CN112254891A - 一种航天器加强筋结构泄漏定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种航天器加强筋结构泄漏定位方法，用以解决现有技术中航天器加强筋结构泄漏定位精度不高的问题。所述航天器加强筋结构泄漏定位方法对舱体内壁分区，交互点处粘贴传感器阵列，对所采集的声波信号进行幅值衰减区域定位，判定泄漏区域；再通过泄漏区域传感器阵列的声波信号进行波数域成像定位，对宽频波数域图像进行滤波得到预设频率段波数域图像，连接频率段波数域图像中亮斑与原点得到夹角θij，通过所有夹角θij对应连线的交点确定漏孔位置，并利用高斯平均做结果优化。本发明实现了对航天器加强筋结构的实时泄漏检测和定向，快速确定漏孔位置，提高了泄漏检测和定位的精度和稳定性，克服了加强筋反射造成的伪泄漏影响。

Description

一种航天器加强筋结构泄漏定位方法
技术领域
本发明属于航天器泄漏检测领域，特别涉及一种航天器加强筋结构泄漏定位方法。
背景技术
随着人类航天事业的发展，在轨航天器数量越来越多，同时由航天活动产生的空间碎片数量也日益增加，对在轨航天器的运行安全造成严重威胁。为保障在轨航天器的运行安全以及航天器内人员的人身安全，许多国家开展了航天器泄漏检测技术研究。
现有技术中，航天器泄漏检测技术多种多样，常用的包括声发射检测技术、红外检测技术、光纤检测技术及质谱检测技术。其中，声发射检测技术由于检测设备结构简单，灵敏度高等优点而被广泛使用。然而为了降低重量，载人航天器舱体多采用加筋板结构，且筋高筋厚比大于5，当采用声发射检测航天器泄漏时，声波经过加强筋时一部分反射，一部分透射；在加强筋处，声波垂直板面沿着加强筋方向向上传播，并经过加强筋上表面发生反射，严重影响了泄漏定位精度，传统声学泄漏定位无法满足航天器加强筋结构的泄漏检测要求。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种航天器加强筋结构泄漏定位方法，在对加强筋结构进行分区的基础上，通过传感器初步检测泄漏区域；再通过区域周围设定范围内的传感器数据，识别并排除由于加强筋结构本身所造成的非泄漏点，最后完成泄漏点的定位，实现对加强筋结构泄漏的精准定位，减少误判和定位误差。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种航天器加强筋结构泄漏定位方法，所述泄漏方法包括以下步骤：
步骤S1，对航天器加强筋结构的舱体内壁进行分区，在分区区域的交互点处粘贴声波传感器阵列；每个区域至少包含两个交互点；
步骤S2，声波传感器阵列处于工作状态时，通过前置放大器和通道信号采集分析仪进行声波信号采集；
步骤S3，对所采集的声波信号进行实时分析，判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域；当存在泄漏区域时，进入步骤S4；当无泄漏区域时，返回步骤S2；
步骤S4，确定泄漏区域相关的交互点处n个传感器阵列，提取所有相关传感器阵列的声波信号，并对传感器阵列和声波信号进行顺序编号；
步骤S5，采集第i声波信号预设时间域内的信号，并均分为N段；每段信号形成一个分段信号三维矩阵，对N个分段信号三维矩阵进行插值得到整合三维矩阵，将每段信号对应的时间赋值到整合三维矩阵中，得到N个二维矩阵；1≤i≤n，且i初始值为1；
步骤S6，对N个二维矩阵进行傅立叶变换得到不同频域下的波数域图像，对N个图像进行叠加，得到带有全亮斑的宽频波数域图像；
步骤S7，采用波数～频率耦合，对所述宽频波数域图像进行滤波，得到P个预设频率-波数下的第i阵列频率段波数域图像，连接每个频率段波数域图像中亮度值最大的亮斑与原点得到夹角θij,1≤j≤P；当 i＜n时，i＝i+1，返回步骤S5；当i＝n时，进入步骤S8；
步骤S8，以泄漏区域相关的n个传感器阵列的n个中心为基点绘制定位图，将n个阵列的n×P个频率段波数域图像移植到所述监测图中，n×P个夹角θij对应的连线相交于
Figure BDA0002737152270000021
个交点，所述交点为可能漏孔位置；其中，
