CN113532722B - 一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法 - Google Patents

一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法 Download PDF

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Abstract

一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，包括步骤如下：S1：采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure DDA0003083018210000011
获取飞行器的脉动压力
Figure DDA0003083018210000012
在时间域上的分布曲线；S2：对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；S3：对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；S4：根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。本发明能够较为准确地辨识出飞行试验中飞行器边界层的转捩时刻，对后续飞行器的弹道优化、热防护设计提供数据支撑。

Description

一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法
技术领域
本发明涉及一种双谱分析转捩辨识方法。
背景技术
脉动压力是飞行器设计中的一种重要物理量。高速飞行器容易遭受强烈的压力脉动，这些压力脉动可以引起舱内元件的震动并且导致结构上的问题，从而影响着飞行器的性能。根据本单位的飞行试验结果，飞行器随着飞行高度降低，来流雷诺数增大，飞行器表面的边界层由层流过渡到湍流过程中，发现脉动压力幅值并非连续增大。针对飞行试验脉动压力数据的转捩辨识，以往的公开文献鲜有报道。然而，单纯地通过压力脉动幅值也并不能准确地判读转捩发生时刻。
现有的飞行试验转捩测量技术多数使用热流传感器与温度传感器来判别转捩，但是热流与温度传感器频响较低(一般在几十Hz到几百Hz)，无法兼顾测量边界层内扰动波(一般在kHz)的特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提出一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，能够较为准确地辨识出飞行试验中飞行器边界层的转捩时刻，对后续飞行器的弹道优化、热防护设计提供数据支撑。
本发明所采用的技术方案是：一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，包括步骤如下：
S1：采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure BDA0003083018190000011
获取飞行器的脉动压力
Figure BDA0003083018190000012
在时间域上的分布曲线；
S2：对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；
S3：对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；
S4：根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
飞行器上的压力传感器选取压阻式Kulite传感器或压电式PCB传感器。
S1中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess。
S3的具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解；其中，wavedec函数中的小波函数wname根据样本数据具体形式进行选择；
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小。
一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识系统，包括：
第一模块，采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure BDA0003083018190000021
获取飞行器的脉动压力
Figure BDA0003083018190000022
在时间域上的分布曲线；对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；
第二模块，对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；
第三模块，根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
飞行器上的压力传感器选取压阻式Kulite传感器或压电式PCB传感器。
第一模块中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中，点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess。
对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析的具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解；其中，wavedec函数中的小波函数wname根据样本数据具体形式进行选择；
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，其特征在于，针对飞行器脉动压力在时域上的分布特征，不是直观的从脉动压力幅值来判读转捩时刻。根据边界层发展演化过程中的扰动波特征，利用双谱方法的最大相关系数对边界层转捩时刻进行辨识。该方法已被飞行试验的热流与温度数据佐证，已应用于多个外形飞行器的转捩时刻辨识。
现有的飞行试验转捩测量技术多数使用热流传感器与温度传感器来判别转捩，但是热流与温度传感器频响较低(一般在几十Hz到几百Hz)，无法兼顾测量边界层内扰动波(一般在kHz)的特性。脉动压力传感器的高频响特性不仅可以直观地测量边界层内压力的幅值变化，同时也可反映边界层内扰动波的发展演化特征。
附图说明
图1为本发明实施例公开的基于飞行试验脉动压力数据的转捩辨识方法的流程图；
图2为本发明实施例公开的飞行器试验不同时间段的脉动压力相关性脉动压力在时间域上的分布曲线示意图。
图3为本发明实施例公开的飞行器脉动压力在时间域上的分布曲线划分示意图。
图4为脉动压力数据双谱分析结果图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
根据飞行试验测量的瞬时压力数据，对其进行滤波，获得脉动压力在时域上的分布。针对脉动压力数据，对其进行不同时间段的划分，利用小波变换方法对不同时间段的脉动压力数据进行多尺度分解，然后对分解后的每个尺度脉动压力进行互相关分析。根据不同时间段的双谱值大小，判断边界层转捩发生时刻。
如图1所示，一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，包括步骤如下：
