CN103698748A - 复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2d-music冲击定位方法 - Google Patents

复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2d-music冲击定位方法 Download PDF

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CN103698748A CN201310685400.6A CN201310685400A CN103698748A CN 103698748 A CN103698748 A CN 103698748A CN 201310685400 A CN201310685400 A CN 201310685400A CN 103698748 A CN103698748 A CN 103698748A
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Abstract

本发明公开了一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法，属于工程复合材料结构健康监测方法技术领域。该方法包括如下步骤：1、设置系统参数、触发阈值；2、当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，传感器阵列开始采集冲击信号；3、冲击阵列信号预处理；4、测量不同角度的波速，建立信号波速曲线
Figure 216885DEST_PATH_IMAGE002
；5、测量不同距离的信号幅值，建立信号幅值衰减曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；6、得到信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位算法的阵列导向矢量
Figure 710107DEST_PATH_IMAGE004
和补偿后的空间谱估计公式
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；7、得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。本方法减少了复杂复合材料的各向异性对冲击定位的影响，较好地提高了复合材料中冲击源的定位精度和实时性。

Description

复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC（二维多重信号分类）冲击定位方法，属于工程复合材料结构健康监测方法技术领域。
背景技术
复合材料相比于传统材料具有高比模量、比强度等独特优势，可以有效地减轻飞机的重量并提高飞机的安全性和存活力,在航空领域具有良好的应用前景。然而复合材料对低速冲击很敏感，很容易造成复合材料的凹陷、脱层、纤维断裂等微小损伤，导致复合材料性能下降。因此，冲击监测成为当前结构健康监测中一个很重要的课题。
由于Lamb波具有长距离的传播能力，基于Lamb波的结构健康监测方法具有很好的应用前景。现有基于Lamb波冲击监测技术的研究算法主要有基于时差定位技术方法，基于人工智能的优化方法以及基于系统建模的方法。
近几年，许多学者提出了阵列信号处理方法，阵列信号处理技术属于信号处理的一个重要分支，即通过多个传感器同时接收（或激励）信号，相对于单个传感器，有效地提高了信号的信噪比。在这些方法中，由Schmidt R.O.提出的多重信号分类(MUSIC)算法具有代表性算法之一，其算法的基本思想是将任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征值分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的参数。正是由于MUSCI算法在特定条件下具有超高的分辨力、估计精度及稳定性，从而吸引了大量的学者对其进行深入的研究和分析，目前算法主要应用于声波、电磁波等领域。目前已有学者考虑将远场1D-MUSCI算法运用于结构健康监测中，只实现冲击源的角度估计。在远场1D-MUSCI算法中，通常假设信号源足够远，这时信号的波阵面可以近似假设为平面波，减小信号模型的复杂程度。然而当冲击发生在传感器阵列附近时，此时远场模型将不再适用，通常在远场情况下可以忽略信号源的波前曲率，即近似为平面波，而在近场区域，信号源波前的曲率不能忽略，即波前的需要用球面波来描述，此时信号源的位置信息须由方位角                                                
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE001
、距离两个参数来确定，此时将算法扩展成二维参数搜索。由冲击产生的Lamb波向传感器阵列各个阵元传播时，路径和距离都不一致，即信号的波速和衰减将影响冲击的定位。在常规的方法中，为了简化计算，通常把Lamb波的传播速度设定为一个常数
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE003
，把Lamb波信号幅值衰减简单地假设为随距离线性衰减的关系。
然而，复合材料具有各向异性的特点，Lamb波沿结构各个方向传播时具有不同的波速。而且在复合材料结构中的主要部位，常有加筋、变厚度等复杂的结构形式，这些都将加强了复合材料的各向异性，增加冲击精确定位的难度。此时，Lamb波在复合材料结构传播时信号幅值衰减不单单于传播距离有关。另外在沿着
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE004
平面扫描时，导向矢量同样与Lamb波的传播速度有关。在运用MUSIC算法时，应该考虑波速变化、信号幅值衰减的影响。常规方法中波速与信号衰减假设将不再适用于复合材料近场冲击源定位。
因此，为了保证复合材料中冲击的定位精度，需要考虑对Lamb信号的波速和衰减进行补偿，建立更加符合复合材料结构的冲击定位方法。
发明内容
本发明针对常规MUSIC算法的不足，依据Lamb波在复合材料中的各向异性与信号衰减规律，提出了一种复合材料中基于信号波速与幅值衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE005
冲击定位方法，包括如下步骤：
（1）在被监测结构的相应位置布置压电传感器网络，组成不同的激励-传感通道；
（2）设置结构健康监测集成系统的采样频率
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE006
、采样长度、预采集长度
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE008
、传感器阵列中第一个传感器
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE009
为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；
（4）冲击阵列信号预处理：提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE011
，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE012
；
（5）测量各个激励-传感通道所对应角度的波速，建立信号波速曲线
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE013
，得到第
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器相对于第