Figure BDA0002737152270000022
为组合计算；
步骤S9，对所述可能漏孔位置进行高斯平均计算，得到漏孔位置。
上述方案中，本步骤中，采用多边形对加强筋结构的舱体内壁进行分区，使得传感器的信号采集可以覆盖更完整的舱体内壁。
上述方案中，步骤S3中判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域，计算各阵列中的所有阵元采集到的声信号有效值的平均值，记为该阵列的声信号幅值，根据声波随距离衰减的特性，通过比较阵列的声信号幅值大小，判断是否存在泄漏区域。当泄漏声信号幅值突然增大3 倍及以上时，判定为有泄漏发生，与之相关的区域判定为泄漏区域。
上述方案中，所述全亮斑，包括漏孔声波形成的亮斑和加强筋反射声波形成的亮斑。
上述方案中，步骤S7中预设频率-波数下的频率段，宽度至少为 10k。
上述方案中，所述频率段包括100k～130kHz,131k～160kHz。
上述方案中，所述声波传感器阵列以3MS/s的采样频率进行同步信号采集。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的航天器加强筋结构泄漏定位方法，对航天器加强筋结构的舱体内壁分区的基础上，在区域交互点处粘贴传感器阵列并同步进行声波信号采集；首先对所采集的声波信号进行实时分析，判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域；再通过泄漏区域交互点处n个传感器阵列的声波信号，进行矩阵变换得到每个阵列带有全亮斑的宽频波数域图像；进一步采用波数～频率耦合，对宽频波数域图像进行滤波，得到每个阵列下P个预设频率-波数的频率段波数域图像，连接每个频率段波数域图像中亮度值最大的亮斑与原点得到夹角θij，最后以泄漏区域相关的传感器阵列中心为基点绘制定位图，通过 n×P个夹角θij对应连线的交点，以及对交点的高斯平均计算处理，得到漏孔位置。本发明实现了对航天器加强筋结构的实时泄漏检测和定向，通过幅值衰减区域定位相结合的方式，快速地确定泄漏区域，并进一步通过波数域成像定位确定漏孔位置，并剔除定位粗大误差，提高了泄漏检测和定位的精度，克服了信号频散对定向结果的影响，同时克服了加强筋反射造成的伪泄漏影响，提高了定位精度和稳定性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施方式提供的航天器加强筋结构泄漏定位方法流程图；
图2为本发明实施方式中通过频率段波数域图像中泄漏方向相交确定漏孔位置原理图；
图3为本发明实施例中加强筋结构的舱体内壁进行分区示意图；
图4为本发明实施例中带有全亮斑的宽频波数域图像；
图5为本发明实施例中100k～130kHz频率段波数域图像；
图6为本发明实施例中131k～160kHz频率段波数域图像；
图7为本发明实施例中161k～190kHz频率段波数域图像；
图8为本发明实施例中191k～220kHz频率段波数域图像；
图9为本发明实施例的可能漏孔点采用高斯平均与均值计算结果比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出了一种航天器加强筋结构泄漏定位方法，在对航天器加强筋结构分区的基础上，在分区区域的交互点处航天器舱体内壁上粘贴传感器，首先通过传感器数据确定泄漏所在区域，再通过区域相关的至少两个交互点的传感器，进行频域波数的叠加计算和比较关联，计算出漏孔位置。
图1示出了本发明实施方式提供的航天器加强筋结构泄漏定位方法流程。如图1所示，所述航天器加强筋结构泄漏定位方法包括如下步骤：
步骤S1，对航天器加强筋结构的舱体内壁进行分区，在分区区域的交互点处粘贴声波传感器阵列；每个区域至少包含两个交互点。
本步骤中，采用四边形对加强筋结构的舱体内壁进行分区，则每个分区区域与相连区域相连的点，有四个，分布在四边形的四个角上。也可以采用三角形或多边形，传感器阵列设置于各自的顶点处。通过多边形分区，使得传感器的信号采集可以覆盖更完整的舱体内壁。
所述传感器阵列通过耦合剂固定在航天器舱体内表面。
例如，使用8个4阵元方型声发射传感器阵列、32个40dB前置放大器和1台32通道信号采集分析仪。