S101：采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure BDA0003083018190000041
获取飞行器的脉动压力
Figure BDA0003083018190000042
在时间域上的分布曲线。
飞行试验转捩测量所用的压力传感器一般选取压阻式Kulite传感器和压电式PCB传感器。
S101中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess。
S102：对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据。Δt的取值范围根据采样频率选取(这里采样频率为200kHz，Δt＝0.1s)；
S103：对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析；
小波变换为一种具有多分辨分析特点的时频局部化分析方法，其在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。基于傅立叶变换的双谱方法无法对飞行试验中测量的非稳态信号进行处理，小波变换适合分析非平稳的信号和提取信号的局部特征，且基于小波变换的双谱方法可根据测量数据的分布特征选取与之匹配的小波基函数。
具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解。其中，wavedec函数中的小波函数wname无明确要求，可根据样本数据具体形式进行选择。
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小。
S104：根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识系统，包括：
第一模块，采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure BDA0003083018190000051
获取飞行器的脉动压力
Figure BDA0003083018190000052
在时间域上的分布曲线；对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；
第二模块，对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；
第三模块，根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
飞行器上的压力传感器选取压阻式Kulite传感器或压电式PCB传感器。
第一模块中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中，点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess。
对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析的具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解；其中，wavedec函数中的小波函数wname根据样本数据具体形式进行选择；
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小。
实施例：
一种基于飞行试验脉动压力数据的转捩辨识方法，从工程应用上能够较为准确地辨识出飞行试验中飞行器边界层的转捩时刻，为工程转捩预示方法精度的提升提供重要技术支撑。
本发明基于某外形飞行试验的脉动压力压力测量结果，获取不同时间段的双谱结果，根据双谱值大小，辨识判读转捩发生时刻。
一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，包括步骤如下：
S101：采用中值滤波对瞬时压力进行滤波得到平均压力，获取压力的脉动在时间域上的分布，如图2所示。
S102：对脉动压力在时间域上进行划分，截取0.1s内的脉动压力数据(采用频率为200kHz)，如图3所示。
S103：对划分时间段的脉动压力数据进行双谱分析，即对每个时间段内的脉动压力数据进行小波变换，对每个尺度频率下的数据进行互相关分析，获取每个时间段内的脉动压力双谱值大小，如图4所示。
S104：转捩时刻判读，即根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识转捩发生时刻。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure FDA0004106095140000011
获取飞行器的脉动压力
Figure FDA0004106095140000012
在时间域上的分布曲线；
S1中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess；
S2：对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；
S3：对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；
S3的具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解；其中，wavedec函数中的小波函数wname根据样本数据具体形式进行选择；
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小；
S4：根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识方法，其特征在于，飞行器上的压力传感器选取压阻式Kulite传感器或压电式PCB传感器。
3.一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识系统，其特征在于，包括：
第一模块，采用移动平均方法对飞行器上压力传感器测得的瞬时压力p进行滤波，得到平均压力
Figure FDA0004106095140000021
获取飞行器的脉动压力
Figure FDA0004106095140000022
在时间域上的分布曲线；对脉动压力在时间域上的分布曲线进行划分，截取若干个Δt时间段内的脉动压力数据；Δt的取值范围根据采样频率选取；
第一模块中，利用matlab软件中的smooth函数进行移动平均滤波，其中，点数范围SPAN根据实际测量中的采样频率来确定，滤波方法采用Lowess；第二模块，对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析，得到每个Δt时间段内的脉动压力双谱值；
对Δt时间段内的脉动压力数据进行双谱分析的具体方法为：
(a)利用matlab软件中的离散小波函数wavedec对每个Δt时间段内的脉动压力数据进行小波分解；其中，wavedec函数中的小波函数wname根据样本数据具体形式进行选择；
(b)对每个尺度频率下的脉动压力数据进行互相关分析，获取每个Δt时间段内的脉动压力的相关性大小，即双谱值大小；
第三模块，根据不同时间段内的脉动压力双谱值大小，辨识飞行器转捩发生时刻。
4.根据权利要求3所述的一种基于飞行试验脉动压力数据的双谱分析转捩辨识系统，其特征在于，飞行器上的压力传感器选取压阻式Kulite传感器或压电式PCB传感器。
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