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CN109990968B - 一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法 - Google Patents

一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法 Download PDF

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CN109990968B
CN109990968B CN201910223725.XA CN201910223725A CN109990968B CN 109990968 B CN109990968 B CN 109990968B CN 201910223725 A CN201910223725 A CN 201910223725A CN 109990968 B CN109990968 B CN 109990968B
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初哲
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Northwest Institute of Nuclear Technology
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其属于结构健康监测领域。包括以下步骤：步骤一：压电传感器布局；步骤二：获得板结构冲击响应传递函数；步骤三：对冲击事件的传感器的冲击响应信号进行时间反转数据处理；步骤四：提取重构冲击信号特征值参数；步骤五：利用特征值参数确定冲击位置。发明所述定位方法充分利用了传递函数包含的信息进行冲击定位，不需要已知结构中的波速、结构材料性质及力学边界条件，具有良好的稳定性，该定位方法中时间和空间上的信息可以互补，仅采用1‑2个传感器就能够实现板结构冲击定位，在航空航天结构的冲击监测方面具有广泛的应用前景。

Description

一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法
技术领域
本发明属于结构健康监测的冲击监测技术领域，提出了一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法。
背景技术
航空航天器结构在服役过程中不可避免地会受到外界冲击的威胁，如空间碎片、飞鸟、弹丸/片、冰雹和掉落的工具等。航空航天器结构多为板结构，冲击损伤会显著降低结构的力学性能并减少其使用寿命，尤其是复合材料结构。常规的无损检测技术，如射线检测、超声波检测、磁粉检测等，大多需在地面进行并对局部结构进行拆卸，需耗费较多的人力和时间。
通过传感器采集的冲击响应信号来识别冲击位置和载荷时间历程，结合结构已有的参数和实验数据，就能对结构的冲击损伤状态和剩余强度进行评估。结构健康监测系统能实时识别冲击结果，迅速为结构的安全评估和维修提供重要依据。
三角定位法是目前国内外最常用的冲击定位方法，该方法基于传感器几何关系和应力波传播时间差，其前提是波从激励源到传感器沿直线传播。三角定位法原理简单，但需要精确获得波传播到各传感器的时间差和波在结构中的传播速度。实际应用中测量信号总会受到噪音的干扰，使得波的传播时间和速度难以精确测定。复杂结构中的波会在不连续处(接头、加强筋等)发生反射和散射，这也阻碍了波传播时间的精确测量。此外，各向异性复合材料中波的传播速度还具有方向性，都使得普通的三角定位法难以成立。
目前的优化方法是先根据板结构的激励和响应之间的关系建立优化模型，然后把位置识别问题转化为优化求逆问题来定位。该方法需建立精确的模型，且在每个候选位置做多次运算，对于大尺度复杂结构，该方法可能由于计算过程过于复杂而不实用。
人工神经网络方法能用于解决任意结构上的冲击定位问题，但其训练样本数据通常较多。与神经网络类似的人工智能方法，如模糊逻辑方法、支持向量机、特征正交分法和免疫遗传算法等也会面临同样的问题。冲击过程中，冲击响应信号的幅值随传播距离的增大而降低，基于这一特性，可采用均匀分布传感器阵列采集信号的能量分布趋势进行冲击位置识别，此类方法原理简单，但大都需要数目较多的传感器。
综上，冲击识别存在的普遍问题是冲击定位和冲击载荷重构的独立进行需要较多的已知条件和复杂的计算过程。
发明内容
