[发明专利]复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D‑MUSIC冲击定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的2D-MUSIC（二维多重信号分类）冲击定位方法，属于工程复合材料结构健康监测方法技术领域。

背景技术

复合材料相比于传统材料具有高比模量、比强度等独特优势，可以有效地减轻飞机的重量并提高飞机的安全性和存活力,在航空领域具有良好的应用前景。然而复合材料对低速冲击很敏感，很容易造成复合材料的凹陷、脱层、纤维断裂等微小损伤，导致复合材料性能下降。因此，冲击监测成为当前结构健康监测中一个很重要的课题。

由于Lamb波具有长距离的传播能力，基于Lamb波的结构健康监测方法具有很好的应用前景。现有基于Lamb波冲击监测技术的研究算法主要有基于时差定位技术方法，基于人工智能的优化方法以及基于系统建模的方法。

近几年，许多学者提出了阵列信号处理方法，阵列信号处理技术属于信号处理的一个重要分支，即通过多个传感器同时接收（或激励）信号，相对于单个传感器，有效地提高了信号的信噪比。在这些方法中，由Schmidt R.O.提出的多重信号分类(MUSIC)算法具有代表性算法之一，其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。正是由于MUSCI算法在特定条件下具有超高的分辨力、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，目前算法主要应用于声波、电磁波等领域。目前已有学者考虑将远场1D-MUSCI算法运用于结构健康监测中，只实现冲击源的角度估计。在远场1D-MUSCI算法中，通常假设信号源足够远，这时信号的波阵面可以近似假设为平面波，减小信号模型的复杂程度。然而当冲击发生在传感器阵列附近时，此时远场模型将不再适用，通常在远场情况下可以忽略信号源的波前曲率，即近似为平面波，而在近场区域，信号源波前的曲率不能忽略，即波前的需要用球面波来描述，此时信号源的位置信息须由方位角、距离两个参数来确定，此时将算法扩展成二维参数搜索。由冲击产生的Lamb波向传感器阵列各个阵元传播时，路径和距离都不一致，即信号的波速和衰减将影响冲击的定位。在常规的方法中，为了简化计算，通常把Lamb波的传播速度设定为一个常数，把Lamb波信号幅值衰减简单地假设为随距离线性衰减的关系。

然而，复合材料具有各向异性的特点，Lamb波沿结构各个方向传播时具有不同的波速。而且在复合材料结构中的主要部位，常有加筋、变厚度等复杂的结构形式，这些都将加强了复合材料的各向异性，增加冲击精确定位的难度。此时，Lamb波在复合材料结构传播时信号幅值衰减不单单于传播距离有关。另外在沿着平面扫描时，导向矢量同样与Lamb波的传播速度有关。在运用MUSIC算法时，应该考虑波速变化、信号幅值衰减的影响。常规方法中波速与信号衰减假设将不再适用于复合材料近场冲击源定位。

因此，为了保证复合材料中冲击的定位精度，需要考虑对Lamb信号的波速和衰减进行补偿，建立更加符合复合材料结构的冲击定位方法。

发明内容

本发明针对常规MUSIC算法的不足，依据Lamb波在复合材料中的各向异性与信号衰减规律，提出了一种复合材料中基于信号波速与幅值衰减补偿的2D-MUSIC冲击定位方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种复合材料中基于信号波速与衰减补偿的冲击定位方法，包括如下步骤：

（1）在被监测结构的相应位置布置压电传感器网络，组成不同的激励-传感通道；

（2）设置结构健康监测集成系统的采样频率、采样长度、预采集长度、传感器阵列中第一个传感器为触发通道，以及数据采集卡触发通道的触发阈值；

（3）当触发通道中信号幅值大于触发阈值时，各个压电传感器开始采集信号，将这些信号合成为矩阵形式的冲击阵列信号；

（4）冲击阵列信号预处理：提取冲击阵列信号中的窄带信号，并计算其协方差矩阵，对协方差特征值分解，得到相应的噪声子空间；

（5）测量各个激励-传感通道所对应角度的波速，建立信号波速曲线，得到第个压电传感器相对于第个压电传感器的时间延迟关系，其中表示冲击源信号到达第个阵元时相对于第个阵元的时间延迟，， 为压电传感器编号，为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角， 为冲击源到达第个压电传感器的距离，为冲击源传播到第个压电传感器直线路径与轴的夹角；为冲击源传播到第个压电传感器的波速，为冲击源传播到第个压电传感器的波速；