CN109406084A - 一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，包括获取复合材料产品上的多个冲击信号，并处理成冲击阵列信号；在冲击阵列信号中加入白噪声，并通过经验模态分解法处理成多个本征模态分量；计算每一个本征模态分量的协方差并进行特征值分解，得到大特征值所对应的信号空间及小特征值所对应的噪声空间；设置搜索距离和搜索角度，计算出各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计图并进行归一化处理，筛选出存在峰值的空间谱估计图的峰值位置为冲击信号源的位置。实施本发明，能将复合材料产品上的宽带冲击信号分解成多个频率段的窄带Lamb波信号，并通过空间谱估计，实现复合材料产品的全频域快速冲击监测。
Description
技术领域
本发明涉及飞机结构健康监测技术领域，尤其涉及一种适用于飞机上的复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法。
背景技术
复合材料比常规的金属材料具有更加优良的力学性能，具有比强度高等有点，广泛应用于飞机机翼、机身、螺旋桨、雷达罩和直升机旋翼桨叶等。对于复合材料层合板，分层损伤是最主要的损伤形式。在航空航天结构应用中，引发该损伤的主要为体外冲击，尤其是低能量的冲击，因为它引起的损伤从外表面不易观察发现，但引起结构压缩强度大大降低。在复合材料的整个服役过程中，对其进行实时在线的冲击监测能够减少维护费用，通过视情维护取代定期维护提高机群管理效率。
结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)技术利用集成在结构中的传感、驱动元件网络，在线连续实时地获取响应信号等相关信息，结合先进的信号处理方法以及材料结构力学建模方法，提取特征参数，识别结构的健康状态，实现结构的安全评估。由于冲击产生的应力波是一种声发射信号，因此许多研究者利用声发射技术对冲击定位进行了研究。
近年来，有学者将一维信号处理延伸到多维信号处理领域，开辟了阵列信号处理这一新的研究领域。阵列信号处理技术将多个传感器分别设置在不同位置组成传感器阵列，利用阵列接收空间信号进行特定处理，有效地增强有用信号并抑制无用的干扰和噪声，提高信噪比，如超声相控阵技术、空间滤波器技术等。在阵列信号处理技术方面涌现了大量的研究成果和文献。其中，以Schmidt提出的多重信号分类(Multiple SignalClassification，MUSIC)算法作为新型阵列信号处理方法最为突出，该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(入射方向、极化信息及信号强度等等)。MUSIC算法可以在低信噪比的情况下，有效地提取信号的主要特征实现信号源定位，并具有很高的分辨力、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，虽然MUSIC算法已成功应用于冲击、损伤监测等领域，但由于冲击信号属于宽带信号，且宽带兰姆波(Lamb)具有典型的频散特征，即局部频率延迟随频率变化，MUSIC算法不能完全解读其携带的信息。因此，常用小波变换可以较好地分析窄冲击时频信号。然而，在小波变换技术中，需要事先确定小波分析尺度因子，分解出对应某一中心频率的窄带Lamb波信号，进而实现准确冲击定位，很明显这样将不适合复合材料在线、快速冲击监测。
因此，亟需一种适用于复合材料在线冲击监测的方法，能将宽带冲击信号很好地分解各个频率段的窄带Lamb波信号，再结合多重信号分类算法，得出每个频率段的窄带Lamb波信号的空间谱估计，实现复合材料全频域快速冲击监测。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，能将复合材料产品上形成的宽带冲击信号分解成多个频率段的窄带Lamb波信号，并通过对各频率段的窄带Lamb波信号的空间谱估计，实现复合材料产品的全频域快速冲击监测。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取复合材料产品上的多个冲击信号，并根据预设的信号模型，将所获取的多个冲击信号处理成冲击阵列信号；其中，所述多个冲击信号是由多个线性压电传感器所形成的传感器阵列采集到的；
步骤S2、在所述冲击阵列信号中加入一系列白噪声，并将加入一系列白噪声后的冲击阵列信号通过经验模态分解法处理成多个本征模态分量；