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的时间延迟关系
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE016
，其中表示冲击源信号到达第
Figure 171103DEST_PATH_IMAGE014
个阵元时相对于第
Figure 393137DEST_PATH_IMAGE015
个阵元的时间延迟，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE018
， 
Figure 743347DEST_PATH_IMAGE014
为压电传感器编号，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE019
为冲击源到达第
Figure 709028DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器的距离，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE020
为冲击源传播到第
Figure 765977DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器直线路径与
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE021
轴的夹角， 为冲击源到达第
Figure 828087DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的距离，为冲击源传播到第
Figure 665593DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器直线路径与
Figure 169386DEST_PATH_IMAGE021
轴的夹角；
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE024
为冲击源传播到第
Figure 346421DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器的波速，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE025
为冲击源传播到第个压电传感器的波速；
（6）测量各个激励-传感通道所对应距离的信号幅值，并用指数函数建立信号幅值衰减曲线
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE026
，其中为第个压电传感器的信号幅值，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE028
为第
Figure 143542DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的信号幅值，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE029
为幅值衰减系数，冲击源到第
Figure 909504DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器与到第
Figure 644242DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的距离差，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE031
第
Figure 190761DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器相对于第
Figure 301936DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的相位变化；
（7）将步骤（
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE032
）中时间关系
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE033
和步骤（
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE034
）中的幅值衰减关系
Figure 122737DEST_PATH_IMAGE026
代入阵列导向矢量
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE035
中，其中
Figure 966059DEST_PATH_IMAGE002
为冲击源到达坐标原点的距离，为冲击源与
Figure 711478DEST_PATH_IMAGE021
轴的夹角，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE036
为冲击窄带信号的角频率，得到信号波速与衰减补偿的
Figure 452033DEST_PATH_IMAGE005
冲击定位算法的阵列导向矢量和补偿后的空间谱估计公式
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE038
，其中
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE039
为空间谱，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE040
为阵列导向矢量的
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE042
转置，
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE043
为为噪声子空间
Figure 157601DEST_PATH_IMAGE012
的
Figure 678712DEST_PATH_IMAGE042
转置；
（8）设置二维搜索的距离步长和角度步长
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE045
，扫描整个监测区域并进行
Figure 800865DEST_PATH_IMAGE005
补偿算法的空间谱估计，得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。
所述步骤（
Figure 723821DEST_PATH_IMAGE032
）中建立信号波速曲线
Figure 971263DEST_PATH_IMAGE013
的具体步骤如下：
A、采集不同激励—传感通道上的激励信号和传感信号，根据已知激励源到压电传感器距离和激励信号与传感信号的时间差，得到相应传播角度上的波速；
B、将步骤A中得到的波速值，通过曲线拟合得到波速曲线。
所述步骤（
Figure 33077DEST_PATH_IMAGE034
）中用指数函数建立幅值衰减曲线
Figure 810540DEST_PATH_IMAGE026
的具体步骤如下：
a、选择同一个压电传感器用相同激励方式进行激励，再选择不同压电传感器接收信号，采集这些激励—传感通道上的激励信号和传感信号，获取相应传播距离的信号幅值；
b、将步骤a中得到信号幅值，通过
Figure 228883DEST_PATH_IMAGE026
函数拟合得到幅值随距离的变化曲线，得到
Figure 2013106854006100002DEST_PATH_IMAGE046
个信号幅值衰减系数
Figure DEST_PATH_IMAGE047
、。
本发明的有益效果如下：
