CN107748208B - 一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法，涉及结构健康监测。通过预先采集被测结构在健康状况下的一组等温度间隔导波信号作为基准信号集，由基准信号幅值特征点得出信号相移随温度变化的关系1，再取其中一条基准信号作为基准匹配信号，运用匹配追踪算法将基准匹配信号与其他基准信号进行幅值匹配，得出幅值影响系数随温度变化的关系2。对实际测试的信号，根据其具体温度值，由关系2得到的幅值影响系数值，结合关系1，实现导波信号的温度补偿。能实现大于10℃温度差的补偿，并能根据不同的损伤评定标准进行多次补偿来提高补偿性能，具有补偿计算量小，补偿性能好的特点。

Description

一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测，尤其是涉及一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法。

背景技术

基于超声导波的结构健康监测技术(SHM)成为当前结构健康监测领域的研究热点，其能显著提高系统的安全性、降低维护成本、延长结构的使用寿命，可对结构健康状况实现连续、自动监测。因为超声导波具有传播距离远，检测范围大，衰减小，能探测到其他无损检测方法难以检测的部位，且产生较为简单，易实现材料的全截面检测，对大尺度结构的损伤监测来说尤为适合，且对结构表面和表层下的疲劳损伤、腐蚀、热退化等微小损伤也具有高度敏感性。但导波具有频散性和多模态性，其传播特性的改变依赖于结构、传感器和胶层的几何、物理特性及三者间的耦合性能，而这些因素极易受环境因素(如湿度、载荷)的影响，导致接收的导波信号变得十分复杂，分析和处理非常困难，弱化了超声导波损伤检测性能，影响基于超声导波的结构健康监测技术定量化诊断结果的稳定性和可靠性。如果采取基于基准信号比较的诊断策略，而不补偿环境影响，容易导致损伤误报或虚报。要使GWSHM广泛应用于实际中,就必须要发展有效的补偿方法来消除环境因素的影响。

温度是对超声导波影响最大的因素，研究表明，随温度的升高，导波信号幅值减小、相移增大。当前发展的温度补偿方法，主要有基准信号伸缩法(BSS)、最优基准选择法(OBS)、协整法、主成分分析法、物理模型法等。其中BSS和OBS及两者的结合能实现的最大补偿温度差仅5℃，补偿性能依赖于信号的复杂度与模态纯净度，且基准数据量很大。协整法和主成分分析法需要预先训练数据，数据量大，数据的选择也有限制。基于物理模型的方法则计算量大，模型参数的精确估计困难。

综上，现有的温度补偿方法存在计算量大、补偿的温度差范围小、依赖导波信号的数据特征、需要预先训练数据等。

发明内容

本发明的目的在于为了解决温度对导波信号的影响，弥补当前温度补偿方法存在的不足，提供一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法。

本发明包括以下步骤：

1)在被测结构健康状态下，等温度间隔ΔT获取几个导波信号S_i，i＝1,2,…，I作为基准信号集{BS₁,BS₂,…,BS_I}，其中I的大小决定后续函数关系的拟合精度；

2)对步骤1)得到的基准信号集进行分析，提取不同温度下信号直达波最大幅值特征点，然后确定其对应的到达时间值(ToA)，构建到达时间随温度变化的函数关系；

3)取BS₁进行归一化处理，使之满足基于Gabor函数的匹配追踪算法中对Gabor原子的要求，并将归一化后的原子作为Gabor原子集中唯一的原子，记为

4)将基准信号集{BS₁,BS₂,…,BS_I}中BS₁以外的其他基准信号与原子分别作内积(即幅值影响系数Coef₁)计算出相应的Coef₁值，构建Coef₁随温度变化的函数关系；

5)在基准信号集的温度范围外，获得不同温度下的实际信号，通过步骤4)构建的函数关系，确定出不同温度下实际信号对应的Coef₁值，再将Coef₁与相乘，得出幅值补偿后的信号1；

6)利用步骤2)确定的到达时间随温度变化的函数关系，得出不同温度下实际信号对应的ToA值，补偿温度影响下信号的时移，结合步骤5)中得出的幅值补偿信号，得出温度补偿后的重构信号；

