[发明专利]基于序贯蒙特卡洛算法的声发射源定位方法

说明书

技术领域

本发明属于工程结构无损检测技术领域，提供了一种基于序贯蒙特卡洛算法的声发射源定位方法。

背景技术

声发射技术是根据结构内部损伤萌生和扩展时产生的瞬态应力波来判断结构内部损伤的一种监测方法。传统的声发射技术通过从声发射信号中获取声发射参数来对损伤进行评估，每一个声发射参数都是对声发射过程的具体描述。随着导波理论的发展，近些年来，声发射技术开始从参数式声发射向模态声发射转变。模态声发射是对材料中的声发射源所在的超声波模式进行研究，它分析的是声发射源产生的超声模式波。在将声发射信号分解成不同模式的超声导波后，可以利用对超声导波的认识，对声发射源的特征和性质进行分析推断，其中声发射源的定位技术一直是声发射研究领域的一个重要问题。

目前在声发射定位领域，以及提出了许多定位方法，其中基于波达时刻的定位方法被广泛地应用。通过已知的传感器位置，以及超声导波的速度，可以采用不同的三角化定位方法，如求解一组非线性方程，或使用优化算法迭代求解，获得声发射源的位置。在这些方法中，对声发射信号中不同模式导波到达时刻的提取非常重要，直接影响声发射源定位的精度。但由于信号噪声、频散效应、信号处理等各种原因，很难获得精确地波达时刻数据。同时，为了事先确定不同模式导波的波速，需要根据结构的材料参数，通过导波方程计算获得。但由于制造工艺、材料老化等原因，结构实际的材料参数与名义值有一定的差别，同时由于模型简化、温度效应等因素，理论计算的波速也与实际的波速有一定的误差。这些问题给声发射源定位带来的影响都是不确定性的。传统的基于波达时刻的定位算法都是确定性的方法，没有考虑这些不确定性因素的影响。

发明内容

本发明的目的即在于声发射源定位中，考虑模型误差和测量噪声引起的不确定性影响，提出了一种基于序贯蒙特卡洛算法的定位方法，可用于二维平面结构的声发射源位置和波速的联合求解。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种基于序贯蒙特卡洛算法的声发射源定位方法，用于不确定性因素影响下声发射源的定位；包括以下步骤：

(1)对于处于各向同性平面结构上的声发射源，布置N个用于接收声发射源发出的声发射信号的传感器；所述的各传感器中，将其中的一个定为主传感器，其余的则定为次传感器；在前述的各向同性平面结构上建立平面坐标系，使得声发射源的坐标为(x_s,y_s)，主传感器的坐标为(x_i,y_i)，各次传感器的坐标为(x_j，y_j)(j＝1…i-1,i+1...N)，其中，N为正整数(传感器个数，N≥4)；

(2)通过信号处理方法获得各个传感器接收到声发射信号的到达时刻，并计算各个次传感器与主传感器之间的到达时刻差Δt_ij，形成测量向量Z；

(3)以状态向量X来表征声发射源的位置和对应的声发射信号波速；定义状态向量X＝[x_s,y_s,V_g]^T，其中：(x_s,y_s)为声发射源的位置坐标，V_g为对应的声发射信号的波速；

(4)将声发射定位问题转化为贝叶斯滤波问题，建立系统方程和测量方程进行迭代求解状态向量X；其中：

系统方程表达式为

X_k＝X_k-1+ω_k-1

测量方程表达式为

Z_k＝h(X_k)+υ_k

式中：k为迭代数；ω为系统噪声；υ为测量噪声；h是一个非线性函数，用于表达测量向量Z中的元素Δt_ij和状态向量X中的元素之间的关系；另外，在建立系统方程时，假设系统噪声ω的均值为零，且其协方差矩阵为的正态分布；在建立测量方程时，假设测量噪声υ的均值为零，且其协方差矩阵为的正态分布；

式中：Δt_ij含义是第j个次传感器与主传感器(第i个传感器)之间的到达时刻差。

(5)采用序贯蒙特卡洛模拟方法来进行数值求解，迭代算出状态向量X估计值，并以满足迭代次数的最后一次迭代出的状态向量X估计值作为声发射源位置(x_s,y_s)和相应的波速V_g的识别值。