本方法不需要复杂的系统建模和提取信号波达时间，对信号幅值衰减和波速进行了补偿，减少了复杂复合材料的各向异性对冲击定位的影响，较好地提高了复合材料中冲击源的定位精度和实时性，能有效地应用于真实的航空复杂结构的冲击载荷定位中。
附图说明
图1 航空复合材料油箱结构冲击定位示意图，其中1、模拟冲击；2、航空油箱结构；3、传感器均匀线性阵列。
图2 冲击阵列信号波形图。
图3 PZT1冲击信号的频谱图。
图4 结构监测区域压电传感器布置情况图。
图5 Lamb波在航空油箱结构中的波速曲线。
图6 Lamb波在航空油箱结构中的信号幅值衰减曲线。
图7 冲击信号传播模型图。
图8 冲击源(131 mm, 108o)的定位结果图。
图9 复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
为了更好地说明复合材料中基于信号波速与衰减补偿的
Figure 349022DEST_PATH_IMAGE005
冲击定位方法的具体实施步骤，这里用航空油箱结构说明方法的具体实施过程。
如图
Figure 143803DEST_PATH_IMAGE015
所示，油箱的尺寸为
Figure DEST_PATH_IMAGE049
, 油箱的上、下表面均为碳纤维复合材料结构
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，其余
Figure DEST_PATH_IMAGE051
个侧面为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
铝合金板。以铆钉的方式固定，
Figure 651138DEST_PATH_IMAGE051
个侧面各有加筋板，以上表面碳纤维复合材料板作为冲击监测区域，其铺层情况为：每层厚度为
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，铺层顺序为
Figure DEST_PATH_IMAGE054
, 中间最厚区域厚度为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，两端最薄区域厚度为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
。结构监测区域表面布置
Figure DEST_PATH_IMAGE057
个压电传感器（
Figure DEST_PATH_IMAGE058
），传感器的编号如图
Figure 988186DEST_PATH_IMAGE051
所示。
基于信号波速与幅值衰减的
Figure 971185DEST_PATH_IMAGE005
冲击定位方法的流程如图
Figure DEST_PATH_IMAGE059
所示。具体实施方式如下： 
Figure 304077DEST_PATH_IMAGE015
. 系统参数设置
系统的采样率设置为，信号采样长度为
Figure 816278DEST_PATH_IMAGE007
；设置传感器阵列中第一个传感器
Figure 83312DEST_PATH_IMAGE009
为触发通道，触发阈值为
Figure 219895DEST_PATH_IMAGE010
；为了保证完全采集到冲击，设置预采集长度为
Figure 560878DEST_PATH_IMAGE008
。
采用冲击力锤模拟外界冲击事件，如图
Figure 760433DEST_PATH_IMAGE015
所示。冲击力锤可以模拟
Figure 514763DEST_PATH_IMAGE051
个等级的冲击，冲击能量分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure DEST_PATH_IMAGE061
、
Figure DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure DEST_PATH_IMAGE063
。
Figure 2507DEST_PATH_IMAGE046
. 冲击阵列信号预处理
以冲击源
Figure DEST_PATH_IMAGE064
的冲击分析，冲击阵列信号如图
Figure 463575DEST_PATH_IMAGE046
所示，图
Figure DEST_PATH_IMAGE065
给出了
Figure 768786DEST_PATH_IMAGE009
冲击响应的时域信号和频谱图，可以看出冲击响应较复杂，为宽带信号。为了满足算法的窄带前提条件，在运用该算法之前必须将宽带信号转换为窄带信号。小波变换在时域和频域都具有良好的局部分析特性，适合冲击信号的分析。因此，选用
Figure DEST_PATH_IMAGE066
小波变换提取冲击响应中某一中心频率窄带信号。
从冲击响应的频谱图可以看出其主要能量集中
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，大于时信号能量非常小，综合考虑，选取
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为中心频率提取窄带信号。
Figure 554952DEST_PATH_IMAGE065
.
Figure DEST_PATH_IMAGE070
波在航空油箱结构中的传播特性分析
根据步骤
Figure 33338DEST_PATH_IMAGE046
的频谱分析，实验中激励信号的中心频率为，幅值为 
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，信号采样频率
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，信号采样长度为
Figure 762707DEST_PATH_IMAGE007
个数据点，其中预先采集
Figure DEST_PATH_IMAGE073
个数据点，激励信号为
Figure 233572DEST_PATH_IMAGE065
波峰。
.波速曲线测量
波速曲线测量共用到结构监测区域表面
Figure 125436DEST_PATH_IMAGE034
个压电传感器，传感器的编号包括
Figure DEST_PATH_IMAGE075
、
Figure DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure DEST_PATH_IMAGE078
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE080
，其中
Figure 308899DEST_PATH_IMAGE075
为激励，其余
Figure 752650DEST_PATH_IMAGE032
个为传感。因此，
Figure 906551DEST_PATH_IMAGE034
个传感器可以组成
Figure 789056DEST_PATH_IMAGE032
对激励-传感路径，分别经过结构的
Figure 79223DEST_PATH_IMAGE032
个不同的传播角度。
采集各个激励-传感通道的信号，通过小波变换提取激励信号与传感器信号的包络，得到
Figure 959455DEST_PATH_IMAGE070
信号在此通道中传播的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，且各条激励-传感直达路径的距离
Figure DEST_PATH_IMAGE082
通过测量得到。因此，
Figure 275685DEST_PATH_IMAGE070
波在此方向上的传播波速表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE083
                                   