7)将重构信号与实际信号进行对比，计算补偿水平值，如果补偿水平大于给定的补偿水平值，利用重构信号与实际信号的残余误差(R¹S_T)，将R¹S_T作为基准信号，重复步骤3)的归一化处理得到Gabor原子再将R¹S_T与做内积，得出Coef₂，求出Coef₂与的乘积得到R¹S_T的补偿信号，再将其与步骤5)的幅值补偿信号1先加，得到幅值补偿信号2；

8)重复步骤6)，如果重构信号的补偿水平值小于给定的补偿水平值，得到补偿信号，补偿终止，如果补偿仍大于给定的补偿水平值，重复步骤7)，减小残余信号，使得最终满足给定的补偿水平值。

本发明的温度补偿方法建立在几条基准信号集的基础上，不需要大量的训练数据，也无需提前建立模型，而是直接对采集的信号进行处理，有效地节省计算时间和存储空间，简化运算，单独使用的情况下可以实现10℃左右的温度差间隔的补偿。如果考虑将重构信号与实际信号的残余误差最小化，反复应用该法可以使补偿效果大幅提升。

以下是本发明的数学描述：

在结构健康状况下，记等温度间隔采集的一组信号BS＝{BS₁,BS₂,…，BS_I},为基准信号集，其中I的大小影响后续时移和幅值随温度变化关系的构建及补偿精度。提取基准信号集中不同信号直达波峰值特征点对应的到达时间，针对到达时间(ToA)随温度的变化构建函数关系：

ToA＝f(T) (1)

将BS₁进行归一化处理，作为基于Gabor原子匹配追踪算法的唯一原子：

由于温度对导波信号的影响主要体现在导波信号的幅值与到达时间的改变上，式(1)得出到达时间与温度变化间的关系补偿信号到达时间的改变，因而在此只考虑对信号幅值进行补偿，利用匹配追踪算法(Matching-Pursuit)对温度为T时的实测信号进行表征：

并将之改写为：

S_T(t) (4)

Coef₁即幅值影响系数，构建Coef₁与温度变化间的关系：

Coef₁＝f(T) (5)

由幅值影响系数关系得到信号幅值补偿，并结合信号到达时间补偿关系，得出温度补偿信号，将补偿信号S_c(t)与实测信号S_T(t)对比，计算出补偿水平(CL)值：

将计算的补偿水平值与给定的补偿水平值进行比较，若小于给定水平值，则得到补偿信号；若大于给定的补偿水平值，则对信号的残余误差进行补偿，由以下式给出温度补偿信号的表达：

(k＝2,3,…)，是第k次补偿后的信号,通过减小每次补偿后的残余误差使得补偿信号满足给定的补偿水平值，实现温度补偿。

本发明无需预先建立模型，基准数据量少，计算速度快，补偿性能可控，适合于不同要求下的导波温度补偿。

附图说明

图1是实验测试的碳纤维复合材料结构及其上压电传感器布局图。

图2是本发明方法实际操作流程图。

图3是三种温度下接收信号及信号特征域。在图3中，a为30℃，b为48℃，c为48℃。

图4是到达时间随温度变化的关系图。

图5是幅值影响系数随温度变化的关系图。

图6是57℃时首次补偿后的信号与实际信号及其补偿水平值。在图6中，a为57℃实际信号，b为57℃补偿信号，c为残余信号。

图7是60℃时首次补偿后的信号与实际信号及其补偿水平值。在图7中，a为60℃实际信号，b为60℃补偿信号，c为残余信号。

图8是63℃时首次补偿后的信号与实际信号及其补偿水平值。在图8中，a为63℃实际信号，b为63℃偿信号，c为残余信号。

图9是66℃时首次补偿后的信号与实际信号及其补偿水平值。在图9中，a为66℃实际信号，b为66℃偿信号，c为残余信号。

图10是补偿次数改变对不同温度补偿水平相对给定补偿标准的变化趋势图。在图10中，a为第一次补偿，b为第二次补偿，c为第三次补偿。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的基于基准导波信号匹配的温度补偿方法作进一步详述。

图1为实验测试的碳纤维复合材料结构及其上压电传感器布局图，图2为本发明方法实际操作的流程图。下面结合图1和图2对于图5～图8所示不同温度下的实际信号，利用本发明基于基准导波信号匹配的超声导波温度补偿方法，进行这些温度下导波信号的补偿，信号由压电传感器P1产生汉宁窗调制的标准五周期高斯tone-burst激励信号，再由压电传感器P2采集接收信号。其具体步骤如下：