步骤S2，声波传感器阵列处于工作状态时，通过前置放大器和通道信号采集分析仪进行声波信号采集。
本步骤中，所有交互点处的声波传感器阵列，均处于工作状态。当泄漏发生时，泄漏气体与孔壁摩擦会产生声发射信号，声发射信号沿器壁不断传播，同步采集阵列的各阵元接收到的泄漏声发射信号，并进行放大及滤波处理，将信号传输到信号采集分析仪中。
步骤S3，对所采集的声波信号进行实时分析，判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域；当存在泄漏区域时，进入步骤S4；当无泄漏区域时，返回步骤S2。
本步骤中，计算各阵列中的所有阵元采集到的声信号有效值的平均值，记为该阵列的声信号幅值，根据声波随距离衰减的特性，通过比较阵列的声信号幅值大小，判断是否存在泄漏区域。当泄漏声信号幅值突然增大3倍及以上时，判定为有泄漏发生，与之相关的区域判定为泄漏区域。
步骤S4，确定泄漏区域相关的交互点处n个传感器阵列，提取所有相关传感器阵列的声波信号，并对传感器阵列和声波信号进行顺序编号。
在步骤S1中限定每个区域的交互点至少两个，本步骤中的n≥2。
步骤S5，采集第i声波信号预设时间域内的信号，并均分为N段；每段信号形成一个分段信号三维矩阵，对N个分段信号三维矩阵进行插值得到整合三维矩阵，将每段信号对应的时间赋值到整合三维矩阵中，得到N个二维矩阵；1≤i≤n，且i初始值为1。
本步骤中，对任意i值，采用相同的预设时间域，例如为t。以此为例，将t时间内的第i声波信号分成10段100ms的信号，记为t0……t9。每一段信号形成一个2×2×N的三维矩阵B，插值运算后，10段信号对应的三维矩阵变成6×6×N的整合三维矩阵C，当t＝t0时，C变为t0下的二维矩阵D，代表t0时刻泄漏信号在第i传感器阵列所属空间上的分布。
步骤S6，对N个二维矩阵进行傅立叶变换得到不同频域下的波数域图像，对N个图像进行叠加，得到带有全亮斑的宽频波数域图像。
本步骤中，第i声波信号的宽频波数域图像，采用第i传感器阵列的中心作为坐标原点。宽频波数域图像中亮斑与原点连线夹角就是可能泄漏方向角。此时，宽频波数域图像中记录了所有亮斑，包括漏孔声波形成的亮斑和加强筋反射声波形成的亮斑。
步骤S7，采用波数～频率耦合，对所述宽频波数域图像进行滤波，得到P个预设频率-波数下的第i阵列频率段波数域图像，连接每个频率段波数域图像中亮度值最大的亮斑与原点得到夹角θij,1≤j≤P；当i＜n 时，i＝i+1，返回步骤S5；当i＝n时，进入步骤S8。
对于任意一个声波传感器阵列来说，所采集的信息不仅包括漏孔位置处的异常声波信号，同时也会采集到由加强筋反射的异常声波信号。但是加强筋所反射的漏孔声波信号。本步骤通过滤波，将反射声波信号相应频率下的波从宽频波数域图像中滤除，从而提高漏孔定位精度。
本步骤中，由于波数与频率存在
Figure 2
的关系，因此对宽频波数域图像进行波数～频率耦合滤波，得到设定频率-波数下的波数域图像，图像中亮斑与原点连线夹角就是泄漏方向角。所述设定频率-波数下的j频率段，宽度至少为10k，可以为一段频率或多段频率。这里的设定值采用航天器常见漏孔声波检测中的经验频率值，如：100k～130kHz,131k～ 160kHz。
步骤S8，以泄漏区域相关的n个传感器阵列的n个中心为基点绘制定位图，将n个阵列的n×P个频率段波数域图像移植到所述监测图中， n×P个夹角θij对应的连线相交于
Figure BDA0002737152270000062
个交点，所述交点为可能漏孔位置。其中，
Figure BDA0002737152270000063
为组合计算；
如图2所示，通过n×P个频率段波数域图像中泄漏方向的相交，确定可能存在的漏孔的位置。以任意两个声发射传感器阵列为例。首先将两个传感器阵列以坐标中心为基准按分区方式绘制到同一坐标系中，则两个阵列的坐标原点分别为(x1,y1)和(x2,y2)，声发射传感器阵列1图像中亮斑与原点连线的夹角为θ1，声发射传感器阵列2图像中亮斑与原点连线的夹角为θ2，两条连接线相交于(x,y),即为所确定的可能漏孔位置。