为了解决冲击定位和冲击载荷重构的独立进行需要较多已知条件和计算过程复杂的问题，本发明提供一种基于时间反转法原理的冲击定位方法，基于时间反转法原理，与其他识别方法相比，实验标定获得的传递函数能同时用于冲击定位和冲击载荷重构，冲击位置的识别不需要已知结构中的波速等信息，仅需要1-2个传感器就能进行冲击定位，抗噪性能好，方便可靠，实用性强，适用于不同材料不同形状的板结构冲击，如加筋板、复合材料板等复杂板结构冲击定位，可应用于航空航天器外结构冲击定位。
该方法采用压电传感器网络，获得板结构的冲击响应信号，实验标定获得的传递函数，冲击发生后，利用时间反转数据处理方法重构冲击响应信号，然后提取重构信号的特征值，最后利用重构信号特征值的空间分布特征实现冲击定位。
本发明的技术解决方案是提供一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，包括以下步骤：
步骤一、通过标定实验，获得待测板结构冲击响应传递函数Gi(xjk,ω)；
在待测板结构上布置n个传感器，通过标定实验获得待测板结构不同位置上的冲击响应传递函数Gi(xjk,ω)；其中，xjk为第j行第k列个标定点；
步骤二、根据Gi(xjk,ω)，对冲击事件的传感器的冲击响应信号si(t)进行时间反转数据处理，获得第i个传感器的冲击响应信号si(t)在标定点xjk处的重构冲击信号fi(xjk,t)；
2.1)、待测板结构发生冲击后，在频域中对冲击事件的传感器的冲击响应信号si(ω)进行时间反转数据处理，获得频域中该传感器信号si(ω)在xjk处的重构冲击信号fi(xjk,ω)；
Figure GDA0002644318110000031
其中，si(ω)由si(t)进行傅里叶变换获得；上标(*)表示复数的共轭运算，对应于时域中的时间反转处理；
2.2)、将fi(xjk,ω)进行逆傅里叶变换，获得时域中，第i个传感器的冲击响应信号si(t)在标定点xjk处的重构冲击信号fi(xjk,t)；
步骤三、提取重构冲击信号fi(xjk，t)的特征值；
3.1)、单一传感器重构冲击信号特征值提取；单一传感器重构冲击信号特征值包括峰值Pi(xjk)和相对峰值
Figure GDA0002644318110000032
(1)重构冲击信号的峰值为：
Figure GDA0002644318110000041
T为时间反转法处理时间长度；
(2)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000042
为：
Figure GDA0002644318110000043
T1为信号聚集时段，T2＝T-T1，为聚集后时段；
(3)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000044
为：
Figure GDA0002644318110000045
Mean表示平均值计算；
(4)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000046
为：
Figure GDA0002644318110000047
3.2)、传感器的冲击响应信号融合，包括以下三种融合方式：
(1)针对每个标定点，将步骤3.1)获得的所有传感器相对应的特征值相加，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
(2)针对每个标定点，先将步骤二获得的所有传感器的重构冲击信号相加，然后根据步骤3.1)的提取方法提取特征值，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
(3)针对每个标定点，先对每个传感器的重构冲击信号进行归一化处理，然后相加，最后根据步骤3.1)的提取方法提取出特征值，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
步骤四、根据步骤三获得的融合后的峰值与相对峰值，优选时反重构冲击信号特征值C(xjk)；
将步骤三获得的融合后的峰值与相对峰值相乘，确定用于冲击定位的时反重构冲击信号特征值C(xjk)：
C(xjk)＝[Pl(xjk)]o[γhg(xjk)]q
o＝0,1；q＝0,1；l＝1,2,3；h＝1,2,3；g＝1,2,3；其中，o和q不能同时为0；
步骤五、利用步骤四获得的特征值确定冲击位置；
5.1、确定初始的冲击位置：
Figure GDA0002644318110000051
5.2、确定冲击区域：
冲击区域由以初始的冲击位置为中心的m个标定点构成的矩阵，m为正整数；
5.3、确定最终的冲击位置
Figure GDA0002644318110000052
Figure GDA0002644318110000053
C(xr，yr)为冲击区域内标定点处时反重构冲击信号特征值C(xjk)；
进一步地，步骤一中，n个压电传感器布置在待测板结构正面或背面的非检测区域。
