CN112945442A - 一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于压电‑导波阵列的大面积结构冲击成像方法，属于航空结构健康监测领域。该方法包括下列步骤：(1)在被测结构中布置稀疏压电‑导波阵列；(2)获取稀疏阵列的冲击响应导波信号；(3)提取冲击响应导波信号的波达时间；(4)实施基于信号相对延迟的冲击综合成像。本发明通过基于稀疏阵列冲击响应导波信号的相对延迟进行综合成像，不仅扩大了结构冲击成像监测的范围，而且解决了冲击响应导波信号预采集时间未知、难以实施冲击成像，以及某一冲击响应导波信号波达时间提取不准确直接影响最终冲击成像精度这两个难题，因此可实现对大面积航空结构冲击事件的高精度成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，属于航空结构健康监测领域。
背景技术
航空结构会在服役期间中不可避免地遭受不同形式的外部冲击，这些冲击很可能造成结构损伤，并降低结构的安全性，因此冲击监测具有非常重要的意义。在结构健康监测领域，如何有效的实现高精度大面积冲击监测是将该技术推向实际应用并为航空结构维护维修提供有效支持的关键问题之一。
由于航空结构大部分为薄板类结构，其结构冲击响应信号主要以导波的形式传播，加之导波具有传播距离远的优点，国内外学者常采用压电-导波阵列来对航空结构进行大面积冲击监测。目前，基于稀疏压电-导波阵列的大面积冲击监测方法可大体为几何定位和成像两类。前者主要有三角测量法、四点圆弧定位法等，这些方法依赖于冲击响应导波信号波达时间的准确提取。而航空结构往往存在加强筋、螺钉孔和厚度突变区域等，具有复杂多反射的结构形式。该结构形式下，冲击响应导波信号中直达波易与后续边界反射波发生严重混叠，故各冲击响应导波信号的波达时间无法保证都得以准确提取，从而降低了冲击的几何定位准确度；后者主要包括能量加权、时间反转等冲击成像方法，但这些方法在实际应用中存在传感器需要校准或操作复杂等问题。
延迟叠加为一种简单有效的稀疏压电-导波阵列大面积成像方法，但该方法主要用于主动损伤成像，而在冲击成像方面应用很少，这主要是由于冲击响应导波信号的预采集时间未知、难以直接实施延迟叠加成像所致。
发明内容
本发明提出了一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法。该方法通过基于压电阵列冲击响应导波信号的相对延迟进行综合成像，不仅实现了大面积结构冲击监测，而且解决了冲击响应导波信号预采集时间未知、难以实施冲击成像，以及某一冲击响应导波信号波达时间提取不准确直接影响最终冲击成像精度的问题，因此可以实现大面积航空结构冲击事件的高精度成像。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，包括下列步骤：
(1)在被测结构上布置N个压电片组成稀疏压电-导波阵列构成监测系统，N(N≥3)。
(2)获取稀疏阵列的冲击响应导波信号
冲击事件发生时被动采集压电-导波阵列中各个压电片Pi的结构冲击响应导波信号Ii(t)，其中t为时间变量，i＝1,2,…,N。
(3)提取冲击响应导波信号的波达时间
提取各个冲击响应导波信号Ii(t)中直达波的波达时间pti。
(4)实施基于信号相对延迟的冲击综合成像
利用各个冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间pti对冲击响应导波信号进行相对延迟综合成像处理，得到结构冲击综合成像结果。
步骤(3)中提取冲击响应导波信号的波达时间，包括以下步骤：
首先对各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行时频域分析，确定信号中的导波模式，以及该导波模式信号成分分布的频率范围；
在上述频率范围内选择窄带激励信号的中心频率及带宽范围，然后将该中心频率及带宽下的三波峰正弦调制信号作为窄带激励信号va(t)。
然后将va(t)与各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行卷积运算，得到结构窄带冲击导波信号vi(t)；
接着求取各个结构窄带冲击导波信号vi(t)的包络线si(t)；
阈值选取为大于监测系统噪声的幅值，但应小于包络线si(t)信号幅值的最大值；
最后将各个包络线si(t)中第一个大于阈值的极大值所对应的时间点作为冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间点pti。
步骤(4)中实施基于信号相对延迟的冲击综合成像，包括以下步骤：
首先分别以第i(i＝1,2...N)个冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间pti作为基准时间，按照如下公式计算监测区域中任一像素点的能量值：
其中(x,y)是被测结构监测区域中任一像素点的坐标值，sj[tij(x,y)]为(x,y)处的像素点对应包络线sj(t)所获取的信号幅值，Ei(x,y)为以pti作为基准时间得到的(x,y)处像素点的能量值，tij(x,y)为