步骤S3、计算每一个本征模态分量的协方差，并对每一个本征模态分量的协方差进行特征值分解，得到各本征模态分量对应由其协方差分解出的大特征值所对应的信号空间以及分解出的小特征值所对应的噪声空间；
步骤S4、设置搜索距离和搜索角度，并将各本征模态分量所得的噪声空间利用公式进行计算，得到各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计图，且对所有得到的空间谱估计图均进行归一化处理后，在所有归一化处理后的空间谱估计图中筛选出存在峰值的空间谱估计图，进一步将所筛选出的空间谱估计图的峰值位置作为所述复合材料产品上形成冲击信号源的位置；其中，Pimf为各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计；UN为各本征模态分量所得噪声空间；a(rimf,θimf)为等距线阵的搜索方向和距离；rimf为所述搜索距离；θimf为所述搜索角度。
其中，所述线性压电传感器均为压电陶瓷传感器，且相邻两个线性压电传感器间距为10mm。
其中，所述预设的信号模型通过公式(1)来表示；
x(t)＝A(θ)S(t)+N(t) (1)；
其中，x(t)表示为所述冲击阵列信号；A(θ)表示为所述多个冲击信号形成的信号响应矩阵，且该矩阵A(θ)的第j列向量a(θj)表示第j个角度为θj的信号响应，ai(θj)为信号波达方向角θ和阵元位置的函数，它取决于第i个阵元相对于参考位置的距离和第j个波达信号；S(t)表示为入射信号，可以某一参考位置幅值和相位来表示；N(t)表示随信号一起产生或者由仪器产生的噪声。
其中，所述步骤S2具体包括：
确定一系列白噪声为ni(t)，并将一系列白噪声ni(t)加入所述冲击阵列信号x(t)中，根据公式(2)，通过经验模态分解法重复分解得到多个本征模态分量：
其中，i＝1,2,…,q，q为重复次数；
将公式(2)所得的多个本征模态分量通过公式(3)取均值，得到最终输出的多个本征模态分量；
其中，dj(t)为分解的第j个最终输出的本征模态分量，rn(t)为残差，
其中，所述复合材料产品为玻璃纤维复合材料板。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明将复合材料产品上形成的宽带冲击信号中引入白噪声，通过经验模态分解法(EMD)有效地将复杂的信号自适应的分解为一系列稳定的本征模态分量(IMF)，并将每一个本征模态分量的协方差进行特征值分解，筛选出小特征值所对应的噪声空间进行空间谱估计及归一化处理，确定归一化处理后的空间谱估计的峰值位置为复合材料产品上形成冲击信号源的位置，从而能够实现将宽带冲击信号分解成多个频率段的窄带Lamb波信号，并通过对各频率段的窄带Lamb波信号的空间谱估计，达到对复合材料产品的全频域快速冲击进行监测的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法的流程图；
图2a-2h为本发明实施例提供的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法中玻璃纤维复合材料板所产生的冲击信号通过经验模态分解法分解成八个本征模态分量的对比图；
图3a-3h为图2a-2h中八个本征模态分量所得噪声空间分别对应的空间谱估计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取复合材料产品上的多个冲击信号，并根据预设的信号模型，将所获取的多个冲击信号处理成冲击阵列信号；其中，所述多个冲击信号是由多个线性压电传感器所形成的传感器阵列采集到的；
具体过程为，在复合材料产品(如玻璃纤维复合材料板)的中下方布置均匀线性压电传感器阵列，且电传感器阵列包含多个线性压电传感器(如压电陶瓷传感器)，相邻两个线性压电传感器间距为10mm。利用冲击力锤施加冲击复合材料产品受到外界冲击事件，通过由多个线性压电传感器所形成的传感器阵列对复合材料产品上的冲击信号进行采样。
考虑N个远场的窄带信号入射到均匀布置的传感器阵列上，其中传感器阵列有M个阵元(即线性压电传感器)组成。在理想情况下，假设阵列中各阵元是各向同性的且不存在通道不一致、互耦等因素的影响，则信号模型表示为；
x(t)＝A(θ)S(t)+N(t) (1)；
其中，x(t)表示为冲击阵列信号；A(θ)表示为多个冲击信号形成的信号响应矩阵，且该矩阵A(θ)的第j列向量a(θj)表示第j个角度为θj的信号响应，ai(θj)为信号波达方向角θ和阵元位置的函数，它取决于第i个阵元相对于参考位置的距离和第j个波达信号；S(t)表示为入射信号，可以某一参考位置幅值和相位来表示；N(t)表示随信号一起产生或者由仪器产生的噪声。
