基于全频段信号幅值能量和反函数求解的冲击判位方法与流程

本发明涉及基于全频段信号幅值能量和反函数求解的冲击判位方法，其属于结构健康监测的冲击监测
技术领域：
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背景技术：
：现代诸多大型结构如航空航天飞行器、高层结构、新型桥梁、大跨度网架结构等在复杂服役环境中将受到设计载荷作用以及各类突发性外在因素如太空垃圾、飞鸟撞击、冰雹冲击、雷击和维修过程中人为低能量冲击，而这些冲击载荷的施加有可能对机械结构造成基体断裂、分层和穿孔等一些不能目检的损伤，给航空航天飞行器带来严重安全隐患，减少了飞行器使用寿命。因此有必要对航天航空飞行器进行安全检测，而常规检测主要是无损检测方法如超声波、X射线、敲击、电涡流射线、热应力场以及电位测量等，相关检测设备对使用工况要求较高，人员费用高、不适于实现在线监测。目前，国内外对冲击载荷位置识别方法主要有频域识别法、时域识别法、人工神经网络法和时间差定位等。不少学者将光纤光栅传感技术应用到结构冲击载荷位置识别的研究，并取得一定成果。由于光纤光栅解调仪采样频率较低，基于光纤光栅的冲击监测方法大都采用神经网络、支持向量机等模式辨识算法，但此类方法缺点是需要事先采集高密度不同冲击样本进行网络训练，这不仅会对被测结构造成损伤，而且还存在泛化性能不好，易受温度变化影响，工作量较大等问题，使得其实用性和实时性受到限制。为此，针对目前基于光纤光栅传感器的冲击监测系统采样频率较低，无法获取冲击响应的高分辨率时间信息的情况，本发明提出了基于频域幅值能量反函数求解的四边固支板冲击判位方法。该方法无需大量先验数据，可快速准确辨识冲击所在区域，并且计算冲击载荷位置坐标，满足实际工程实用性要求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种用于航空航天领域板结构的光纤冲击判位方法，该方法采用分布式光纤布拉格光栅传感器网络感知结构中不同位置的冲击响应信号，提取出冲击响应信号的频域能量幅值。该方法首先将冲击位置从整体监测区域逐步缩小范围，直至锁定于某个特定子监测区域。再通过频域幅值能量反函数求解方法，得到待测点的近似位置坐标。采用定位光纤布拉格光栅传感器对待测冲击点响应的幅值能量占比作为权值，实现对冲击点的精确坐标位置判别。该方法以其简单快速、高效便捷等特点，适用于低速采样条件下的机械结构冲击载荷辨识。本发明采用如下技术方案：一种基于全频段信号幅值能量和反函数求解的冲击判位方法，包括以下步骤：步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局，具体包括：在四边固支板结构中心部位构建一个正方形监测区域ABCD，其中点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心O作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在顶点A、C处分别布置平行于对角线BD的光纤布拉格光栅传感器，分别称为FBG1、FBG3，在顶点B、D处分别布置平行于对角线AC的光纤布拉格光栅传感器，分别称为FBG2、FBG4，同时在正方形中心布置平行于AB方向的光纤布拉格传感器FBG5以及平行于BC方向的光纤布拉格传感器FBG6；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构的背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG6分别连接，以此构成分布式传感器网络，六个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击监测区域；步骤二、冲击监测子区域划分，具体包括：取AB、BC、CD、DA的中点分别标记为H、J、K、L；边界线AL、LO、AO、AH、HO、HB、BO、BJ、JO、CJ、CO、CK、KO、DK、DO、DL将全部监测区域分为了大小均等的8个部分：区域ALO、区域AHO、区域BHO、区域BJO、区域CJO、区域CKO、区域DKO、区域LDO，依次命名为子区域①、子区域②、...