置1，然后依次类推，直至整个数字序列检索完毕。

有益效果：本发明的一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法使得小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统在不增加任何滤波、调理模块，不增加新的降噪用的硬件模块的情况下，提高了冲击监测的准确性，降低对冲击的误判和虚警。

附图说明

图1 传感器阵列的真实响应信号瀑布图；

图2 小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统获取的数字序列；

图3 数字序列两级降噪方法实施流程；

图4 经过数字序列两级降噪方法降噪后的数字序列。

具体实施方式

本发明的降噪方法具体按照以下步骤：

（1）数字序列获取

小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统获取到数字序列。

产生上述数字序列的原因有以下三种：

Figure 2012103559865100002DEST_PATH_IMAGE001

由于冲击使得传感器输出冲击响应信号，从而通过系统内部的比较器阵列获得数字序列；

由于传感器输出的噪声幅度较大，通过比较器阵列获得数字序列，这种数字序列是单纯由于噪声产生的；

Figure 2012103559865100002DEST_PATH_IMAGE003

大幅度噪声和冲击响应信号的混合信号使得比较器阵列输出数字序列，这种数字序列是由冲击响应信号和噪声共同引起的。

（2）基于Haar离散小波变换的数字序列第一级降噪

对数字序列进行Haar离散小波变换，提取低频小波系数也即是尺度分量，并进行重采样，将重采样结果作为数字序列的第一级降噪结果。

离散小波变换已经在模拟信号的降噪中得到了广泛的研究和应用。本发明将离散小波变换应用于数字序列的降噪中。在众多的离散小波变换母函数的种类中，Haar小波是一种具有0-1波形的小波变换母函数。这种小波母函数的波形正好与数字序列的0-1波形形式一致。所以本发明采用Haar离散小波变换，实现数字序列的第一级降噪。通过Haar离散小波变换，由于高频噪声产生的数字序列得到了初步的抑制。

（3）基于特征数字序列的数字序列第二级降噪

对每一路数字序列进行特征数字序列处理，并将处理结果作为数字序列的第二级降噪结果。

确定特征数字序列的判别标准是上升沿后持续一段长度m的数字序列中，为1（即高电平）的数字序列所占的比例大于R，把满足上述特征的数字序列称为特征数字序列。判别过程为：首先检索到数字序列中的第一个上升沿，然后提取其后的n个数据点计算为1的数字序列所占的比例，如果小于R，则整个m个长度的数字序列置0，如果大于等于R，则整个m长度的数字序列置1，然后依次类推，直至整个数字序列检索完毕。通过特征数字序列处理，由于高频噪声产生的数字序列得到了进一步抑制，由于低频噪声产生的数字序列得到了抑制。

在特征数字序列的判别标准中，长度m是最重要的参数，其大小与冲击响应信号的主要能量成分的频率范围有关。m的确定方法如下：不同的冲击物体产生的冲击响应信号的频率带宽有所不同，但常见的冲击事件，如飞行过程中的鸟撞、起飞和降落过程中的机场碎石撞击以及地面维护时维护人员不小心产生的工具掉落的撞击等，产生的冲击响应信号的频带范围集中在10Hz至50kHz的范围内，其中2kHz至5kHz的频率范围内的冲击响应信号能量较大。而这个频带范围内对应的信号的半周期时间长度为0.25ms至0.1ms。如果小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统获取到数字序列的采样率为1MHz/bit，则对应的数字序列长度范围为250至100。飞机的气动噪声、发动机噪声等的频率范围一般小于1kHz。对于一些高频的空间电磁干扰其频率一般大于100kHz。所以m的取值范围设置为100到250之间可以有效抑制低频和高频噪声。

在特征数字序列的判别标准中，比例R的参数是一个经验参数，通过大量的实验验证表明，R设置为90%比较合适。

以一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统为例，该系统连接外部8个压电传感器组成的冲击监测网络，在飞行过程中，当结构受到冲击时，8个压电传感器实际输出的响应信号如图1所示。响应信号中包含了冲击响应信号，高频白噪声以及气动噪声。冲击发生在由1、2和8号压电传感器围成的区域内。

8个响应信号通过小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统内部的比较器阵列以后得到的对应的数字序列如图2所示。从图中可以看出，无法通过比较各个传感器对应数字序列的第一个上升沿来判别冲击发生的区域，无法实现冲击的准确监测。

采用基于离散小波变换和特征数字序列的数字序列两级降噪方法对数字序列进行降噪，方法实施流程如图3所示。

首先，采用Haar-5离散小波变换，对数字序列进行五层分解，提取出第五层的小波系数尺度分量，再对其重采样得到第一级降噪结果。

然后，对每一路数字序列进行特征数字序列处理。在本实施方式中，确定特征数字序列的判别标准是上升沿后持续一段长度m=200的数字序列中，为1（即高电平）的数字序列所占的比例大于R=90%，把满足上述特征的数字序列作为特征数字序列。判别过程为：首先检索到数字序列中的第一个上升沿，然后提取其后的m个数据点计算为1的数字序列所占的比例，如果小于R=90%，则整个m个长度的数字序列置0，如果大于等于R=90%，则整个m长度的数字序列置1。然后依次类推，直至整个数字序列检索完毕。

采用基于离散小波变换和特征数字序列的数字序列降噪方法对数字序列进行降噪的结果如图4所示。通过图4可以清晰判别1、2和8号传感器对应的降噪后的数字序列的第一个上升沿是最先出现的三个上升沿，所以可以判别冲击发生在1、2和8号传感器围成的冲击监测区域中。该结果与飞机落地以后的无损检测结果相吻合。

Claims

1.一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法，其特征在于，第一级噪声抑制采用Haar离散小波变换，第二级噪声抑制采用基于特征数字序列的降噪方法。

2.如权利要求1所述复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法，其特征在于，第二级噪声抑制过程为：首先检索到数字序列中的第一个上升沿，然后提取其后的m个数据点计算为1的数字序列所占的比例，如果小于R，则整个m个长度的数字序列置0，如果大于等于R，则整个m长度的数字序列置1，然后依次类推，直至整个数字序列检索完毕。

3.如权利要求2所述复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法，其特征在于，m的取值范围为100到250，R为90%。