[发明专利]一种用于航空结构健康监测的压缩感知系统及该感知系统的工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及工程结构健康监测领域，特别是一种用于航空结构健康监测的压缩感知系 统及该感知系统的工作方法。

背景技术

随着材料和设计发展，飞行器结构性能不断增强，轻质、高可靠性、高机动性、高维 护性、高生存力、超音速巡航、隐身、大航程和短距起落的综合要求已成为现代军用飞机 结构设计的一项必须遵循的重要准则，未来的结构将朝着多功能智能结构方向发展。空客 公司最早给出了飞机机身设计材料的发展趋势分析报告，指出到2030年飞机材料将实现 从全金属结构、金属复合材料混合结构、全复合材料结构过渡到多功能集成的智能结构。

目前，复合材料在航空结构应用量逐步加大，得到广泛关注。复合材料以其高比强、 高比模、耐高温、腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、性能可设计等优势已被世人所共识，提 高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用，同 时可以减少燃料的消耗费用。对于战斗机的复合材料用量而言，美国从F-15E的2％到 F/A-18E/F的19％、F-22的24％，再到F-35/CTOL常规起降型的34.6％、F-35/STOVL 短距起飞/垂直降落型的34.7％和F-35/CV舰载型的35.2％，复合材料用量一直在快速增 长。欧洲EurofighterTyphoon的复合材料用量已达40％。对于商用飞机而言，欧洲空客 A320的复合材料用量10％，A380为23％，A350XWB已达52％，而美国波音公司的B777 为11％，B787的复合材料已经覆盖机身、机翼、平尾和垂尾，达到整个结构重量的50 ％，中国商用飞机有限责任公司设计的C919的复合材料用量将达到15-20％，分布在中 央翼、整个尾端、机翼后端、机身部段后段等处。对于直升机而言，美国AH-1ZCobra(4BW) 直升机复合材料分布比例为18.2％，UH1-YTwinHuey(4BN)直升机为14.7％，V22达到 了50％以上。结构与材料的使用主要包括寿命成本、安全性/可靠性、性能和维护四个方 面。从金属到复合材料，飞行器材料结构的快速发展，在制造、品质保证、过程优化、老 化飞行器维护等方面，为结构健康监测(StructuralHealthMonitoring,SHM)取代传统的 无损监测技术，提供了机遇。通过研究结构健康技术可以提高这些结构的安全性、大大降 低其维护费用、延长其使用寿命，结构健康技术有着现实的应用需求和广阔的应用前景。 但是，目前结构健康监测的研究主要集中在实验室针对小试件进行，研究内容集中在先进 的建模方法和信息处理方法上。研究中所采用的器件数量大都较少，需要决策的目标相对 简单，所需信号信息处理的运算量不大，需要传输的信息也较少。作为一种原理性研究， 这些方法是可行的。对于航空航天飞行器等实际工程结构，由于结构较大，结构监测中所 需传感器网络包含不同种类和数目较多的传感器件，每个传感器获得的信息是局部的、不 完整的，由于所需决策对象的复杂性大大增加，随之带来的是监测网络的复杂程度、信号 信息处理的运算量、需要通信、传输的信息量、系统各部分间的管理、协调需求及监测网 络所需消耗的能量等急剧增加。因此亟待解决的问题是如何处理融合庞大密集的传感器网 络的信息量，对整个结构的健康状态给出一个可靠有效的评估是当前一个亟待解决的问 题。近年来引起国内外学者广泛关注的压缩采样(也称为压缩感知，CompressiveSampling， CompressedSensing，CS)理论出现为解决该问题提供了新的思路。该理论指出，如果某一 自然信号在某一变换域内具有稀疏性，那么该信号通过非自适应线性测量，将原始信号投 影到一个低维空间上，然后通过相应优化算法可以以较高概率实现对原始信号的高分辨率 重构。压缩采样所具有低计算复杂度、优异的压缩性能和采集与重构的相互独立性的优点， 使其特别适合于分布式传感器网络的大面积监测中，只需要使得传感器采样数据能够稀释 表示，传感器节点就可以快速压缩采样，将数据传递到汇总节点进行重构，该方法可以极 大减少网络通信量、传输的信息量，显著减低网络功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确传递信息且显著减低网络功耗的用于航空结构健康 监测的压缩感知系统及该感知系统的工作方法。