、子区域⑧，每个子区域对应有两个定位用光纤布拉格光栅传感器，即FBG1和FBG6是子区域①的定位传感器；FBG1和FBG5是子区域②的定位传感器；FBG2和FBG5是子区域③的定位传感器；FBG2和FBG6是子区域④的定位传感器；FBG3和FBG6是子区域⑤的定位传感器；FBG3和FBG5是子区域⑥的定位传感器；FBG4和FBG5是子区域⑦的定位传感器；FBG4和FBG6是子区域⑧的定位传感器；步骤三、每个子监测区域共有两个定位传感器，每个定位传感器对应2条边界线，其中一条边界线重合；在每个定位传感器对应的每条边界线上分别选择若干冲击样本点，并分别计算该定位传感器对于这些样本冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和，具体包括如下步骤；步骤3-1：设在任一边界线上均匀选取若干样本冲击点，将定位传感器采集到的原始冲击响应信号为记作：Tfp，f表示传感器编号；p表示冲击样本点编号，每个冲击样本点对应的原始响应信号Tfp中包含有k个采样点；步骤3-2：去除原始冲击响应信号的直流成分，将去除直流成分后的冲击响应信号记作tfp；步骤3-3：对去除直流分量后的冲击响应信号tfp进行m层小波包分解，可得2m个频率成分的特征信号，然后，对小波包分解系数进行重构，可得响应信号tfp各个频段的信号幅值，并将其记为Ai,j,其中i＝1,2,3…2m,j＝1,2,3…k，其中下标i代表频段序号，j代表采样点序号；步骤3-4：对去除直流分量后的冲击响应信号tfp每个频段的信号求取幅值能量：步骤3-5：对去除直流分量后的样本冲击点响应信号tfp所有频段的信号幅值能量求和，即全频段信号幅值能量和步骤四、以冲击样本点到相应定位传感器距离为应变量y，以冲击样本点响应信号的全频段信号幅值能量和为自变量x，建立两者之间的函数关系，具体过程包括：步骤4-1：每个子监测区域共有两个定位传感器，每个定位传感器对应2条边界线，其中一条边界线重合；在每个定位传感器对应的每条边界线上分别选择若干样本冲击点，按照步骤三所述的方法分别计算对应的定位传感器对上述每一条边界线上的样本冲击点的全频段信号幅值能量和；步骤4-2：在每条边界线上，以样本冲击点到相应定位传感器的距离为自变量x，对应全频段信号幅值能量和为因变量y，在二维直角坐标系中一一描点，并使用指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式；步骤4-3：对上述函数关系式求取相应反函数，即可得到以样本冲击点到定位传感器距离为应变量y，以样本冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和为自变量x，两者之间的函数关系y＝f-1(x)＝-A·log(Bx+C)；每个定位传感器与一条对应边界对应一个函数关系，由于每个子监测区域共有两个定位传感器，每个定位传感器对应2条边界线，因此每个子监测区域共拟合4条函数关系；步骤五、按照步骤三的方法，计算各光纤布拉格光栅传感器对待测点响应信号全频段信号幅值能量和，并记作：Ef，f＝1,2,…6，f为光纤布拉格光栅传感器编号；步骤六：逐一比较各个传感器冲击响应信号全频段信号幅值能量和的大小，基于区域二分查找原理，确定待测冲击点所在的监测子区域；具体包括：若E1>E3，且E4>E2，且E1>E4，可确定待测点所在子区域为①；若E1>E3，且E4<E2，且E1>E2，可确定待测点所在子区域为②；若E1>E3，且E4<E2，且E1<E2，可确定待测点所在子区域为③；若E1<E3，且E4<E2，且E2>E3，可确定待测点所在子区域为④；若E1<E3，且E4<E2，且E2<E3，可确定待测点所在子区域为⑤；若E1<E3，且E4>E2，且E3>E4，可确定待测点所在子区域为⑥；若E1<E3，且E4>E2，且E3<E4，可确定待测点所在子区域为⑦；若E1>E3，且E4>E2，且E1<E4，可确定待测点所在子区域为⑧；步骤七：令监测子区域中所含的两个定位传感器，根据定位传感器对待测冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和，代入步骤四所得若干函数关系，确定待测冲击点在相应边界线上的近似位置坐标，并以定位光纤布拉格光栅传感器响应信号全频段信号幅值能量和占比作为权值，可以确定待测冲击点的具体位置坐标。