[发明专利]一种冲击监测系统的信号重构方法

说明书

本发明提出一种采用数字随机解调与分裂恢复算法的冲击监测系统，包括冲击监测前端、采样触发模块、信号转换模块、数字随机采样器和上位机等模块。冲击监测前端与采样触发模块实现对冲击信号的实时监测，记录所需的信息进入下一层结构进行处理。信号转换模块将接收的电压模拟信号，基于其幅值的水平变化转化为三元信号并输入到数字随机采样器。数字随机采样器对三元信号通过数字随机解调的方式进行压缩采样。上位机对采样信号实施可并行处理的算法恢复，高速准确地反演出原始冲击信号波形。

技术领域

本发明涉及一种采用数字随机解调与分裂恢复算法的冲击监测系统，属于结构健康监测领域。

背景技术

结构健康监测是一种对监测对象进行持续监测的方式，用以增加人类安全并降低维护成本。在民用和工业建筑领域，结构健康监测系统提供单个部件或整个结构因材料老化、环境作用或意外事件而发生变化的信息。在航空航天业领域，碳纤维增强聚合物复合材料在现代飞机主体结构内已极为常见，但缺点是它们复杂的层压结构导致他们的损伤机制比经典材料更复杂。因此，实时监测不同形式的复合材料以确保在其使用寿命期间不会发生组件故障很重要。

随着低成本传感器和低功耗无线通信系统的发展，大量的电子设备连接在一起进行实时处理和智能处理，这促进了结构健康监测领域的快速发展。然而，随着元器件数量的增加，系统所需要采集、处理、传输与储存的数据量必然增加。传统的奈奎斯特模数转换器采取均匀采样的方式，从而得到非常高的累积数据。相应地，在模数转换器接口和后期数字处理阶段产生非常高的功率消耗。能否利用非均匀采样的方法，突破传统的奈奎斯特采样方法，从而降低信号处理的数据量，降低系统能耗值得研究。

同时，结构健康监测中常见的监测方式便是冲击监测，而在冲击监测领域，系统配备有大量的传感器元件，但这些传感器应该是事件驱动的，传感器的有效信号在时域上呈现稀疏性。而根据压缩感知理论，只要信号在某个变换域是稀疏的，那么就可以用一个观测矩阵对信号进行采样，且采样频率不再受奈奎斯特理论限制。目前的压缩采样信号重建算法大致分为两类，基础追踪和匹配追踪，这两种方法都等效于l1范数优化问题以保证重建性能。不过，基础追踪采用凸优化往往具有很高的计算复杂度，而匹配追踪遵循贪婪原对强噪声敏感。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用数字随机解调与分裂恢复算法的冲击监测系统，实现了对冲击信号的实时监测，用以定位冲击力源并对原始冲击力进行特性分析。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种采用数字随机解调与分裂恢复算法的冲击监测系统，包括冲击监测前端、采样触发模块、信号转换系统、数字随机采样器和上位机，所述冲击监测前端将冲击力信号转化为电压信号输入到采样触发模块，所述采样触发模块控制冲击监测前端的电压信号进入信号转换模块，所述信号转换模块将接收到的电压信号转化为三元信号并输入到数字随机采样器，所述数字随机采样器对三元信号进行数字随机解调实现压缩采样，所述数字随机采样器将所得采样信号传输至上位机进行反演，所述上位机采用重构算法恢复原始信号，经信号分析与处理后，最终反演出冲击力的特性；所述采样触发模块记录冲击力信号到达冲击监测前端上各个压电传感器的时间信息并输入到上位机，所述上位机采用时差定位法反演出冲击力源的位置。

优选地，所述冲击监测前端包括若干压电传感器、电荷放大器和电路开关，若干所述压电传感器分布设置在检测物体表面，且若干所述压电传感器的信号输出端分别与电荷放大器的信号输入端连接，所述电荷放大器的信号输出端分为两路，一路与所述采样触发模块的信号输入端相连，另一路经电路开关与所述信号转换系统的信号输入端连接，且所述电路开关由采样触发模块控制，从而决定冲击监测前端的输出端信号是否进入信号转换系统。