基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，属于复合材料结构的冲击事件在线监测及冲击能量等级判别方法。该方法在获得数字序列阵列后，首先计算数字序列阵列中的上升沿持续时间比的平均值MDR；其次计算数字序列阵列的上升沿个数的平均值MNRS；然后将MDR和MNRS组成二维数字特征向量；最后采用模式识别分类器进行冲击能量等级判别。本方法能够在无法获取冲击响应信号阵列，只能获取数字序列阵列的情况下，对冲击事件的能量等级进行判别，方便维护人员利用无损检测技术实现有针对性的区域检测和视情检测，能够缩短检测时间，降低维护成本。
【专利说明】基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法
[0001]【技术领域】
本发明涉及一种基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，属于复合材料结构的冲击事件在线监测及冲击能量等级判别方法。
[0002]【背景技术】
复合材料结构在各领域的应用越来越广泛，尤其是航空结构。然而，层合板复合材料在服役过程中不可避免的要承受各种冲击，极易造成复合材料结构的内部损伤并导致其力学性能退化，承载能力降低，甚至导致结构的整体破坏和失效。因此对复合材料结构进行冲击监测，确保结构的稳定性和安全性是具有迫切的应用需求的。
[0003]被动结构健康监测方法能够实现在线的冲击监测，实时获取冲击区域、位置等信息，然后再利用无损检测对通过被动结构监测方法获得的冲击区域进行进一步检测，能够大大缩短检测时间，降低维护成本。但是针对大型航空结构的冲击监测，以采用64路压电传感器监测冲击信号为例，按照传统高速数据采集测试方式进行监测信号采集，系统硬件采用商用的64通道独立同步高速模拟数据采集卡和64通道的信号放大调理设备，外加集成此数量硬件所需的带统一控制核心的处理器和机箱，造成测试环境复杂度和测试系统调试难度的高，系统体积和重量庞大等问题。但是，对于机载设备而言，要求该设备的添加不会给飞机造成过大的载重负担，而且飞机机体结构所需监测的面积很大，特别是像我国正处于研制阶段的民用大型客机C919，支持64路压电传感器的被动监测系统是远远不够的，需要大规模的压电传感器阵列才能够满足要求，但是这样又进一步增加了监测系统的体积和重量。所以，现有的常规被动结构健康监测系统并不能够满足冲击监测机载设备的要求。
[0004]针对上述问题，近两年来，一种适用于机载的小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统(下文简称冲击监测系统)被提出并正在逐步得到应用。该系统为了满足小型化和低功耗的要求，将外部压电传感器阵列直接与系统内的比较器阵列连接，压电传感器阵列输出的冲击响应信号阵列经过比较器阵列以后转换为数字序列阵列，根据数字序列阵列实现冲击区域的定位和报警，从而省略了常规被动结构健康监测系统的数据采集和信号放大调理的硬件。因此，该系统具备了体积小、重量轻、低功耗、安装和使用方便、监测区域大、能够实时响应冲击事件并能够有效存储冲击响应信号对应的数字序列阵列和冲击报警结果等多个特点。
[0005]但是，系统目前只配备了冲击区域的定位方法，缺少对冲击事件能量等级的判别方法。然而在实际工程应用中，为了对飞机结构进行结构健康监测，获取冲击事件的能量等级是非常重要的，小能量的冲击事件不一定会对结构造成损伤，实际应用中更关心的是大能量冲击事件发生的区域，该区域更容易出现损伤，给结构的整体安全性造成隐患。所以，在判别了冲击事件发生的位置后，在对其能量等级进行判别，更能够有效指导后勤维护，减小不必要的维护次数，降低维护成本。
[0006]针对复合材料结构冲击能量的判别问题，目前广泛研究的方法有两类:
(I)第一类方法是基于结构的精确的力学模型，通过传感器获取的冲击响应信号，对冲击源信号进行反演，从而实现冲击历程、冲击力和冲击能量的判别。这种方法能够实施的前提是结构精确的力学模型已知且需要获取完整的冲击响应信号。