步骤S9，对所述交点进行高斯平均计算，得到漏孔位置。
对于航天器加强筋结构而言，当泄漏发生时，泄漏位置是确定的，因此泄漏定位点呈现高斯分布。利用高斯平均的方式，剔除粗大误差，提高定位精度。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
本实施例航天器加强筋结构泄漏定位方法，包括以下步骤：
步骤S101,将检测的加强筋结构的舱体内壁进行分区，如图3所示，分区形状采用矩形，共分为八个区域，每个区域的交互点即矩形的顶点处，通过耦合剂粘贴声波传感器阵列。共使用15个传感器阵列进行泄漏检测。其中，每一个声流传感器阵列，包含4个阵元，共60个阵元，每个阵元均连接有一个40dB前置放大器，共60个。所有阵列传感器的信号最终被一台60通道的采集卡同步采集。
进行布置时首先将耦合剂均匀涂抹在阵列传感器表面，之后将阵列传感器放在试件表面，轻轻按压直至阵列传感器与试件耦合稳固，传感器表面与试件表面之间不含气泡。
步骤S102，开启同步采集，15个声波传感器阵列以3MS/s的采样频率进行同步信号采集。
步骤S103，使用100k～220kHz的数字滤波器对信号进行实时处理，根据信号幅值监测是否出现泄漏，对各个阵列传感器4个阵元信号幅值的平均值进行比较，找出平均幅值最大的四个阵列传感器。当信号幅值增大3倍及以上时，判定泄漏发生，四个阵列传感器所围成的中间区域判定为泄漏区域，进入步骤S104。当无泄漏发生时，返回步骤S102。
步骤S104，使用泄漏区域四周的四个阵列传感器的声波信号进行泄漏定位。提取4个相关传感器阵列共16个阵元的声波信号，并对传感器阵列和声波信号进行顺序编号。i从1至4，对声波传感器阵列顺时针或逆时针编号。
步骤S105，第i个传感器阵列中四个阵元在t时间域内采集到的信号可表示为Si,m(t),m＝1,2,3,4，将t时间域分为N个时间段，每个时间段为100ms。该阵列构成的时空信号矩阵可表示为2×2×N矩阵Si(t)，矩阵表示为：
Figure BDA0002737152270000071
本实施例中以对一段100ms的信号进行处理为例进行说明。根据采样频率可知每段信号在时域上包含300k个数据点，对矩阵进行空间域补零，得到6×6×T矩阵Di(t)(i＝1,2,3,4)
Figure BDA0002737152270000081
对Di(t)进行三维傅立叶变换，得到6×6×N频域波数域信号矩阵。
步骤S106，将各个频域的波数域信号叠加，得到一个6×6的宽频波数域图像。
本步骤中，如图4所示，所述波数域图像，即为波数域强度谱Mi，为带有全亮斑的宽频波数域图像。图4中标示了其中一个亮斑与原点连接的角度，存在一个方向角为52°的亮斑。
步骤S107，采用波数～频率耦合，选择100k～130kHz，131k～160kHz， 161k～190kHz，191k～220kHz四个频带，根据波数与频率关系
Figure BDA0002737152270000083
对波数域强度谱Mi进行波数～频率耦合滤波，各频带A0与SO模态Lamb 波对应波数如表1所示，滤波后波数域图像如图5～8所示，得到频率段波数域图像Kij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)。如图5所示，在100k～130kHz 频率段，存在一个方向角为39°的亮斑；如图6所示，在131k～160kHz 频率段，存在一个方向角为50°的亮斑；如图7所示，在161k～190kHz 频率段，存在一个方向角为29°的亮斑；如图8所示，在191k～220kHz 频率段，存在一个方向角为39°的亮斑。
表1信号频率波数对应关系
Figure BDA0002737152270000082
根据Kij中亮度值最大的亮斑与原点的夹角确定泄漏方向θij(i＝1,2,3,4；j＝1,2,3,4)。当i＜n时，i＝i+1，返回步骤S105；当i＝n时，进入步骤S108。
步骤S108，以泄漏区域相关的四个传感器阵列的四个中心为基点绘制定位图，将四个阵列的4×4个频率段波数域图像移植到所述监测图中， 16个夹角θij对应的连线相交于96个交点，所述交点为可能漏孔位置.
