基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法

1.本发明属于航天器在轨安全运行监测技术领域，具体涉及一种基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法。


背景技术：

2.复合材料具有比强度大、比刚度大、重量轻等优点，已经成为航空航天行业的首选关键制造材料。同时，频繁的航天任务使太空环境逐渐复杂化，其中数量庞大的太空碎片给航天器安全运行造成了巨大的威胁。为保证航天任务完成，研究一种高效、准确、实时的碰撞源定位系统，第一时间感知并定位碰撞位置尤为重要。由于复合材料具有异性，兰姆波在复合材料结构中的传播过程相较于金属材料更加复杂，且存在衰减、反射等效应，加大了分析和处理信号的难度，进一步降低监测效率和精度。
3.针对撞击定位问题，目前，主要有以下几种基于不同理论的定位方法：
4.(1)红外成像法：利用红外相机对航天器进行拍摄，可以实时监测航天器表面的红外辐射检测碰撞与泄露状况。
5.(2)电阻薄膜法：由于压阻传感器发生形变时电阻会产生变化，可以在航天飞行器表面铺设电阻薄膜，当航天器遭遇撞击变形时，通过检测电势改变量即可确定撞击位置。
6.(3)光纤光栅法：通过分布式光纤传感器采集待测物体各位置物理参数以确定结构的完整性。
7.(4)加速度法：航天器遭遇空间碎片撞击后会获得一定加速度，因此，碰撞信息可以通过检测航天器的加速度获得。
8.但是，上述的方法存在装置复杂、成本较高、灵敏度较差等缺点，难以实现对碰撞位置快速准确的定位。
9.而声发射方法具有系统集成度高、灵敏度高、装置便捷等特点、检测速度快的优点。此外，由于复合材料各向异性的物理特性，导致声发射信号在复合材料结构中传播时会更加复杂。因此，本专利提出了一种基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源的定位方法。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法，可有效解决复合材料板试件状结构中的碰撞源定位问题，定位测量精度高。
11.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
12.一种基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法，其特征在于：所述定位方法采用的定位系统包括复合材料板试件、放大器、接收传感器、供电信号分离器、ni采集卡及计算机，所述复合材料板试件上在信号发生点两侧等间距对称设置有四个接收传感器，所述四个接收传感器均依次连接有放大器及供电信号分离器，所述供电信号分离器依
次连接至所述ni采集卡及计算机；
13.所述方法的步骤为：
14.1)获取声信号在复合材料板试件的波速-角度函数：以原点(500，500)(单位为mm)为激励点，在0
°
到90
°
范围内，以10
°
为增量，在信号发生点的两个同心圆处放置接收传感器，在复合材料板试件中心发射断铅信号，接收传感器接收声信号，则某一路径波速为
[0015][0016]
由于两个接收传感器的距离一定，则通过测定a0模态到达同一路径两个接收传感器的时间差，就能得到某一路径的波速，将不同路径的波速拟合三次多项式曲线，拟合曲线可以用函数v(θ)表示；
[0017]
2)获取声信号到达各传感器的实际时差向量：采用自适应阈值法，测定a0模态信号到达不同接收传感器的时间点，自适应阈值t表示为：
[0018][0019]
其中：n是信号未到达之前截取的噪声信号；
[0020]
n是所述截取信号序列的点数；
[0021]
k是用于计算阈值点的序列数；
[0022]
确定声信号到达各个传感器的时间，求得任意两个传感器i和j的理论时间差δt
′
ij
：
[0023]
δt
′
ij
＝t
i-tj(i≠j)
[0024]
计算得到实际到达时间差向量t
′
：
[0025]
t
′
＝[δt
′
12 δt
′
13
ꢀ…ꢀ
δt
′
ij
](i≠j)
[0026]
3)网格划分：根据复合材料板试件的尺寸，选择合适的网格尺寸，对复合材料板试件进行均匀网格划分；
[0027]
4)计算理论时差向量，构造索引矩阵：假定各个网格点为碰撞源，由于网格点坐标和接收传感器坐标已知，则网格点到达各个接收传感器的距离l可以通过公式计算得到：
[0028][0029]
其中：lx为传感器的横坐标；
[0030]
ly为传感器的纵坐标；
[0031]
x为网格点的横坐标；
[0032]
y为网格点的纵坐标；
[0033]
角度可以通过以下公式得到：
[0034][0035]
已知网格点到接收传感器的距离和角度，已知a0模态信号在复合材料板试件的传播特性，根据以下公式可以计算出任意网格点到接收传感器i的理论时间ti：
[0036]
[0037]
根据所述网格点到传感器的理论时间可以求得任意两个传感器i和j的理论时间差δt
ij
：
[0038]
δt
ij
＝t
i-tj(i≠j)
[0039]
将第m行，第n列位置的网格点到达任意两个传感器的时差构造为一个时差向量t
mn
，
[0040]
t
mn
＝[δt
12 δt
13
ꢀ…ꢀ
δt
ij
](i≠j)
[0041]
将所有网格点的时差向量构造成一个特征索引矩阵m：
[0042][0043]
5)进行定位：将实际时差向量t
′
依次与理论时差向量t
mn
进行比较，计算第m行，第n列位置的网格点的匹配误差e
mn
，
[0044][0045]
根据计算的匹配误差结果，生成误差矩阵e：
[0046][0047]