步骤1、先在30℃下采集一条基准信号BS₁，然后从30～54℃每隔3℃采集一条信号，依次记为BS₂,…,BS₇将这些信号作为基准信号集BS；

步骤2、由计算基准信号集中各信号直达波的最大峰值特征点来确定到达时间随温度的变化情况，图3给出接收信号中的直达波部分，图4是到达时间随温度变化的关系；

步骤3、将基准信号BS₁归一化得到并将之作为Gabor字典中唯一的原子，将其他基准信号与作内积，得出幅值影响系数Coef₁，并构建幅值影响系数随温度变化的关系，图5表达了幅值影响系数随温度变化的关系。

步骤4、针对57℃-84℃温度变化范围，仍每隔3℃采集一条信号，作为实际信号，由步骤3得到的关系，求出这些温度下相应的Coef₁值，然后将之与相乘得到幅值补偿后的信号，再利用步骤2中得到的关系，得出补偿信号；

步骤5、对于10mm×10mm的损伤，损伤引起的信号变化近似为-24dB,因而在此设定补偿水平为-25dB,将补偿信号与实际信号进行补偿水平计算，得出相应的补偿水平值，图6～图9给出了57℃、60℃、63℃、66℃下首次补偿后的信号与实际信号及其补偿水平值。

步骤6、由于首次补偿，补偿信号从66℃开始不再满足补偿水平，因而将66℃以后的信号进行第二次补偿，利用第一次补偿后与实际信号的残余误差值，将符合要求的几组残余误差作为基准残余，重复步骤2～4，得到第二次补偿后的信号，若还没有达到所要补偿的温度范围，继续重复第二次补偿的过程；

步骤7、补偿三次后，满足补偿水平的情况下，补偿温度达到78℃，补偿停止。图10给出补偿次数改变对不同温度补偿水平相对给定补偿标准的变化趋势图。

本发明可考虑幅值影响系数的构建和残余信号再补偿。

本发明用归一化的基准信号作为Gabor字典集中唯一的原子，该原子包含信号匹配时主要的时频特征。

所述的超声导波温度补偿方法适用于较大温度差下的温度补偿情况，且能根据不同的补偿水平进行补偿性能调整，具备多次补偿的特性。本发明能直接对导波信号进行处理，由少量基准信号组成的基准信号集来实现导波的温度补偿，为进一步实现GWSHM的实际应用提供依据。

Claims (1)

1.一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在被测结构健康状态下，等温度间隔ΔT获取几个导波信号S_i，i＝1,2,…，I作为基准信号集{BS₁,BS₂,…,BS_I}，其中I的大小决定后续函数关系的拟合精度；

2)对步骤1)得到的基准信号集进行分析，提取不同温度下信号直达波最大幅值特征点，然后确定其对应的到达时间值ToA，构建到达时间随温度变化的函数关系；

3)取BS₁进行归一化处理，使之满足基于Gabor函数的匹配追踪算法中对Gabor原子的要求，并将归一化后的原子作为Gabor原子集中唯一的原子，记为

4)将基准信号集{BS₁,BS₂,…,BS_I}中BS₁以外的其他基准信号与原子分别作内积即幅值影响系数Coef₁，计算出相应的Coef₁值，构建Coef₁随温度变化的函数关系；

5)在基准信号集的温度范围外，获得不同温度下的实际信号，通过步骤4)构建的函数关系，确定出不同温度下实际信号对应的Coef₁值，再将Coef₁与相乘，得出幅值补偿后的信号1；

6)利用步骤2)确定的到达时间随温度变化的函数关系，得出不同温度下实际信号对应的ToA值，补偿温度影响下信号的时移，结合步骤5)中得出的幅值补偿后的信号1，得出温度补偿后的重构信号；

7)将重构信号与实际信号进行对比，计算补偿水平值，如果补偿水平大于给定的补偿水平值，利用重构信号与实际信号的残余误差R¹S_T，将R¹S_T作为基准信号，重复步骤3)的归一化处理得到Gabor原子再将R¹S_T与做内积，得出Coef₂，求出Coef₂与的乘积得到R¹S_T的补偿信号，再将其与步骤5)的幅值补偿信号1相加，得到幅值补偿信号2；

8)重复步骤6)，如果重构信号的补偿水平值小于给定的补偿水平值，得到补偿信号，补偿终止，如果补偿仍大于给定的补偿水平值，重复步骤7)，减小残余信号，使得最终满足重构信号的补偿水平值。