Figure DEST_PATH_IMAGE084
同理，
Figure 571668DEST_PATH_IMAGE032
条激励-传感通道，得到
Figure 981921DEST_PATH_IMAGE070
波在航空油箱结构中个不同角度上的传播速度。将
Figure 692705DEST_PATH_IMAGE032
个波速离散值，通过次多项式函数拟合得到如图
Figure 119456DEST_PATH_IMAGE032
所示的波速曲线。
Figure DEST_PATH_IMAGE085
.信号幅值衰减曲线测量
波速曲线测量共用到结构监测区域表面
Figure DEST_PATH_IMAGE086
个压电传感器，传感器的编号包括
Figure 626453DEST_PATH_IMAGE009
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure 264239DEST_PATH_IMAGE075
、
Figure DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure DEST_PATH_IMAGE091
、
Figure DEST_PATH_IMAGE092
、
Figure 258871DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 666454DEST_PATH_IMAGE077
、
Figure 503960DEST_PATH_IMAGE080
。
Figure 70071DEST_PATH_IMAGE086
个传感器可以组成
Figure DEST_PATH_IMAGE093
对激励-传感路径，分别经过
Figure 981526DEST_PATH_IMAGE086
个不同的传播距离，分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE094
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE095
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE096
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE097
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE098
、 、 
Figure DEST_PATH_IMAGE100
、
Figure DEST_PATH_IMAGE101
、
Figure DEST_PATH_IMAGE102
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE103
、 
Figure DEST_PATH_IMAGE104
、
Figure DEST_PATH_IMAGE105
、
Figure DEST_PATH_IMAGE106
。
采集各个激励-传感通道的信号，得到传感信号的最大幅值
Figure 981581DEST_PATH_IMAGE027
，同理，
Figure 306383DEST_PATH_IMAGE086
条激励-传感通道，得到
Figure 348288DEST_PATH_IMAGE070
波在航空油箱结构中经过不同传播距离上的信号幅值。将
Figure 445076DEST_PATH_IMAGE086
个波速离散值，通过
Figure DEST_PATH_IMAGE107
函数拟合得到幅值随距离的变化曲线，如图6所示，得到信号幅值衰减系数
Figure 179814DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 726333DEST_PATH_IMAGE048
。
Figure 837508DEST_PATH_IMAGE051
. 复合材料中基于信号波速与衰减补偿的
Figure DEST_PATH_IMAGE108
冲击定位方法
假设某个冲击信号源射入由
Figure DEST_PATH_IMAGE109
个压电传感器阵元的均匀线性阵列上，阵元间距为
Figure DEST_PATH_IMAGE110
，以阵列第
Figure 598922DEST_PATH_IMAGE015
个阵元为参考阵元。第
Figure 566878DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器输出冲击响应信号
Figure DEST_PATH_IMAGE111
表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE112
,
Figure DEST_PATH_IMAGE113
                    