进一步地，所述标定实验包括：
1)、在待测板结构的监测区域内标记多个标定点xjk，多个标记点均匀分布；
2)、采用脉冲力锤对标定点xjk施加低速冲击载荷，xjk为第j行第k列个标定点，记录标定载荷F(xjk，t)和n个压电传感器的冲击响应信号Si(t)，其中i＝1，2，...，n为传感器编号，t为时间；
3)、通过数据处理获得不同标定点与不同传感器之间的冲击响应传递函数，频域中冲击响应传递函数定义为：
Gi(xjk,ω)＝Si(ω)/F(xjk,ω)
F(xjk,ω)为点xjk处的频域中的标定载荷，Si(ω)为该标定载荷下第i个传感器的冲击响应信号，F(xjk,ω)、Si(ω)分别由F(xjk，t)和Si(t)进行傅里叶变换获得。
进一步地，所述传感器为压电传感器。
进一步地，n等于1或2。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出采用时间反转法原理对冲击信号进行重构，然后提取重构冲击信号的特征值进行定位，该方法通过测量不同位置处冲击载荷引起的冲击响应，实现对冲击载荷位置的辨识，并不需要精确测量应变值。
(2)本发明利用了时间反转法的自聚焦特性，采用重构冲击信号的特征值进行冲击载荷定位，该方法抗噪性能好、简单可靠。
(3)本发明适用于不同材料(金属板、复合材料板)和不同形状(加筋板)板结构的冲击定位，不需要知道板结构的波速和边界条件。
(4)本发明提出的方法不仅仅采用重构冲击信号峰值进行位置识别，还提出了相对峰值的概念和传感器的冲击响应信号融合方法，用于位置识别的特征值体系丰富，拓展了时间反转法的应用。
(5)本发明的冲击定位方法与冲击载荷识别关系紧密，标定实验获得的传递函数不仅能够用于冲击位置识别，也能用于冲击载荷时间曲线重构。
(6)本发明采用压电传感器构成网络，不需要电源和信号调理，成本较低；
(7)本发明仅采用1-2个传感器就能够进行冲击载荷定位，对传感器的数目要求低。
(8)本发明采用压电传感器，但不限于此类传感器，也可以采用其它类型用于应变测量的传感器，如PVDF压电薄膜、电阻应变片、光纤应变计等传感器。
(9)本发明中用于冲击定位的时间上(信号处理时长，聚集时段，峰值和相对峰值)和空间上(标定间距，传感器数目等)的信息具有互补性，适用性强。
(10)本发明中不同传感器的冲击响应信号的识别结果可以互相印证，能够识别传感器的状态是否正常。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为板结构示意图；
图3为重构冲击信号的相对峰值与时间关系图；
图4为冲击位置识别结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示，本发明通过以下步骤实现板结构冲击定位：
步骤一、压电传感器布局；
压电传感器用于测量板结构的应变响应，压电传感器布置在板结构正面或背面，理论上传感器可以布置在任意位置，为避免传感器被冲击载荷损坏，将传感器布置在监测区域四周，依次记作PZT1、PZT2、…、PZTn；
步骤二、通过标定实验获得板结构不同位置上的冲击响应传递函数；
2-1、如图2所示，在板结构监测区域内标记标定点，各标定点均匀分布，标定点的间距为D；
2-2、采用脉冲力锤对板结构监测区域内均匀分布的标定点xjk施加低速冲击载荷，xjk为第j行第k列个标定点。记录标定载荷F(xjk，t)和n个压电传感器的冲击响应信号Si(t)，其中i＝1，2，...，n为传感器编号；
2-3、通过数据处理获得不同标定点与不同压电传感器之间的冲击响应传递函数，频域中冲击响应传递函数定义为
Gi(xjk,ω)＝Si(ω)/F(xjk,ω) (1)
F(xjk,ω)为频域中点xjk处的标定载荷，Si(ω)为频域中该标定载荷下第i个传感器的冲击响应信号，分别由F(xjk，t)和Si(t)进行傅里叶变换获得；
步骤三、对冲击事件压电传感器的冲击响应信号进行时间反转数据处理；获得fi(xjk，t)。
板结构发生冲击后，第i个压电传感器记录的冲击响应信号为si(t)。在频域中时间反转数据处理过程表示为
Figure GDA0002644318110000081
fi(xjk，ω)为由应变信号si(ω)在xjk处重构的冲击信号，上标(*)表示复数的共轭运算，它对应于时域中的时间反转处理。将fi(xjk，ω)进行逆傅里叶变换，获得fi(xjk，t)。
步骤四、提取重构冲击信号特征值参数；
包括选取单一传感器重构冲击信号的特征值参数和选用传感器的冲击响应信号融合方式。单一传感器重构冲击信号的特征值包括峰值和相对峰值。
4-1、选取重构冲击信号特征值参数的类型，单一传感器重构冲击信号特征值包括峰值Pi(xjk)和相对峰值
