基于fbg传感系统和二阶统计量的声发射定位系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于FBG(FiberBraggGrating,光纤光栅）传感系统和二阶统计量 的声发射定位系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业的高速发展和新产品的更新换代，社会对产品的质量、结构安全及 可靠性要求越来越高。现代工业设备的结构趋于复杂和大型化。并且设备长时间处于高载 荷的工况下，运就易使结构产生损伤积累和承载能力下降，甚至产生结构损毁。因此结构健 康状况直接影响到社会安全和经济的发展。因此对工程结构进行实时的监测具有重大的战 略意义，尤其对国防工程、航空航天工程、舰船和民用设备的实时监测更为迫切。
[0003] 声发射技术是结构健康监测的重要手段之一。声发射是材料中局部快速释放能量 产生瞬态弹性波的现象。材料的变形，裂纹的产生和扩展，摩擦和撞击等都会产生声发射。 声发射检测技术其目的主要是为了获取材料或结构中声发射源的特征，定位声发射源的位 置，了解声发射的性质，从而判定结构的损伤状况。因此，声发射检测技术是一种实时、可靠 的无损检测手段，其具有大规模推广的潜力。
[0004] 声发射技术首要环节是定位出声发射源的位置，只有确定声发射源的位置才能找 出损伤可能产生的位置。因此，定位声发射源是极为重要的。目前，声发射源定位技术主要 包括=角定位法、双曲线法、人工智能算法等。=角定位法和双曲线定位法需提取准确的时 差进行定位，但由于声发射信号具有频散特性，所W精确的时差很难提取。而人工智能算法 包括神经网络和支持向量机等算法，运些算法需要大量的培训样本，而在实际应用中培训 样本很难提取，且经济性不高。因此，需要一种兼顾可靠性和实用性的声发射定位技术。
【发明内容】
阳0化]本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于FBG传感系统和二阶统计量 的声发射定位系统及方法，它具有计算量小，耗时短，具有较高的定位精度和实时性的优 点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 基于FBG传感系统和二阶统计量的声发射定位系统，包括：
[0008] 未经平坦的ASE(AmplifiedSpontaneous血ission,放大自发福射）光源，未经 平坦的ASE光源发出宽带光，依次经过边缘滤波器和第一禪合器，第一禪合器将光信号分 别传输给若干并列布置的第二禪合器，每个第二禪合器将信号传输给各自对应的光纤光栅 传感器，光纤光栅传感器等间距排列并粘贴在被检测机构上；光纤光栅传感器将设定波长 的光反射回来经第二禪合器传输至光电转换电路，光电转换电路将光信号转换为电信号， 经放大器传至数据采集系统，数据采集系统记录全部信号变化；
[0009] 声发射源产生高频动态应力波，在高频动态应力波的作用下，光纤光栅传感器的 反射波长发生变化，通过光纤光栅传感器反射的光功率的变化实现声发射信号的解调； 解调得到的声发射信号经过香农化annon小波转换，提取窄带信号；根据二阶统计量的root-music算法计算出声发射源相对于参考传感器的方位角和距离，从而定位出声发射源 的位置。
[0010] 光纤光栅传感器共同组成线性传感阵列。
[0011] 所述光纤光栅传感器之间的间距为10mm。
[0012] 数据采集系统的采样频率为5MHz。
[0013] 基于线性传感阵列和二阶统计量的声发射定位方法，步骤如下：
[0014] 步骤（1):光纤光栅传感器共同组成线性传感阵列；
[0015] 步骤（2):声发射源产生高频动态应力波，在高频动态应力波的作用下，光纤光栅 传感器的反射波长发生变化，通过光纤光栅传感器反射的光功率的变化实现声发射信号的 解调；
[0016] 步骤（3):对检测到的声发射信号进行香农化annon小波转换，提取线性传感阵列 的窄带信号；计算线性传感阵列的窄带信号的自相关函数；
[0017] 步骤（4):定义二阶统计量；
[0018] 步骤巧）：根据步骤（4)中的二阶统计量定义，得到两个自相关函数矩阵Ri和R2;
[0019] 步骤（6):对步骤妨中的两个自相关函数矩阵Ri和R2分别作特征值分解，得到 两个自相关函数矩阵中的信号子空间Esi和ES2;
[0020] 步骤（7)进一步解析步骤（6)中的信号子空间Esi和ES2;
[0021] 步骤（8):根据参数配对和步骤（7)的解析结果，通过root-music算法解出声发 射源相对于参考传感器的方位角和距离。
[0022] 所述步骤（1):设定中间的光纤光栅传感器为参考传感器，第1个传感器接收到的 信号XI(t)表示为：
[00巧]其中，XI(t)表示第1个传感器接收到的信号，t表示时间，bm表示信号幅值，Sm(t) 表示信号源信号，Ni(t)表示第1个传感器的噪声信号，j表示复数形式，1表示传感器数，1 的数量要大于声发射源数量，《"1=-2^(1/^3；[]1目。，巧",,=巧<：^2/^^^608 2(每），.(1表示传感器 间距，A表示信号波长，0m表示声发射源相对于参考传感器的方向角。Tm表示声发射源到 参考传感器的距离。