步骤S2、在所述冲击阵列信号中加入一系列白噪声，并将加入一系列白噪声后的冲击阵列信号通过经验模态分解法处理成多个本征模态分量；
具体过程为，确定一系列白噪声为ni(t)，并将一系列白噪声ni(t)加入冲击阵列信号x(t)中，根据公式(2)，通过经验模态分解法(EMD)重复分解得到多个本征模态分量：
其中，i＝1,2,…,q，q为重复次数；
将公式(2)所得的多个本征模态分量通过公式(3)取均值，得到最终输出的多个本征模态分量；
其中，dj(t)为分解的第j个最终输出的本征模态分量，rn(t)为残差，
步骤S3、计算每一个本征模态分量的协方差，并对每一个本征模态分量的协方差进行特征值分解，得到各本征模态分量对应由其协方差分解出的大特征值所对应的信号空间以及分解出的小特征值所对应的噪声空间；
具体过程为，由多个线性压电传感器组成的传感器阵列对每次冲击事件进行了M次采集，每一个本征模态分量的阵列协方差矩阵均表示为：
R＝E[XXH]＝AE[SSH]AH+σ2I
＝ARSAH+σ2I (4)；
由于信号与噪声相互独立，阵列协方差矩阵R可分解为与信号、噪声相关的两部分，因此对阵列协方差矩阵R进行特征值分解，得到：
R＝US∑SUS H+UN∑NUN H (5)；
式中，∑S为信号空间对应的大特征值，∑N为噪声空间对应的小特征值，US为信号空间，UN为噪声空间。
在理想条件下，信号空间与噪声空间是相互正交的，即aH(θ)UN＝0；
考虑到实际接收数据矩阵是有限长的，因此R的最大似然估计代替，即其中，L为数据的快拍数。
由此可见，可对进行特征值分解得到噪声空间UN，为后续空间谱估计来确定冲击信号源提供数据支撑。
步骤S4、设置搜索距离和搜索角度，并将各本征模态分量所得的噪声空间利用公式进行计算，得到各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计图，且对所有得到的空间谱估计图均进行归一化处理后，在所有归一化处理后的空间谱估计图中筛选出存在峰值的空间谱估计图，进一步将所筛选出的空间谱估计图的峰值位置作为所述复合材料产品上形成冲击信号源的位置；其中，Pimf为各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计；UN为各本征模态分量所得噪声空间；a(rimf,θimf)为等距线阵的搜索方向和距离；rimf为所述搜索距离；θimf为所述搜索角度。
具体过程为，由于噪声的存在，导向矢量和噪声空间不能完全正交，在实际上求DOA是以最小化搜索实现的，即谱估计的公式为
设置搜索距离rimf和搜索角度θimf，利用公式(6)，计算每一个本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计图，并对所有得到的空间谱估计图均进行归一化处理后，在归一化处理后的空间谱估计图中筛选出存在峰值的空间谱估计图，且进一步将所筛选出的空间谱估计图的峰值位置作为所述复合材料产品上形成冲击信号源的位置，即冲击定位坐标。
如图2a-2h以及图3a-3h，对本发明实施例中的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法的应用场景做进一步说明：
以玻璃纤维复合材料板为例，尺寸为600mm×600mm×2mm，材料铺层[02/904/02]S，每层的厚度为0.125mm。在玻璃纤维复合材料板的中下方布置均匀线性压电传感器阵列，阵列包含7个直径为8mm的压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器间距为10mm，从左往后依次标记为PZT1,PZT2,…,PZT7。
第一步、冲击信号采集：在玻璃纤维复合材料板中，利用冲击力锤施加2J以上的冲击模拟结构受到外界冲击事件。采样频率设置为2MHz，触发电压设置为3V，为了保证信号采集完整，设置预采集长度为2000，得到7个冲击信号，并将7个冲击信号通过信号模型处理成冲击阵列信号。
第二步、阵列信号预处理：在冲击阵列信号中引入一系列白噪声，并利用EMD算法，选取参数，将冲击阵列信号从高频到低频分解为8个IMF，如图2a-2h所示。
第三步、计算IMF信号协方差及其特征值分解：将冲击阵列信号分解后的8个IMF分别计算各自的协方差，并对8个IMF的协方差进行特征值分解，得到大特征值对应的信号空间US和小特征值对应的噪声空间UN，筛选出8个IMF所得的噪声空间UN。