Figure DEST_PATH_IMAGE114
式中, 
Figure DEST_PATH_IMAGE115
为阵列导向矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为冲击窄带信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE117
为高斯白噪声，常规
Figure DEST_PATH_IMAGE118
算法中其表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE119
                                  
Figure DEST_PATH_IMAGE120
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE121
为第
Figure 90439DEST_PATH_IMAGE014
个阵元时相对于参考阵元的信号幅值衰减系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE122
为角频率，
Figure 474147DEST_PATH_IMAGE017
表示冲击源信号到达第
Figure 542597DEST_PATH_IMAGE014
个阵元时相对于第
Figure 619138DEST_PATH_IMAGE015
个阵元的时间延迟，表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE123
                                        
Figure DEST_PATH_IMAGE124
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE125
为信号平均速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE126
为冲击源到达第
Figure 15615DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器和第
Figure 203014DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器的距离差，
Figure 123041DEST_PATH_IMAGE022
为冲击源到达第
Figure 370483DEST_PATH_IMAGE015
个压电传感器的距离， 
Figure 441207DEST_PATH_IMAGE019
为冲击源到达第
Figure 432297DEST_PATH_IMAGE014
个压电传感器的距离， 
Figure 209760DEST_PATH_IMAGE014
为压电传感器编号。
由于冲击产生的
Figure 690420DEST_PATH_IMAGE070
波向传感器阵列各个阵元传播时，传播路径和距离都不一致，即每条路径的距离
Figure 920544DEST_PATH_IMAGE002
和角度
Figure 715324DEST_PATH_IMAGE001
不同，从而导致各条路径上的波速存在差异，进而影响冲击定位精度。
根据冲击信号的传播模型，如图
Figure DEST_PATH_IMAGE127
所示，
Figure 347294DEST_PATH_IMAGE022
为冲击源到达第个压电传感器的距离， 
Figure 922468DEST_PATH_IMAGE019
为冲击源到达第
Figure DEST_PATH_IMAGE128
个压电传感器的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE129
通过三角形余弦公式表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE130
                            
Figure DEST_PATH_IMAGE131
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE132
为传感器布置间距，为冲击源传播到第
Figure 554885DEST_PATH_IMAGE015
个传感器的直线路径与
Figure 580610DEST_PATH_IMAGE021
轴的夹角，
Figure 847643DEST_PATH_IMAGE014
为压电传感器编号。
Figure 718647DEST_PATH_IMAGE070
波向传感器阵列各个阵元传播时，各个传播直达路径的角度表示为：
                                      