[00%] 所述步骤（2)中光纤光栅传感器的反射波长发生变化由数据采集系统记录；
[0027] 未经平坦的ASE光源发出宽带光，依次经过第一禪合器、第二禪合器进入光纤光 栅传感器，光纤光栅传感器将设定波长的光反射回来经第二禪合器传输至光电转换电路， 光电转换电路将光信号转换为电信号，经放大器传至数据采集系统，数据采集系统记录全 部信号变化；
[002引所述步骤做中自相关函数r的计算方法为： LIN丄UO丄丄bUOt) A 'VJ !?* o/D JA
[0030]其中，X为光纤光栅传感器线性传感阵列接收的信号矩阵，X= [Xl(t)，而（t)，. ..，X2P4 (t) ]T;2p+ 1 表示传感器数量。 阳03U 所述步骤（4)中定义二阶统计量(-1，U和。(1+1，U :
[0034]其中，r.m为声发射源信号的自相关函数，XI(t)为第1个传感器接收到的信号，M 为声发射源数目；
[00对所述步骤（5):根据步骤（4)中的二阶统计量定义，得到两个pXp自相关函数矩 阵Ri和R2;Ri和R2分别包含声发射源相对于参考传感器位置的方位角0和声发射源相对 于参考传感器位置的距离r;
[0036]在矩阵Ri和R2中，第化，U元素分别为： |；0037] Ri也D = (k-1, 1-k) (5)
[0038] R2化，1)=。化-l+l，k-l) 巧）
[0039] 其中，r郝r2为步骤（4)所定义的二阶统计量； W40] 其中，R郝R2的向量形式为： W41]Ri=A(?)RsAH(co) +o2j (7)
阳0创其中，
W例所述步骤化）：对R郝R2分别进行特征值分解得：
[0050] Ri=圧S1 EnJ八1圧S1 Eni]h 巧）
[005 "I]尺2 -圧S2En2]A2 圧52En2] (10) 阳05引其中，A郝A2分别是R1和R2的特征值矩阵，ES1和ES2分别是R1和R2的最大的M个特征值对应的信号子空间；Ew和EW2分别是R1和R2的个最小特征值对应的特征向 量张成的噪声子空间； 阳化引所述步骤（7):令曰=e2i。，舞二应Wp，公=龙拥*域和r=馬2*铅，由此得两个多项式：
[0056] 利用求根公式对公式（11)和公式（12)进行求根，得到a=a1，a2, ...，aM和 p=p1，p2,...，eM;曰和e中包含方位角0和距离r信息；
[0057] 其中，曰=e2.，u，o=-2 3Td/入sin白，
，
Esi和ES2分别是R1和R2的最大的M个特征值对应的信号子空 间。P表示传感器数量，M声发射信号源数。
[005引步骤做：根据参数配对和步骤（7)中的a和0，通过root-music算法：
[0059] 白i=sin1(angle(ai)A/(431d))和
[0060] !;= 2 31d2cos2 白i/ (入angle(Pi))
[0061] 解出声发射源相对于参考传感器的方位角和距离；
[0062] 其中，01表示第i个声发射源相对于参考传感器的方位角，angle(a1)表示a1 的相位参数，A表示信号波长，d表示传感器间距，表示第i个声发射源相对于参考传感 器的距离，a1为步骤（7)中F(a)的第i个根，angle(P1)表示01的相位参数，P1为步 骤（7)中F(e)的第i个根。
[0063] 本发明的有益效果：
[0064] 本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的声发射定位方法，解决了传统提取时差 的方法造成的定位误差，进一步提高的定位精度。 阳〇化]本发明提供了声发射源实时定位的系统和方法，通过光纤光栅传感器获取声发射 信号，根据边缘滤波的方法实现声发射信号的高频解调。使用二阶统计量的root-music算 法计算出声发射源的位置。从而实现声发射源的实时定位
[0066] 本发明不需要大量的培训样本及提取信号时差，通过对阵列信号进行二阶统计的 root-music计算，可W很好的定位出声发射源的位置，并且计算量小，耗时短，具有较高的 定位精度和实时性，可有效地应用于结构的声发射定位。
【附图说明】
[0067] 图1传感器布局图；
[0068] 图2光纤光栅阵列声发射定位系统图；
[0069] 图3声发射信号图；
[0070] 图4提取窄带信号图； W71] 图5定位原理图； 阳072] 图6定位计算结果图。
【具体实施方式】
[0073] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0074] 为了更好地说明基于光纤光栅阵列的二阶统计root-music声发射定位的具体实 施步骤，运里在侣合金板上说明具体的实施过程。 阳0巧]1.系统设置
[0076] 侣合金板的尺寸为SOOmmX500mmX2mm，如图1所示，在板内设定一个 400mmX400mm的监测区域，在区域下方粘贴7个高灵敏度光纤光栅传感器，设置中间的传 感器为参考传感器。光纤光栅传感器的反射波长为1534. 995nm(此波长处于未平坦ASE光 源的斜率最大的边缘上，使系统具有较高的解调灵敏度）。栅区长度为10mm。