根据误差匹配的结果，匹配误差最小的元素坐标位置即可认为是碰撞源的位置。
[0048]
本发明的优点和有益效果为：
[0049]
与现有技术相比，本发明基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法，将传感器的理论时间差与实际时间差比较，通过逼近碰撞源的方式，可有效解决复合材料板试件的碰撞源定位问题，能够有效进行碰撞源的定位，且定位精度高。
附图说明
[0050]
图1为本发明定位系统的结构示意图；
[0051]
图2为获取声信号波速-角度函数的接收传感器位置图；
[0052]
图3为本发明的原理图；
[0053]
图4为本发明的流程图；
具体实施方式
[0054]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0055]
一种基于声发射时差逼近的复合材料结构碰撞源定位方法，其创新之处在于：所述方法的步骤为：
[0056]
1)搭建定位系统：基于tdoa的复合材料板试件型结构的碰撞声源定位系统由碳纤维复合材料板试件状结构模型件、放大器、接收传感器、供电信号分离器、ni采集卡和计算机组成。所述复合材料板试件上在信号发生点两侧等间距对称设置有四个接收传感器，所述四个接收传感器均依次连接有放大器及供电信号分离器，所述供电信号分离器依次连接
至所述ni采集卡及计算机。
[0057]
复合材料板试件为1000mm
×
1000mm
×
3mm，材料为t300碳纤维/is1301环氧树脂型复合材料，铺层为15层，铺层方向为[03/90/03/90/03/90/03]。复合材料板试件的边缘贴有吸声胶泥，以减少板子边缘的反射效应产生回波影响测量。在复合材料板试件上激发断铅信号模拟超高速撞击产生的信号，四只接收传感器位置根据获取声信号在试件上的波速-角度函数或获取实际到达时差向量分别布置，用以接收碰撞源发出的声信号，每只接收传感器连接一个40db的放大器对信号进行100倍放大；放大后的信号通过ni采集卡被传递给计算机进行处理。
[0058]
2)获取声信号在复合材料板试件的波速-角度函数：以复合材料板试件的平面中心为原点，以两条相互垂直的对称轴分别为x轴和y轴，向上为y轴正方向，向右为x轴正方向，建立直角坐标系，激励点为原点(500，500)，接收器以15mm和45mm为半径画同心圆，在0
°
到90
°
范围内，以10
°
为增量，在同一角度的两个同心圆处放置传感器，在复合材料板试件中心发射断铅信号，传感器接收声信号，则某一路径波速为
[0059][0060]
由于两个传感器的距离一定，则通过测定a0模态达到传感器的时间差，就能得到某一路径的波速，利用matlab将0
°
～90
°
的波速拟合三次多项式曲线。
[0061]
3)获取断铅信号的实际时差向量：将接收传感器均匀布置在复合材料板试件的四个角上，坐标分别是1号传感器(800，800)，2号(0，800)，3号(0，0)，4号(800，0)，以上数据的单位均为mm，采用自适应阈值法，选取a0模态信号所在的频段为滤波频段，合理设定阈值，测定a0模态信号到达不同传感器的时间点，自适应阈值t可以表示为：
[0062][0063]
其中，n是信号未到达之后截取的噪声信号，n是所述截取信号序列的点数，k用于计算阈值点的序列数。
[0064]
确定声信号到达各个传感器的时间，求到任意两个传感器i和j的理论时间差δt
′
ij
：
[0065]
δt
′
ij
＝t
i-tj(i≠j)
[0066]
计算得到实际到达时间差向量t
′
：
[0067]
t
′
＝[δt
′
12 δt
′
13
ꢀ…ꢀ
δt
′
ij
](i≠j)
[0068]
4)网格划分：对复合材料板试件进行均匀网格划分，网格过小，会增加计算量，网格过小则定位精度不高，根据所述复合材料结构试验板的尺寸，选择合适的网格尺寸，
[0069]
5)计算理论时差向量和索引矩阵：假定各个网格点为碰撞源，由于网格点坐标和接收传感器坐标已知，则网格点到达各个传感器的距离可以通过公式计算得到
[0070][0071]
其中：l
x
为接收传感器的横坐标；
[0072]
ly为接收传感器的纵坐标；
[0073]
x为接收网格点的横坐标；
[0074]
y为接收网格点的纵坐标；
[0075]
角度可以通过以下公式得到：
[0076][0077]
已知网格点到传感器的距离和角度，已知a0模态信号在复合材料板试件的传播特性，根据以下公式可以计算出任意网格点到传感器i的理论时间ti：
[0078][0079]
根据所述网格点到传感器的理论时间可以求得任意两个传感器i和j的理论时间差δt
ij
：
[0080]
δt
ij
＝t
i-tj(i≠j)
[0081]
将每个网格点到达任意两个传感器的时间差构造为一个时差向量t
mn
，
[0082]
t
mn
＝[δt
12 δt
13
ꢀ…ꢀ
δt
ij
](i≠j)
[0083]
将所有网格点的时差向量构造成一个特征索引矩阵，m的索引矩阵也建立如下：
[0084][0085]
其中，t
mn
表示第m行，第n列位置的网格点到达任意两个传感器的全部时间差。
[0086]
6)误差匹配，确定定位点：将实际时差向量t
′
依次与理论时差向量t
mn
进行比较，计算第m行，第n列位置的网格点的匹配误差e
mn
，
[0087][0088]
根据计算的匹配误差结果，生成误差矩阵e：
[0089][0090]
根据误差匹配的结果，匹配误差最小的元素坐标位置即可认为是碰撞源的位置。
[0091]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。