一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法与流程

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法。

背景技术：

冲击损伤是影响飞行器安全运行的主要结构损伤形式之一，其大多由鸟撞、起飞时碎石的迸溅以及维修工具的掉落等引起。由于低速冲击极易在结构内部产生肉眼无法察觉的基体损伤，这种暗伤对材料的使用性能危害极大，在结构运行的过程中极易产生应力集中从而导致结构失效，进而导致飞行事故。因此对冲击损伤的检测是十分必要的，及时发现冲击发生的位置可以对此区域进行重点检测，以保证飞行器的安全性。目前，关于大型构件的低速冲击检测技术的研究开展的比较广泛，且对整个系统定位精度较高，整体的定位性能较为一致，但其大部分采用分散化布置传感器，或者分为两个区域集中布置传感器，在如何集约化布置传感器的同时又不降低整个构件的定位精度这方面的研究工作开展的较少。而将集中布置传感器的系统应用于实际时，其便于粘贴传感器，可以有效减少后续布线的繁杂程度，同时便于后续的信号采集。而现有将传感器集约化布置在构件中心的一维波束聚焦定位方法在于自身阵列平行的轴附近存在定位盲区，同时还会产生虚假定位坐标。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法，解决了现有一维波束聚焦定位方法中存在的定位盲区以及定位精度较为低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法，具体包括如下步骤：

步骤1，采用压电传感器对结构发生冲击时的信号进行监测，利用数据采集卡将采集得到的冲击信号发送给上位机，在上位机中对冲击信号进行傅里叶变换得到信号频谱图，选取频谱图的频率峰值作为中心频率对信号进行小波分析，得到中心频率对应的时域信号，并取所得时域信号的上包络线；

步骤2，利用二维波束聚焦定位方法求出冲击点所在位置(x,y)，同时判断(x,y)是否在外场，如果在，输出定位结果(x,y)；

步骤3，若步骤2求得的定位坐标不在外场，则认为该定位结果位于内场二维波束聚焦定位方法的盲区，重新求取定位坐标(a，b)，作为最终定位结果输出。

本发明的特点还在于，

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，将实验板材的四边采用螺钉固支，在实验板材上布置五个压电传感器，利用数据采集卡采集五个压电传感器获得的冲击数据并发送至上位机；其中五个压电传感器分别为：pzt1、pzt2、pzt3、pzt4、pzt5；

步骤1.2，在上位机对压电传感器获得的数据进行傅里叶变换得到信号的频谱图，从频谱图中可以得到信号频率峰值所在位置；

步骤1.3，以信号频率的峰值为中心频率分别对五个压电传感器接收到的五路信号利用公式(1)进行gabor小波变换得到中心频率对应的时域信号ψg(t)，并取该时域信号的包络线；

其中，ψg(t)为变换后得到中心频率对应的时域信号，ω0为中心频率，γ为常数；

步骤1.4，分别取小波变换后的pzt2–pzt5中的每一路信号与pzt1信号共两路信号利用公式(2)进行互相关处理得到两路信号的互相关信号

其中：代表互相关之后得到的信号，x1、x2分别代表参与互相关的两路信号，f代表频域信号；代表频域的互功率谱。

步骤1.1中，五个压电传感器在实验板材上的布置方式为：pzt1位于板材的中心处，pzt2、pzt3、pzt4、pzt5分别位于pzt1的四周。

步骤2的具体过程如下：

利用公式(3)、(4)求取冲击点所在的位置(x,y)：

式中：

δij＝v·δtij,i＝1,j＝2,3,4,5(4)；

其中，v代表波速，δtij代表第i路信号与第j路信号的时间延迟；x、y分别表示冲击源的横纵坐标；l表示pzt(2、3、4、5)与pzt1的距离；互相关信号的峰值为互相关计算所得两路信号的时间延迟δtij；

pzt(2、3、4、5)构成的菱形为区分内外场的边界，菱形之内区域为内场，菱形之外区域为外场。

步骤3的具体过程为：

利用四点圆弧定位公式(5)、(6)重新求取定位坐标(a，b)：

式中：

其中，x轴上pzt2与pzt4之间的时延为tx，y轴上pzt3与pzt5之间的时延为ty，波速为v，pzt(2、3、4、5)与坐标原点之间距离为l。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明可以将压电传感器集约化布置在结构中心，可以在整个构件实现大范围高精度的冲击监测，同时便于后续的布线以及信号采集。

(2)本发明将构件分为内场与外场，在外场其垂直方向与水平方向布置的压电传感器(piezoelectricceramictransducer,pzt)采集到的数据相互融合可以提高定位精度，有效避免了一维波束聚焦引起的在与自身平行方向存在盲区的现象。

(3)本发明在内场对于二维阵列传感器仍然存在小区域盲区，采用四点圆弧定位方法进行弥补，从而实现对整个区域的完整冲击监测。

附图说明

图1是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法的冲击定位流程图；

图2是是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法中传感器布置示意图；

图3是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法二维波束聚焦冲击定位图；

图4是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法中波速标定示意图；

图5是一维波束聚焦冲击定位示意图；

图6是一维波束聚焦定位盲区示意图；

图7是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法实施例中的原始信号时域图；

图8是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法实施例中的信号频谱图；

图9是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法实施例中的gabor小波包络线；

图10是本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法实施例中的广义互相关求取时延迟。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于二维波束聚焦理论的冲击监测定位方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1，采用压电传感器对结构发生冲击时的信号进行监测，利用数据采集卡将采集得到的冲击信号发送给上位机，在上位机中对冲击信号进行傅里叶变换得到信号频谱图，选取频谱图的频率峰值作为中心频率对信号进行小波分析，得到中心频率对应的时域信号，对所得时域信号包络线。