Figure GDA0002644318110000082
(1)重构冲击信号的峰值为：
Figure GDA0002644318110000091
fi(xjk,t)为由第i个传感器采集的信号在标定点xjk处重构的冲击信号，T为时间反转法处理时间长度。
(2)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000092
为：
Figure GDA0002644318110000093
T1为信号聚集时段，T2＝T-T1为聚集后时段，如图3所示。
(3)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000094
为：
Figure GDA0002644318110000095
Mean表示平均值计算。
(4)重构冲击信号的相对峰值
Figure GDA0002644318110000096
为：
Figure GDA0002644318110000097
4-2、传感器的冲击响应信号融合方式包括以下三种：
(1)传感器的冲击响应信号融合方式R1，先提取每个传感器重构冲击信号的特征值Pi(xjk)(或γi 1(xjk)，γi 2(xjk)，γi 3(xjk))，然后将特征值相加，融合后的特征值P1(xjk)(或γ11(xjk)，γ21(xjk)，和γ31(xjk))表示为：
Figure GDA0002644318110000098
(2)传感器的冲击响应信号融合方式R2，先将每个传感器重构的冲击信号相加
Figure GDA0002644318110000099
然后按照单一传感器重构冲击信号特征值提取的过程提取特征值，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号峰值与相对峰值。
Figure GDA0002644318110000102
(3)传感器的冲击响应信号融合方式R3，先对每个传感器重构冲击信号进行归一化处理
Figure GDA0002644318110000103
然后相加
Figure GDA0002644318110000104
最后提取出特征值，融合后的特征值表示为：
Figure GDA0002644318110000106
传感器的数目为1时，上述三种融合方式的结果是一致的。相对峰值的形式和传感器冲击响应信号融合的方式都有3种，多传感器融合后的相对峰值有9种情况。多传感器融合后的峰值有3种情况。
4-3、优选时反重构冲击信号特征值
重构冲击信号的峰值和相对峰值都能体现时间反转法的聚焦特性，同时利用重构冲击信号的这两个特征能够进一步提高位置识别的结果，融合后的峰值和相对峰值的组合采用相乘的方式。
时反重构冲击信号特征值C(xjk)可以为：
C(xjk)＝[Pl(xjk)]o[γhg(xjk)]q (10)
o＝0，1；q＝0，1；l＝1，2，3；h＝1，2，3；g＝1，2，3，其中o和q不能同时选0。
在具体结构中，可以采用不同信号融合方式和特征值进行位置识别，然后优选出合适的多重特征值。
步骤五、利用特征值参数确定冲击位置
5-1、确定初始的冲击位置
重构冲击信号在离冲击位置最近的标定点上有最大特征值，由此确定初始的冲击位置表示为
Figure GDA0002644318110000111
Figure GDA0002644318110000112
5-2、确定冲击区域
冲击区域由以初步识别位置为中心的a×b(a＝2，3；b＝2，3)个标定点组成，如图2所示，图中I1，I2和I3表示不同的初步识别位置。
5-3、确定最终的冲击位置
最终识别的位置
Figure GDA0002644318110000113
由冲击区域的9(或6，或4)个标定点处重构冲击信号特征值的重心确定，计算公式如下：
Figure GDA0002644318110000114
C(xr，yr)为标定点处重构冲击信号的特征值，m＝9(或6，4)。
冲击位置识别结果如图4所示。

Claims (5)

1.一种基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过标定实验，获得待测板结构冲击响应传递函数Gi(xjk,ω)；
在待测板结构上布置n个传感器，通过标定实验获得待测板结构不同位置上的冲击响应传递函数Gi(xjk,ω)；其中，xjk为第j行第k列个标定点；
步骤二、根据Gi(xjk,ω)，对冲击事件的传感器的冲击响应信号si(t)进行时间反转数据处理，获得第i个传感器的冲击响应信号si(t)在标定点xjk处的重构冲击信号fi(xjk,t)；
2.1)、待测板结构发生冲击后，在频域中对冲击事件的传感器的冲击响应信号si(ω)进行时间反转数据处理，获得频域中该传感器信号si(ω)在xjk处的重构冲击信号fi(xjk,ω)；