步骤S109，由于定位结果整体呈以真实泄漏位置为中心的二维高斯分布，对这96个定位结果进行高斯平均计算可得到一个相对准确的最终定位结果。如图9所示，高斯平匀计算结果的定位误差比直接算数平均法计算结果明显减小，提高了定位精度；且随着样本数的增加，误差逐渐减小。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，所述泄漏方法包括以下步骤：
步骤S1，对航天器加强筋结构的舱体内壁进行分区，在分区区域的交互点处粘贴声波传感器阵列；每个区域至少包含两个交互点；
步骤S2，声波传感器阵列处于工作状态时，通过前置放大器和通道信号采集分析仪进行声波信号采集；
步骤S3，对所采集的声波信号进行实时分析，判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域；当存在泄漏区域时，进入步骤S4；当无泄漏区域时，返回步骤S2；
步骤S4，确定泄漏区域相关的交互点处n个传感器阵列，提取所有相关传感器阵列的声波信号，并对传感器阵列和声波信号进行顺序编号；
步骤S5，采集第i声波信号预设时间域内的信号，并均分为N段；每段信号形成一个分段信号三维矩阵，对N个分段信号三维矩阵进行插值得到整合三维矩阵，将每段信号对应的时间赋值到整合三维矩阵中，得到N个二维矩阵；1≤i≤n，且i初始值为1；
步骤S6，对N个二维矩阵进行傅立叶变换得到不同频域下的波数域图像，对N个图像进行叠加，得到带有全亮斑的宽频波数域图像；
步骤S7，采用波数～频率耦合，对所述宽频波数域图像进行滤波，得到P个预设频率-波数下的第i阵列频率段波数域图像，连接每个频率段波数域图像中亮度值最大的亮斑与原点得到夹角θij,1≤j≤P；当i＜n时，i＝i+1，返回步骤S5；当i＝n时，进入步骤S8；
步骤S8，以泄漏区域相关的n个传感器阵列的n个中心为基点绘制定位图，将n个阵列的n×P个频率段波数域图像移植到所述监测图中，n×P个夹角θij对应的连线相交于
Figure FDA0002737152260000011
个交点，所述交点为可能漏孔位置；其中，
Figure FDA0002737152260000012
为组合计算；
步骤S9，对所述可能漏孔位置进行高斯平均计算，得到漏孔位置。
2.根据权利要求1所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，本步骤中，采用多边形对加强筋结构的舱体内壁进行分区，使得传感器的信号采集可以覆盖更完整的舱体内壁。
3.根据权利要求1所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，步骤S3中判断当前加强筋结构是否存在泄漏区域，计算各阵列中的所有阵元采集到的声信号有效值的平均值，记为该阵列的声信号幅值，根据声波随距离衰减的特性，通过比较阵列的声信号幅值大小，判断是否存在泄漏区域。当泄漏声信号幅值突然增大3倍及以上时，判定为有泄漏发生，与之相关的区域判定为泄漏区域。
4.根据权利要求1所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，所述全亮斑，包括漏孔声波形成的亮斑和加强筋反射声波形成的亮斑。
5.根据权利要求1所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，步骤S7中预设频率-波数下的频率段，带宽至少为10kHz。
6.根据权利要求5所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，所述频率段包括100k～130kHz,131k～160kHz。
7.根据权利要求1至6任一项所述的航天器加强筋结构泄漏定位方法，其特征在于，所述声波传感器阵列以3MS/s的采样频率进行同步信号采集。
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