第四步、IMF信号空间谱估计：设置搜索距离和搜索角度，利用公式(6)计算8个IMF所得噪声空间的空间谱估计图，并对所有空间谱估计图进行归一化处理(如图3a-3h所示，图中坐标x坐标表示角度，y坐标表示距离，z轴表示归一化空间谱估计)，确定图3d中存在峰值，且将图3中的峰值位置表示为冲击信号源的位置，即冲击定位坐标。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明将复合材料产品上形成的宽带冲击信号中引入白噪声，通过经验模态分解法(EMD)有效地将复杂的信号自适应的分解为一系列稳定的本征模态分量，并将每一个本征模态分量的协方差进行特征值分解，筛选出小特征值所对应的噪声空间进行空间谱估计及归一化处理，确定归一化处理后的空间谱估计的峰值位置为复合材料产品上形成冲击信号源的位置，从而能够实现将宽带冲击信号分解成多个频率段的窄带Lamb波信号，并通过对各频率段的窄带Lamb波信号的空间谱估计，达到对复合材料产品的全频域快速冲击进行监测的目的。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、获取复合材料产品上的多个冲击信号，并根据预设的信号模型，将所获取的多个冲击信号处理成冲击阵列信号；其中，所述多个冲击信号是由多个线性压电传感器所形成的传感器阵列采集到的；
步骤S2、在所述冲击阵列信号中加入一系列白噪声，并将加入一系列白噪声后的冲击阵列信号通过经验模态分解法处理成多个本征模态分量；
步骤S3、计算每一个本征模态分量的协方差，并对每一个本征模态分量的协方差进行特征值分解，得到各本征模态分量对应由其协方差分解出的大特征值所对应的信号空间以及分解出的小特征值所对应的噪声空间；
步骤S4、设置搜索距离和搜索角度，并将各本征模态分量所得的噪声空间利用公式进行计算，得到各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计图，且对所有得到的空间谱估计图均进行归一化处理后，在所有归一化处理后的空间谱估计图中筛选出存在峰值的空间谱估计图，进一步将所筛选出的空间谱估计图的峰值位置作为所述复合材料产品上形成冲击信号源的位置；其中，Pimf为各本征模态分量所得噪声空间对应的空间谱估计；UN为各本征模态分量所得噪声空间；a(rimf,θimf)为等距线阵的搜索方向和距离；rimf为所述搜索距离；θimf为所述搜索角度。
2.如权利要求1所述的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，其特征在于，所述线性压电传感器均为压电陶瓷传感器，且相邻两个线性压电传感器间距为10mm。
3.如权利要求1所述的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，其特征在于，所述预设的信号模型通过公式(1)来表示；
x(t)＝A(θ)S(t)+N(t)(1)；
其中，x(t)表示为所述冲击阵列信号；A(θ)表示为所述多个冲击信号形成的信号响应矩阵，且该矩阵A(θ)的第j列向量a(θj)表示第j个角度为θj的信号响应，ai(θj)为信号波达方向角θ和阵元位置的函数，它取决于第i个阵元相对于参考位置的距离和第j个波达信号；S(t)表示为入射信号，可以某一参考位置幅值和相位来表示；N(t)表示随信号一起产生或者由仪器产生的噪声。
4.如权利要求3所述的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
确定一系列白噪声为ni(t)，并将一系列白噪声ni(t)加入所述冲击阵列信号x(t)中，根据公式(2)，通过经验模态分解法重复分解得到多个本征模态分量：
其中，i＝1,2,…,q，q为重复次数；
将公式(2)所得的多个本征模态分量通过公式(3)取均值，得到最终输出的多个本征模态分量；
其中，dj(t)为分解的第j个最终输出的本征模态分量，rn(t)为残差，
5.如权利要求1所述的对复合材料产品实现全频域快速冲击监测的方法，其特征在于，所述复合材料产品为玻璃纤维复合材料板。
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Non-Patent Citations (1)
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| 黄忠棋: "采用行波固有频率的混合线路故障测距新方法", 《电力系统及其自动化学报》 * |
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| CN109406084B (zh) | 2020-11-06 |
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