Figure DEST_PATH_IMAGE134
由于复合材料具有各向异性的特点，其主要体现在波在结构的不同传播方向具有不同的波速，此时，由第
Figure 394272DEST_PATH_IMAGE015
节得到了
Figure 820705DEST_PATH_IMAGE070
波在航空油箱结构中波速曲线，即
Figure 823296DEST_PATH_IMAGE013
。
式
Figure DEST_PATH_IMAGE135
改写为
Figure DEST_PATH_IMAGE136
                                       
Figure 159731DEST_PATH_IMAGE135
                                            
另外各阵元接收信号的幅度差异也非常明显，由于幅度差中携带了关于信号源方位的重要信息，因此在冲击信号传播模型中应该考虑幅度差。这里将信号幅值衰减定义为指数函数衰减形式，即
Figure DEST_PATH_IMAGE137
                                     
Figure DEST_PATH_IMAGE138
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE139
、
Figure DEST_PATH_IMAGE140
分别表示为信号在第
Figure 89377DEST_PATH_IMAGE015
个阵元、第
Figure 331002DEST_PATH_IMAGE014
个阵元的幅值，为衰减系数，为第
Figure 663392DEST_PATH_IMAGE014
个阵元与第
Figure 126734DEST_PATH_IMAGE015
个阵元的距离差。
补偿后，冲击信号源到达第
Figure 408811DEST_PATH_IMAGE014
个阵元的导向矢量表示为
                   
Figure DEST_PATH_IMAGE142
第
Figure 779225DEST_PATH_IMAGE128
个阵元的冲击响应信号表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE143
,                           
Figure DEST_PATH_IMAGE145
写成矩阵的形式为
                                     
由于理想的协方差矩阵是未知的，在实际应用中利用有限个数据的最大似然估计得到数据协方差矩阵
Figure 973708DEST_PATH_IMAGE011
，即
Figure DEST_PATH_IMAGE148
                                        
Figure DEST_PATH_IMAGE149
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE150
为冲击窄带信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE151
为
Figure 943588DEST_PATH_IMAGE150
的转置。由于冲击信号为宽带信号，算法中用小波变换提取某一中心频率的窄带信号计算。
对
Figure 730912DEST_PATH_IMAGE011
进行特征值分解
Figure DEST_PATH_IMAGE152
                                  
Figure DEST_PATH_IMAGE153
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE154
、
Figure 981896DEST_PATH_IMAGE012
分别为信号子空间与噪声子空间，
Figure DEST_PATH_IMAGE155
、
Figure DEST_PATH_IMAGE156
分别为信号子空间对应的大特征值与噪声子空间对应的小特征值，
Figure DEST_PATH_IMAGE157
、
Figure DEST_PATH_IMAGE158
分别为
Figure 478212DEST_PATH_IMAGE154
、
Figure 622886DEST_PATH_IMAGE012
的
Figure 674018DEST_PATH_IMAGE042
转置。
基于信号波速与衰减补偿的
Figure 536932DEST_PATH_IMAGE108
空间谱估计的公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE159
                            
Figure DEST_PATH_IMAGE160
在区域内进行方位角 、距离的二维搜索，方位角和距离的搜索步长分别为
Figure 636606DEST_PATH_IMAGE015
度 、
Figure DEST_PATH_IMAGE161
，得到二维空间谱的图，如图
Figure DEST_PATH_IMAGE162
所示。在空间谱图中存在一个明显的波峰，即表示冲击源的位置,其中横坐标表示信号源的波达方向，纵坐标表示信号源与第个阵元的距离。

Claims (3)