7-1：在步骤六所确定的冲击点所在子区域中，将待测冲击点响应信号的频域幅值能量和代入步骤四所得的对应子区域的四个函数式中，求出待测冲击点在相应边界线上与对应定位传感器的近似距离；7-2：根据上述近似距离，求出待测冲击点在相应边界线上近似位置坐标(xqa，yqa)，(xqb，yqb)(xrc，yrc)，(xrd，yrd),其中(xqa，yqa)，(xqb，yqb)是编号为q的定位传感器得到的近似坐标，(xrc，yrc)，(xrd，yrd)是编号为r的定位传感器得到的近似坐标；7-3：将定位传感器对待测点响应的全频段幅值能量和占比作为权值，即其中Eq和Er分别为编号为q和编号为r的定位传感器对待测点响应信号的全频段幅值能量和；对7-2所计算得出的待测点相近位置坐标进行加权确定待测点的判位坐标：本发明具有如下有益效果：步骤二中将监测区域分为8个子区域，每个子区域对应有2个定位用传感器，每个子区域有两条区域边界线分别与对应的定位用光纤布拉格光栅传感器轴向垂直相交，这样布局的好处在于能够使得光纤布拉格光栅传感器最灵敏的方向尽可能覆盖监测区域；步骤4-2中所述的使用指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式优点在于，理论上由于冲击信号产生的冲击所致应变波在板结构中的传播是随着距离呈指数衰减的，进行的多次实验数据也以样本冲击点距离光纤光栅传感器距离为自变量，对应幅值能量为因变量，在二维直角坐标系中一一描点，并依次使用线性表达式y＝ax+b、多项式表达式y＝ax2+bx+c、指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击信号幅值能量与距离的关系。以拟合关系式与二维直角坐标内所有样本冲击点的方差最小，决定系数最大，校正后的决定系数最接近1，且标准差最小为评价依据，指数表达式y＝ae-bx+c效果最好，表明所选用的指数表达式拟合能够尽可能减少误差，提高定位的准确性；步骤7-4中将定位光纤布拉格光栅传感器对待测点响应的全频段信号幅值能量和比例作为权值，在算法上尽可能利用定位传感器的敏感特性，提高定位的准确性。本发明通过板结构上所分布的光纤布拉格光栅传感器冲击响应信号的频域幅值能量来实现冲击点位置的判定，适用于航空航天领域板结构低速冲击载荷定位等工程应用领域：相较于压电式传感阵列，无需采用大量信号传输线缆，能够降低系统复杂程度；其次，适用于低采样频率条件下的光纤布拉格光栅传感模式，能够根据不完整采样所得冲击响应时域信号对冲击载荷进行位置判定；不再需要采用模式识别类方法，也不需要借助大量先验冲击响应数据，大幅缩减了监测工作量，避免了大量预先冲击试验对于被测结构力学性能造成的负面影响，能够有效提高监测效率；最后，由于采用光纤集信号传感与传输于一体，能够具有良好抗电磁干扰能力。附图说明图1是分布式光纤布拉格光栅传感器布局图；图1中：1为固支边；2为监测区域；图2是冲击定位算法流程图；图3是区域定位流程说明图；图4是样本冲击点选取示意图；图5是待测冲击点临近位置点示意图；图6是传感器对样本冲击点响应信号的全频段幅值能量和与距离的对应关系图。具体实施方式步骤一、分布式光纤布拉格光栅传感器布局如图1，在四边固支板结构中心部位构建一个正方形监测区域ABCD，其中点A、B、C、D为顺时针方向排序的正方形各顶点；建立一个二维直角坐标系，选取板结构待监测区域的中心O作为坐标原点，定义X轴平行于AB方向，Y轴平行于BC方向；在顶点A、C处分别布置平行于对角线BD的光纤布拉格光栅传感器，分别称为FBG1、FBG3，在顶点B、D处分别布置平行于对角线AC的光纤布拉格光栅传感器，分别称为FBG2、FBG4，同时在正方形中心布置平行于AB方向的光纤布拉格传感器FBG5以及平行于BC方向的光纤布拉格传感器FBG6；将这些光纤布拉格光栅传感器粘贴于试件结构的背面，采用光纤跳线将FBG1和FBG2，FBG3和FBG4，FBG5和FBG6分别连接，以此构成分布式传感器网络，六个光纤布拉格光栅传感器构成的正方形所覆盖的区域即为板结构试件的冲击监测区域。步骤二、冲击监测子区域划分如图1所示，取AB、BC、CD、DA的中点分别标记为H、J、K、L；边界线AL、LO、AO、AH、HO、HB、BO、BJ、JO、CJ、CO、CK、KO、DK、DO、DL将全部监测区域分为了大小均等的8个部分：区域ALO、区域AHO、区域BHO、区域BJO、区域CJO、区域CKO、区域DKO、区域LDO，依次命名为子区域①、子区域②、...