其中(xi,yi)和(xj,yj)分别是压电片Pi和Pj的坐标，ci和cj分别为冲击响应信号主要导波模式分别从(x,y)到Pi这一传播方向的波速，以及从(x,y)到Pj这一传播方向的波速；
求取监测区域中所有像素点的能量值后，将监测区域中每一点的能量值视为该点的像素值，构成一幅灰度图，灰度图便是以pti作为基准时间所求取的冲击成像结果；
将以每一个冲击响应导波信号Ii(t)波达时间pti作为基准时间得到的(x,y)点能量值Ei(x,y)进行综合处理
最终得到经过综合处理后的(x,y)点的能量值E(x,y)，求取监测区域中所有点的能量值后，将监测区域中每一点的能量值视为该点的像素值，便得到了冲击综合成像结果。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)本发明采用稀疏压电-导波阵列扩大了航空结构冲击成像监测的范围；
(2)基于阵列冲击响应导波信号的相对延迟进行成像，克服了冲击响应导波信号预采集时间未知、难以直接实施延迟叠加冲击成像的问题；
(3)对成像结果进行了综合处理，解决了复杂结构形式下某一冲击响应导波信号波达时间提取不准确直接影响最终冲击成像精度的问题，因此可用于对实际复杂航空结构冲击的大面积高精度成像。
附图说明
图1是实施例提供的基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法的实施流程图。
图2是加强筋、压电片以及冲击源在碳纤维板中的分布情况。
图3是压电片P3获取的冲击响应导波信号I3(t)。
图4是压电片P6获取的冲击响应导波信号I6(t)。
图5是中心频率为15kHz的窄带激励信号va(t)。
图6是压电片P3获取的中心频率为15kHz的窄带冲击导波信号v3(t)。
图7是压电片P6获取的中心频率为15kHz的窄带冲击导波信号v6(t)。
图8是压电片P3获取的窄带冲击导波信号v3(t)的包络线s3(t)。
图9是压电片P6获取的窄带冲击导波信号v6(t)的包络线s6(t)。
图10是基于波达时间pt1的冲击成像结果。
图11是基于波达时间pt2的冲击成像结果。
图12是基于波达时间pt3的冲击成像结果。
图13是基于波达时间pt4的冲击成像结果。
图14是基于波达时间pt5的冲击成像结果。
图15是基于波达时间pt6的冲击成像结果。
图16是基于波达时间pt7的冲击成像结果。
图17是基于波达时间pt8的冲击成像结果。
图18是冲击综合成像结果。
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，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于验证，本实施例采用铺层方向为[45/0/-45/90/0/45/0/-45/0]s的双加强筋碳纤维板结构，尺寸为1000mm×1000mm×2mm。结构中布置8个压电片P1～P8组成矩形阵列，以结构中心为坐标原点建立直角坐标系，冲击源E1、加强筋以及压电片在坐标系中的分布情况如图2所示，压电片和冲击源坐标如表1。
表1.压电片和冲击源的坐标
本实施例的一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，包括下列步骤：
(1)在被测结构中布置稀疏压电-导波阵列
针对双加强筋碳纤维板结构，按照图2布置由8个压电片组成的稀疏压电-导波阵列。
(2)获取稀疏阵列的冲击响应导波信号
冲击事件发生时被动采集压电-导波阵列中各个压电片Pi的结构冲击响应导波信号Ii(t)。以压电片P3和P6所提取的冲击响应导波信号I3(t)和I6(t)为例，其波形分别如图3和图4。
(3)提取冲击响应导波信号的波达时间
首先对各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行时频域分析，确定信号中的主要导波模式为A0模式，主要能量分布的频率范围为9kHz～21kHz；
根据上述频率范围，选择中心频率为15kHz的三波峰正弦调制窄带激励信号va(t)，并且va(t)的有效带宽范围为11kHz～19kHz，窄带激励信号va(t)波形如图5所示。
将va(t)与各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行卷积运算，得到结构窄带冲击导波信号vi(t)。以压电片P3和P6所提取的窄带冲击导波信号v3(t)和v6(t)为例，其波形分别如图6和图7，可以看到v3(t)的直达波与边界反射波形发生了严重的混叠，而v6(t)中直达波较为明显；
接着求取各个结构窄带冲击导波信号vi(t)的包络线si(t)。以压电片P3和P6中的窄带冲击导波信号v3(t)和v6(t)为例，其提取出的包络线s3(t)和s6(t)分别如图8和图9所示；
设定各个阈值为对应包络线si(t)幅值最大值的1/4，将各个包络线si(t)中第一个大于阈值的极大值所对应的时间点作为冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间点pti，最终得到压电片P1～P8中冲击响应导波信号I1(t)～I8(t)的波达时间pt1～pt8见表2。