1.一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的                                                
Figure 2013106854006100001DEST_PATH_IMAGE001
冲击定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在被监测结构的相应位置布置压电传感器网络，组成不同的激励-传感通道；
（2）设置结构健康监测集成系统的采样频率
Figure 2013106854006100001DEST_PATH_IMAGE002
、采样长度
Figure 2013106854006100001DEST_PATH_IMAGE003
、预采集长度
Figure 2013106854006100001DEST_PATH_IMAGE004
、传感器阵列中第一个传感器为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值
Figure 2013106854006100001DEST_PATH_IMAGE006
；
（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；
（4）冲击阵列信号预处理：提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
（5）测量各个激励-传感通道所对应角度的波速，建立信号波速曲线
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，得到第
Figure DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器相对于第
Figure DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的时间延迟关系，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示冲击源信号到达第
Figure 776379DEST_PATH_IMAGE010
个阵元时相对于第个阵元的时间延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
， 
Figure 348623DEST_PATH_IMAGE010
为压电传感器编号，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为冲击源到达第
Figure 678585DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器的距离，为冲击源传播到第
Figure 368324DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器直线路径与
Figure DEST_PATH_IMAGE017
轴的夹角， 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为冲击源到达第
Figure 3836DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的距离，为冲击源传播到第
Figure 208552DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器直线路径与
Figure 345135DEST_PATH_IMAGE017
轴的夹角；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为冲击源传播到第
Figure 954627DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器的波速，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为冲击源传播到第
Figure 823357DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的波速；
（6）测量各个激励-传感通道所对应距离的信号幅值，并用指数函数建立信号幅值衰减曲线，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为第
Figure 453052DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器的信号幅值，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为第
Figure 127747DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的信号幅值，为幅值衰减系数，冲击源到第
Figure 461252DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器与到第
Figure 891096DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的距离差，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
第
Figure 8088DEST_PATH_IMAGE010
个压电传感器相对于第
Figure 283212DEST_PATH_IMAGE011
个压电传感器的相位变化；
（7）将步骤（
Figure DEST_PATH_IMAGE028
）中时间延迟关系和步骤（
Figure DEST_PATH_IMAGE030
）中的幅值衰减曲线
Figure 739732DEST_PATH_IMAGE022
代入阵列导向矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE031
中，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为冲击源到达坐标原点的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为冲击源与
Figure 879159DEST_PATH_IMAGE017
轴的夹角，为冲击窄带信号的角频率，得到信号波速与衰减补偿的冲击定位算法的阵列导向矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和补偿后的空间谱估计公式，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为空间谱，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为阵列导向矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的
Figure DEST_PATH_IMAGE040
转置，为为噪声子空间
Figure 123113DEST_PATH_IMAGE008
的
Figure 621090DEST_PATH_IMAGE040
转置；
（8）设置二维搜索的距离步长
Figure DEST_PATH_IMAGE042
和角度步长
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，扫描整个监测区域并进行
Figure 205787DEST_PATH_IMAGE001
补偿算法的空间谱估计，得到空间谱估计图峰值所对应的就是冲击源位置。
2.根据权利要求
Figure 156425DEST_PATH_IMAGE011
所述的复合材料中基于信号波速与衰减补偿的
Figure 976614DEST_PATH_IMAGE001
冲击定位方法，其特征在于，所述步骤（
Figure 266781DEST_PATH_IMAGE028
）中建立信号波速曲线的具体步骤如下：
A、采集不同激励—传感通道上的激励信号和传感信号，根据已知激励源到压电传感器距离和激励信号与传感信号的时间差，得到相应传播角度上的波速；
B、将步骤A中得到的波速值，通过曲线拟合得到波速曲线
Figure 584946DEST_PATH_IMAGE009
。
3.根据权利要求
Figure 946176DEST_PATH_IMAGE011
所述的复合材料中基于信号波速与衰减补偿的冲击定位方法，其特征在于，所述步骤（）中用指数函数建立幅值衰减曲线
Figure 332792DEST_PATH_IMAGE022
的具体步骤如下：
a、选择同一个压电传感器用相同激励方式进行激励，再选择不同压电传感器接收信号，采集这些激励—传感通道上的激励信号和传感信号，获取相应传播距离的信号幅值；
b、将步骤a中得到信号幅值，通过
Figure 494783DEST_PATH_IMAGE022
函数拟合得到幅值随距离的变化曲线，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE044
个信号幅值衰减系数
Figure DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
。
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