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，结构采用飞机中常用的ly12-cz的航空铝材平板(100cm*100cm*0.25cm)作为实验板材,四边采用螺钉固支，利用数据采集卡采集五个压电传感器获得的冲击数据并发送至上位机；其中，五个传感器的布置位置如图2所示；分别为pzt1、pzt2、pzt3、pzt4、pzt5；pzt1位于板材的中心处，pzt2、pzt3、pzt4、pzt5分别位于pzt1的四周。

步骤1.2，在上位机对压电传感器获得的数据进行傅里叶变换得到信号的频谱图，从频谱图中可以得到信号频率峰值所在位置。

步骤1.3，以信号频率的峰值为中心频率分别对五个压电传感器产生的五路信号利用公式(1)进行gabor小波变换得到中心频率对应的时域信号ψg(t)，并取该时域信号的包络线；

其中，ψg(t)为变换后得到中心频率对应的时域信号，ω0为中心频率，γ为常数，一般取5.336。

步骤1.4，分别取小波变换后的pzt2–pzt5中的每一路信号(共四路信号)与pzt1信号共两路信号利用公式(2)进行互相关处理得到两路信号的互相关信号

其中：代表互相关之后得到的信号，x1、x2分别代表参与互相关的两路信号，f代表频域信号；代表频域的互功率谱。

步骤2，采用公式(3)、(4)的二维波束聚焦定位公式求出冲击点所在位置(x,y)，同时判断(x,y)是否在外场，如果在，输出定位结果(x,y)；

其中，如图3所示，pzt(2、3、4、5)构成的菱形是区分内外场的边界，菱形之内为内场，菱形之外为外场。

式中：

δij＝v·δtij,(i＝1,j＝2,3,4,5)(4)；

利用公式(3)、(4)联立求解，即可得冲击点位置(x，y)的值；

其中，v代表波速，波速v通过多次实验求取平均值取得：v＝1582.25m/s(如图4所示)；δtij代表第i路信号与第j路信号的时间延迟；x、y分别表示冲击源的横纵坐标。l表示pzt(2、3、4、5)与pzt1的距离，l取20cm；互相关信号的峰值为互相关计算所得两路信号的时间延迟δtij。

步骤3，若步骤2求得的定位坐标不在外场则认为该定位结果位于内场二维波束聚焦定位方法的盲区，利用四点圆弧定位公式(5)、(6)重新求取定位坐标(a，b)，作为最终定位结果输出。

式中：

其中，x轴上pzt2与pzt4之间的时延为tx，y轴上pzt3与pzt5之间的时延为ty，波速为v，pzt(2、3、4、5)与坐标原点之间距离为l。

现有的一维波束聚焦冲击定位方法如图5所示，通过公式(7、8)计算得可以出在传感器所在坐标轴两边各有一个冲击源(如图5所示)，即存在虚假定位现象；其定位盲区如图6所示，经过大量实验验证，波束聚焦算法由于采用两条双曲线的交点作为冲击定位结果导致当冲击源坐标靠近x轴时，当两个传感器之间的时间差δtij发生微小波动时δij发生微小波动时，其双曲线的两臂会发生大幅度的偏移，从而导致定位结果不准确。即在靠近0°与180°附近不能够准确定位，即存在定位盲区。

|ri-rj|＝δij,i≠j(8)；

为了解决一维阵列存在的问题，本发明在一维波束聚焦定位理论的基础上加以改进提出了二维波束聚焦方法，可以将一维阵列传感器的盲区大大减小，其减小后的盲区如图4阴影所示，且其定位盲区如图所示只存在于中心区域。此时，本发明采用四点圆弧定位方法对中心区域存在的少量盲区进行补充定位以保障整个板材的定位精度。

实施例

在点(20,20)处进行冲击实验有：

利用数据采集卡将采集得到的冲击信号发生给上位机，如图7所示；对其进行傅里叶变换得到频谱图如图8所示，由信号频谱图可见信号的主要能量分布在0-80khz，且在20-40khz之间能量最为集中，所以本文以30khz作为信号的中心频率对信号采用gabor小波进行变时窗分析提取特征值。gabor小波变换后取其包络线如图9所示，可以很清晰的看出各个信号存在时间延迟。此时采用互相关算法对信号进行处理，分别取小波变换后的pzt2–4中的一路信号与pzt1信号共两路信号利用公式(2)进行互相关处理得到两路信号的互相关信号如图10所示，互相关信号的峰值为互相关计算所得两路信号的时间延迟δtij。所得时间延迟如表一所示。

表1互相关得到时间延迟单位(10^-4s)

此时，采用公式(3)、(4)的二维波束聚焦定位公式求出冲击点所在位置(19.5,21)，其处于外场范围，直接输出定位坐标。且其定位相对误差为3.9％。

实验结果表明:采用十字阵列型的传感器布置方法可以通过二维波束聚焦算法对在外场对实验构件进行比较准确的定位，交叉排列的传感器可以将外场的盲区去除；在内场通过四点圆弧定位方法对二维波束聚焦算法进行弥补，增加了定位面积。从而实现了通过布置少量传感器监测大面积结构范围的冲击损伤的目标。

本发明中波速测量的准确性是影响定位精度的重要因素，由于实验板材各向同性，则可假设波速为恒定值。在距离传感器6-40cm的范围上每隔4cm选取一个点，共选取九个点进行波速标定。标定结果如图3所示：波速稳定在1580m/s左右，取其九个数据平均值1582.25m/s作为定位算法中的标准波速进行定位计算。