表2阵列各压电片中冲击响应导波信号波达时间的提取结果
(4)实施基于信号相对延迟的冲击综合成像
首先分别以每个波达时间pti(i＝1,2...8)作为基准时间，按照如下公式计算监测区域中任一像素点的能量值：
所有像素点的能量值便构成了以波达时间pti作为基准时间的冲击成像结果，基于波达时间pt1～pt8的冲击成像结果分别如图10～图17，由图可知并不是所有成像结果均可以完成对冲击的准确定位。例如基于pt3的冲击成像结果，由于图6中v3(t)信号波形混叠情况非常严重，导致波达时间提取不准确，从而该成像结果无法正确识别冲击位置；
最后将以每一个波达时间pti作为基准时间得到的(x,y)点能量值Ei(x,y)进行综合处理
最终得到经过综合处理后的(x,y)点的能量值E(x,y)。求取监测区域中所有点的能量值后，便得到了冲击综合成像结果。冲击E1的综合成像结果如图18，由图可知综合处理后的成像结果能够有效提高复杂区域冲击成像的准确度，实现了对大面积航空结构冲击事件的高精度成像。
本发明的基本原理是：首先通过采用稀疏压电-导波阵列扩大了航空结构冲击监测的范围，然后基于阵列冲击响应导波信号采用相对延迟的方法进行冲击成像处理，解决了预采集时间未知、难以直接实施延迟叠加冲击成像的问题，最后通过综合成像处理方法，解决了复杂结构形式下某一冲击响应导波信号波达时间提取不准确直接影响最终冲击成像精度的问题。
Claims (5)
1.一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)在被测结构上布置N个压电片组成稀疏压电-导波阵列构成监测系统，N大于等于3；
(2)冲击事件发生时被动采集压电-导波阵列中各个压电片Pi的结构冲击响应导波信号Ii(t)，其中，t为时间变量，i＝1,2,…,N；
(3)提取各个冲击响应导波信号Ii(t)中直达波的波达时间pti；
(4)利用各个冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间pti对冲击响应导波信号进行相对延迟综合成像处理，得到结构冲击综合成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，其特征在于，对所述提取冲击响应导波信号的波达时间方法如下：
对各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行时频域分析，确定信号中的导波模式，以及该导波模式信号成分分布的频率范围，依据上述频率范围确定合适的窄带激励信号va(t)；
将窄带激励信号va(t)与各个结构冲击响应导波信号Ii(t)进行卷积运算，得到结构窄带冲击导波信号vi(t)，求取各个结构窄带冲击导波信号vi(t)的包络线si(t)；
设定合理阈值，将各个包络线si(t)中第一个大于阈值的极大值所对应的时间点作为冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间点pti。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，其特征在于，对所述确定合适的窄带激励信号va(t)方法如下：在上述频率范围内选择窄带激励信号的中心频率及带宽范围，然后将该中心频率及带宽下的三波峰正弦调制信号作为窄带激励信号va(t)。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，其特征在于，对所述阈值的设定方法如下：所选阈值大于监测系统噪声的幅值，小于包络线si(t)信号幅值的最大值。
5.根据权利要求2所述的一种基于压电-导波阵列的大面积结构冲击成像方法，其特征在于，对所述实施基于信号相对延迟的冲击综合成像，包括以下步骤：
分别以第i个冲击响应导波信号Ii(t)的波达时间pti作为基准时间，i取值范围为[1，N]，按照如下公式计算监测区域中任一像素点的能量值：
其中，(x,y)是被测结构监测区域中任一像素点的坐标值，sj[tij(x,y)]为(x,y)处的像素点对应包络线sj(t)所获取的信号幅值，Ei(x,y)为以pti作为基准时间得到的(x,y)处像素点的能量值，tij(x,y)为：
其中，(xi,yi)和(xj,yj)分别是压电片Pi和Pj的坐标，ci和cj分别为冲击响应信号导波模式分别从(x,y)到Pi这一传播方向的波速，以及从(x,y)到Pj这一传播方向的波速；
求取监测区域中所有像素点的能量值后，将监测区域中每一点的能量值视为该点的像素值，构成一幅灰度图，灰度图便是以pti作为基准时间所求取的冲击成像结果；
将以每一个冲击响应导波信号Ii(t)波达时间pti作为基准时间得到的(x,y)点能量值Ei(x,y)进行综合处理
最终得到经过综合处理后的(x,y)点的能量值E(x,y)，求取监测区域中所有点的能量值后，将监测区域中每一点的能量值视为该点的像素值，便得到了冲击综合成像结果。
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