、子区域⑧，每个子区域对应有两个定位用光纤布拉格光栅传感器，即FBG1和FBG6是子区域①的定位传感器；FBG1和FBG5是子区域②的定位传感器；FBG2和FBG5是子区域③的定位传感器；FBG2和FBG6是子区域④的定位传感器；FBG3和FBG6是子区域⑤的定位传感器；FBG3和FBG5是子区域⑥的定位传感器；FBG4和FBG5是子区域⑦的定位传感器；FBG4和FBG6是子区域⑧的定位传感器。步骤三、每个子监测区域共有两个定位传感器，每个定位传感器对应2条边界线，其中一条边界线重合；在每个定位传感器对应的每条边界线上分别选择若干冲击样本点，并分别计算该定位传感器对于这些样本冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和，具体包括如下步骤：步骤3-1：如图4所示，以子区域①为例，在子区域的边界线AO上选择样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5，边界线AL上选择样本冲击点P1、P12、P11、P10、P9，边界线OL上选择冲击样本点P5、P6、P7、P8、P9；将定位传感器FBG1对样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5、P12、P11、P10、P9的冲击响应信号记作：T1p，1表示传感器编号1，p表示冲击样本点编号；将定位传感器FBG6对样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9的冲击响应信号记作：T6p，6表示传感器编号6，p表示冲击样本点编号，每个冲击样本点对应的原始响应信号Tfp中包含有k个采样点；步骤3-2：去除原始冲击响应信号的直流成分，将去除直流成分后的冲击响应信号记作tfp；步骤3-3：对去除直流分量后的冲击响应信号tfp进行m层小波包分解，可得2m个频率成分的特征信号，然后，对小波包分解系数进行重构，可得响应信号tfp各个频段的信号幅值，并将其记为Ai,j,其中i＝1,2,3…2m,j＝1,2,3…k，其中下标i代表频段序号，j代表采样点序号；步骤3-4：对去除直流分量后的冲击响应信号tfp每个频段的信号求取幅值能量：步骤3-5：对去除直流分量后的样本冲击点响应信号tfp所有频段的信号幅值能量求和，即全频段信号幅值能量和步骤四、以冲击样本点到相应定位传感器距离为应变量y，以冲击样本点响应信号的全频段信号幅值能量和为自变量x，建立两者之间的函数关系，具体过程包括：步骤4-1：如图4所示，以子区域①为例，子区域①定位光纤布拉格光栅传感器为FBG1和FBG6，FBG1对应边界线为AL和AO，FBG6对应的边界线为OL和OA，按照步骤三所述的方法分别计算FBG1在边界线AL上的样本冲击点P1、P12、P11、P10、P9以及FBG1在边界线AO上的样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5的全频段信号幅值能量和；FBG6在边界线OA上的样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5以及FBG6在边界线OL上的样本冲击点P5、P6、P7、P8、P9的全频段信号幅值能量和；步骤4-2：在子区域的边界线AO上，以样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5到定位传感器FBG1的距离为自变量x，对应全频段信号幅值能量和为因变量y，在二维直角坐标系中一一描点，如图6所示，得到在边界线AO、AL、OL、OA上冲击点到传感器的距离与相应全频段信号幅值能量和的对应关系，经过观察对应关系后，依次使用线性表达式y＝ax+b、多项式表达式y＝ax2+bx+c、指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击信号幅值能量与距离的关系，比较各拟合式的拟合效果，结果表明以拟合关系式与二维直角坐标内所有样本冲击点的方差最小，决定系数最大，校正后的决定系数最接近1，且标准差最小这些通用评价指标表明表达