Figure FDA0002644318100000011
其中，si(ω)由si(t)进行傅里叶变换获得；上标(*)表示复数的共轭运算，对应于时域中的时间反转处理；
2.2)、将fi(xjk,ω)进行逆傅里叶变换，获得时域中，第i个传感器的冲击响应信号si(t)在标定点xjk处的重构冲击信号fi(xjk,t)；
步骤三、提取重构冲击信号fi(xjk，t)的特征值；
3.1)、单一传感器重构冲击信号特征值提取；单一传感器重构冲击信号特征值包括峰值Pi(xjk)和相对峰值
Figure FDA0002644318100000012
(1)重构冲击信号的峰值为：
Figure FDA0002644318100000013
T为时间反转法处理时间长度；
(2)重构冲击信号的相对峰值
Figure FDA0002644318100000021
为：
Figure FDA0002644318100000022
T1为信号聚集时段，T2＝T-T1，为聚集后时段；
(3)重构冲击信号的相对峰值
Figure FDA0002644318100000023
为：
Figure FDA0002644318100000024
Mean表示平均值计算；
(4)重构冲击信号的相对峰值
Figure FDA0002644318100000025
为：
Figure FDA0002644318100000026
3.2)、传感器的冲击响应信号融合，包括以下三种融合方式：
(1)针对每个标定点，将步骤3.1)获得的所有传感器相对应的特征值相加，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
(2)针对每个标定点，先将步骤二获得的所有传感器的重构冲击信号相加，然后根据步骤3.1)的提取方法提取特征值，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
(3)针对每个标定点，先对每个传感器的重构冲击信号进行归一化处理，然后相加，最后根据步骤3.1)的提取方法提取出特征值，获得每个标定点处，融合后的重构冲击信号的峰值与相对峰值；
步骤四、根据步骤三获得的融合后的峰值与相对峰值，优选时反重构冲击信号特征值C(xjk)；
将步骤三获得的融合后的峰值与相对峰值相乘，确定用于冲击定位的时反重构冲击信号特征值C(xjk)：
C(xjk)＝[Pl(xjk)]o[γhg(xjk)]q
o＝0,1；q＝0,1；l＝1,2,3；h＝1,2,3；g＝1,2,3；其中，o和q不能同时为0；
步骤五、利用步骤四获得的特征值确定冲击位置；
5.1、确定初始的冲击位置：
Figure FDA0002644318100000031
5.2、确定冲击区域：
冲击区域由以初始的冲击位置为中心的m个标定点构成的矩阵，m为正整数；
5.3、确定最终的冲击位置
Figure FDA0002644318100000032
Figure FDA0002644318100000033
C(xr，yr)为冲击区域内标定点处时反重构冲击信号特征值C(xjk)。
2.根据权利要求1所述的基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其特征在于，步骤一中，n个压电传感器布置在待测板结构正面或背面的非检测区域。
3.根据权利要求1所述的基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其特征在于，所述标定实验包括：
1)、在待测板结构的监测区域内标记多个标定点xjk，多个标记点均匀分布；
2)、采用脉冲力锤对标定点xjk施加低速冲击载荷，xjk为第j行第k列个标定点，记录标定载荷F(xjk，t)和n个压电传感器的冲击响应信号Si(t)，其中i＝1，2，...，n为传感器编号，t为时间；
3)、通过数据处理获得不同标定点与不同传感器之间的冲击响应传递函数，频域中冲击响应传递函数定义为：
Gi(xjk,ω)＝Si(ω)/F(xjk,ω)
F(xjk,ω)为点xjk处的频域中的标定载荷，Si(ω)为该标定载荷下第i个传感器的冲击响应信号，F(xjk,ω)、Si(ω)分别由F(xjk，t)和Si(t)进行傅里叶变换获得。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其特征在于：所述传感器为压电传感器。
5.根据权利要求4所述的基于时间反转法原理的板结构冲击定位方法，其特征在于：n等于1或2。
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