[发明专利]基于导波能量特征主成分分析的结冰定量监测方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于导波能量特征主成分分析的结冰定量监测方法和装置，能够利用导波信号能量特征主成分综合得分对结冰长度进行评估，实现了结冰长度的定量监测。首先获取不同结冰长度下的导波信号，提取导波信号能量特征，构建导波信号能量特征矩阵；采用主成分分析法对导波信号能量特征矩阵进行处理，获得每个结冰长度的导波信号能量特征主成分及其综合得分，从而获得结冰长度与综合得分的关系曲线；结冰监测时，激励并接收导波信号、提取能量特征并构建新的导波信号能量特征矩阵，对该矩阵进行主成分分析及综合得分计算，获得被监测结冰区域的综合得分；最终依据所述关系曲线，获得结冰长度。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，具体涉及一种基于导波能量特征主成分分析的结冰定量监测方法和装置。

背景技术

飞机在飞行过程中，当温度较低时，飞机表面与云层发生碰撞，使得过冷水迅速发生相变，导致在飞机的许多部件上结冰。飞机结冰会造成飞机质量增加，飞行阻力增大，影响飞机的气动性能，操作稳定性和起降特性，严重降低飞机飞行的安全性，甚至导致飞行事故的发生。

超声导波结冰探测技术可以监测飞机结冰状态，从而启动除冰系统进行除冰，对于飞机的安全飞行起着至关重要的作用。但由于超声导波具有多模态特性和频散特性，结冰监测中导波信号波形较为复杂，给信号识别尤其是定量监测带来极大挑战。

采用多信号特征取代单信号特征进行结冰监测可提高监测精度与可靠性，但由于信号各特征之间存在相关性，过多的特征会增加分析问题的难度与复杂性，难以获得信号特征与结冰尺寸的关系，无法对结冰尺寸进行定量监测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于导波能量特征主成分分析的结冰定量监测方法，能够利用导波信号能量特征主成分综合得分对结冰长度进行评估，实现了结冰长度的定量监测。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于导波能量特征主成分分析的结冰定量监测方法，包括以下步骤：

步骤1：在结冰区域一侧激励导波，另一侧采集导波信号；获取不同结冰长度下的导波信号；

步骤2：提取每个导波信号的能量特征；所有结冰长度的导波信号对应的能量特征组成导波信号能量特征矩阵A；

步骤3：采用主成分分析法对导波信号能量特征矩阵A进行降维，获得每个结冰长度的导波信号能量特征主成分，并利用导波信号能量特征主成分计算相应结冰长度的导波信号能量特征主成分综合得分；

步骤4：根据不同结冰长度的主成分综合得分，得到结冰长度与导波信号能量特征主成分综合得分的关系曲线；

步骤5：结冰监测时，激励并接收导波信号，提取所接收导波信号的能量特征，将提取的能量特征加入导波信号能量特征矩阵A，形成导波信号能量特征矩阵B，采用主成分分析法对导波信号能量特征矩阵B进行处理并计算综合得分，获得被监测结冰区域的导波信号能量特征主成分综合得分；

步骤6：依据所述关系曲线，确定步骤5获得的导波信号能量特征主成分综合得分对应的结冰长度，即为结冰监测结果。

优选地，所述步骤2提取的导波信号的能量特征包括：均方根值、标准差、绝对均值、方根幅值、峰峰值、波形因子、峰值因子、脉冲因子、裕度因子和峭度，以及基于db8小波基函数对导波信号进行三层小波分解后得到的频带2能量和频带4能量。

优选地，所述步骤6进行结冰监测时，定时激励接收导波信号，获得实时的结冰区域长度尺寸变化情况。

优选地，步骤3所述利用导波信号能量特征主成分计算相应结冰长度的导波信号能量特征主成分综合得分为：将各导波信号能量特征主成分进行加权，权值为主成分的贡献率，获得导波信号能量特征主成分综合得分。