式，以边AO上的冲击点P1、P2、P3、P4冲击响应信号为例，拟合之后，各评价指标情况如下：方差决定系数校正后决定系数标准差y＝ax+b0.0010910.63930.51910.01907y＝ae-bx+c2.288e-050.99240.98490.003382y＝ax2+bx+c0.00031740.89510.79010.0126对比可知，指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式是最优的；在子区域的边界线AL，以样本冲击点P1、P12、P11、P10、P9到定位传感器FBG1的距离为自变量x，对应全频段信号幅值能量和为因变量y，用指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式；在子区域的边界线OA上，以样本冲击点P1、P2、P3、P4、P5到定位传感器FBG6的距离为自变量x，对应全频段信号幅值能量和为因变量y，用指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式；在子区域的边界线OL上，以样本冲击点P5、P6、P7、P8、P9到定位传感器FBG6的距离为自变量x，对应全频段信号幅值能量和为因变量y，用指数表达式y＝ae-bx+c拟合冲击响应信号全频段信号幅值能量和与距离之间关系式；步骤4-3：对上述函数关系式求取相应反函数，即可得到以样本冲击点到定位传感器距离为应变量y，以样本冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和为自变量x，两者之间的函数关系y＝f-1(x)＝-A·log(Bx+C)；每个定位传感器与一条对应边界对应一个函数关系，由于每个子监测区域共有两个定位传感器，每个定位传感器对应2条边界线，因此每个子监测区域共拟合4条函数关系；步骤五、按照步骤三的方法，计算各光纤布拉格光栅传感器对待测点响应信号全频段信号幅值能量和，并记作：Ef，f＝1,2,…6，f为光纤布拉格光栅传感器编号；步骤六：逐一比较各个传感器冲击响应信号全频段信号幅值能量和的大小，基于区域二分查找原理，确定待测冲击点所在的监测子区域；具体包括：若E1>E3，且E4>E2，且E1>E4，可确定待测点所在子区域为①；若E1>E3，且E4<E2，且E1>E2，可确定待测点所在子区域为②；若E1>E3，且E4<E2，且E1<E2，可确定待测点所在子区域为③；若E1<E3，且E4<E2，且E2>E3，可确定待测点所在子区域为④；若E1<E3，且E4<E2，且E2<E3，可确定待测点所在子区域为⑤；若E1<E3，且E4>E2，且E3>E4，可确定待测点所在子区域为⑥；若E1<E3，且E4>E2，且E3<E4，可确定待测点所在子区域为⑦；若E1>E3，且E4>E2，且E1<E4，可确定待测点所在子区域为⑧；步骤七：令监测子区域中所含的两个定位传感器，根据定位传感器对待测冲击点响应信号的全频段信号幅值能量和，代入步骤四所得若干函数关系，确定待测冲击点在相应边界线上的近似位置坐标，并以定位光纤布拉格光栅传感器响应信号全频段信号幅值能量和占比作为权值，可以确定待测冲击点的具体位置坐标。以区域①为例：7-1：将待测冲击点响应信号的全频段幅值能量和代入步骤四所得的对应子区域的四个函数式中：将待测冲击点响应信号的频域幅值能量和分别代入以FBG1为定位传感器的AL和AO方向的函数式以及以FBG6为定位传感器的OA和OL方向的函数式；求出待测冲击点在边界线AL和AO上与定位传感器FBG1的近似距离以及待测冲击点在边界线OA和OL上与定位传感器FBG6的近似距离；7-2：如图5所示，根据上述近似距离，求出待测冲击点由定位传感器FBG1得到的在边界线AL上的近似点a的位置坐标(x1a，y1a)，和AO上的近似点b的位置坐标(x1b，y1b)；由定位传感器FBG6得到的在边界线OA上的近似点c的位置坐标(x6c，y6c)和OL上的近似点d的位置坐标(x6d，y6d)；7-3：将定位传感器FBG1和FBG6对待测点响应的全频段幅值能量和占比作为权值，即其中Eq和Er分别为编号为q和编号为r的定位传感器对待测点响应信号的全频段幅值能量和；对7-2所计算得出的待测点相近位置坐标进行加权确定待测点的判位坐标：当前第1页1 2 3