[0007](2)第二类方法是基于模式识别的冲击力等级或冲击能量等级判别方法。这种方法的核心是用于模式分类的特征向量。实际监测中，往往是通过传感器获取的完整冲击响应信号，提取冲击响应信号在时域、频域以及时频域等空间内，能够反映不同冲击能量的特征参数，并组成特征向量。
[0008]由于实际的工程结构的结构形式复杂，在加之复合材料结构的各向异性，结构的精确模型很难获取，所以第二类方法相对于第一类方法而言，更容易在实际工程中得到应用。但是，第二类方法能够实施的核心是获取到完整冲击响应信号并提取其特征向量。然而，冲击监测系统只能得到冲击响应信号阵列对应的数字序列阵列，无法获取到完整的冲击响应信号，所以需要从数字序列阵列中提取出能够反映冲击能量等级的特征参数，从而在仅依靠数字序列阵列的情况下，结合模式识别方法，实现冲击能量等级的判别。
[0009]
【发明内容】
本发明提出了一种基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，使其在现有冲击区域定位功能的基础上，具备判别冲击能量等级的功能。从而达到在复合材料结构的事后维护时，指示冲击事件发生的区域和能量等级，使维护人员利用无损检测技术有针对性的区域检测和视情检测，缩短维护时间和降低维护成本的目的。
[0010]本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，在获得数字序列阵列后，首先计算数字序列阵列中的上升沿持续时间比的平均值MDR ;其次计算数字序列阵列的上升沿个数的平均值MNRS ;然后将MDR和MNRS组成二维数字特征向量；最后采用模式识别分类器进行冲击能量等级判别。
[0011]数字序列阵列二维 特征向量中的MDR的计算方法如下:
设由《个通道的数字序列组成数字序列阵列，?为大于I的自然数，定义单个通道数字序列的上升沿持续时间比:对单个通道的数字序列长度为/w的数字序列，由O数字电平的数据点和I数字电平的数据点组成，其中I数字电平的数据点持续时间的总长度占数字序列长度P的比例定义为数字序列的上升沿持续时间比DRi ；
设?!个通道的数字序列中，第?个通道存在*个I数字电平的数据点和《_%个0数
字电平的数据点，则的计算表达式如下:
【权利要求】
1.一种基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，其特征在于，在获得数字序列阵列后，首先计算数字序列阵列中的上升沿持续时间比的平均值MDR ;其次计算数字序列阵列的上升沿个数的平均值MNRS ;然后将MDR和MNRS组成二维数字特征向量；最后采用模式识别分类器进行冲击能量等级判别。
2.根据权利要求1所述的基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，其特征在于，数字序列阵列二维特征向量中的MDR的计算方法如下: 设由《个通道的数字序列组成数字序列阵列力大于I的自然数，定义单个通道数字序列的上升沿持续时间比DR1.:对单个通道的数字序列长度为T的数字序列，由O数字电平的数据点和I数字电平的数据点组成，其中I数字电平的数据点持续时间的总长度占数字序列长度m的比例定义为数字序列的上升沿持续时间比DR1.； 设个通道的数字序列中，第i个通道存在个I数字电平的数据点和《 _n2.个O数字电平的数据点，则的计算表达式如下:
3.根据权利要求1所述的基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，其特征在于，数字序列阵列二维特征向量中的MNRS的计算方法如下: 设由《个通道的数字序列组成数字序列阵列，?为大于I的自然数，定义单个通道数字序列的上升沿个数NRS1:数字序列中，数字电平的大小由O数字电平变为I数字电平视为I个上升沿，对单个通道的数字序列长度为m的数字序列，存在的上升沿个数为NRSi ； MNES的计算表达式有如下两种: ①取《个通道对应的NH民的平均值，表达式如下:
【文档编号】G06F19/00GK103473441SQ201310375307
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】邱雷, 袁慎芳, 梅寒飞, 钱伟锋, 刘小冬, 董江 申请人:南京航空航天大学