[发明专利]基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

摘要

本发明公开了一种基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法，属于工程结构健康监测技术领域。本方法使用二维线性压电传感器阵列采集结构的冲击响应信号，采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波复信号，然后利用波速无关的空间滤波器算法求取结构冲击相对于每一条线性压电传感器阵列的角度，最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标，从而实现了空间滤波器算法对结构冲击的无波速定位。本发明简便可靠，可对结构冲击进行无波速定位，从而消除了材料各向异性的影响，特别适用于复杂复合材料结构的健康监测。

主权项

1.一种基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：布置二维线性压电传感器阵列根据结构健康监测需求，使用N个相同型号的压电传感器阵元组成一个线性压电传感器阵列，在结构上布置两条线性压电传感器阵列，两条线性压电传感器阵列中心点的横坐标、纵坐标均不能相同，即：x₁≠x₂且y₁≠y₂，(x₁,y₁)为1号线性压电传感器阵列的中心点，(x₂,y₂)为2号线性压电传感器阵列的中心点，从而构成一个二维结构冲击监测区域，其中N为大于2的整数；步骤二：采集结构冲击响应信号设定结构冲击采样参数，利用二维线性压电传感器阵列采集结构冲击响应信号f(t)；步骤三：提取并构建冲击窄带Lamb波复信号采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号f(t)中的窄带Lamb波复信号成分z(t)，如公式（1）所示（1）其中：式中：z(t)为冲击窄带Lamb波复信号，F(w)为宽带冲击响应信号f(t)的傅里叶变换，Ψ_shan-a,b(w)为Shannon连续复数母小波函数Ψ_shan-a,b(t)的傅里叶变换，Ψ_shan-a,b(t)为Shannon连续复数母小波函数，a为Shannon连续复数母小波的尺度因子，b为Shannon连续复数母小波的时间因子，f_b为Shannon连续复数母小波的频率宽度，f_c为Shannon连续复数母小波的中心频率；w_c=2πf_c；w_b=2πf_b；步骤四：对两条线性压电传感器阵列的冲击窄带Lamb波复信号z(t)分别进行空间滤波首先根据线性压电传感器阵列的阵元间距求取空间滤波器的最大滤波波数值，如公式（2）所示（2）式中：k_x,max为该线性压电传感器阵列空间滤波器的最大滤波波数值，△x为该线性压电传感器阵列的阵元间距，π为圆周率；然后根据结构健康监测任务需求，确定空间滤波器的滤波角度范围和角度分辨率△θ；选定其中一个空间滤波角度θ，根据公式（3）计算出该角度下空间滤波器的波数k_x（3）再根据公式（4）对线性压电传感器阵列中每一个阵元计算其空间滤波权重函数（4）式中：φ(x)为横坐标是x的压电传感器的空间滤波权重函数，x为线性压电传感器阵列中阵元到线阵中心点的距离；对于每一个阵元的冲击窄带Lamb波复信号，使用公式（4）的空间滤波权重函数，计算出该阵元冲击窄带Lamb波复信号经空间滤波之后的响应信号，然后对每一个阵元的滤波响应信号进行合成，作为该角度下线性压电传感器阵列的空间滤波合成响应信号，如公式（5）所示（5）式中：为空间滤波角度θ下线性压电传感器阵列的空间滤波合成响应信号，N为线性压电传感器阵列的阵元个数，φ(x_n)为横坐标是x_n的压电传感器的空间滤波权重函数，z(x_n,t)为横坐标是x_n的压电传感器的冲击窄带Lamb波复信号，x_n为阵元的横坐标；再根据公式（6）计算出该空间滤波角度θ下空间滤波合成响应信号的强度（6）式中：E(θ)为空间滤波角度θ下空间滤波合成响应信号的强度，为θ角度下线性压电传感器阵列的空间滤波合成响应信号，T为空间滤波合成响应信号的信号长度；选取下一个空间滤波角度θ+△θ，根据上面的流程计算该角度下线性压电传感器阵列的空间滤波合成响应信号的强度，待全部监测区域角度计算完毕之后，对各个角度的空间滤波合成响应信号强度统一进行归一化，生成结构冲击的角度——损伤概率曲线，其中损伤概率，即是归一化之后的“空间滤波合成响应信号强度”最大的角度即为冲击位置相对于该线性压电传感器阵列的角度；根据以上流程，计算结构冲击相对于另一条线性压电传感器阵列的角度——损伤概率曲线，其中损伤概率最大的角度即为冲击位置相对于该线性压电传感器阵列的角度；步骤五：结构冲击无波速定位由于两条线性压电传感器阵列布置为垂直或平行两种方式，所以在这里分这两种情况分别对结构冲击进行无波速定位：（一）当1号线性压电传感器阵列与2号线性压电传感器阵列垂直时（7）式中：θ₁为结构冲击相对于1号线性压电传感器阵列的角度，θ₂为结构冲击相对于2号线性压电传感器阵列的角度，(x₁,y₁)为1号线性压电传感器阵列的中心点坐标，(x₂,y₂)为2号线性压电传感器阵列的中心点坐标，(x,y)为结构冲击的位置坐标；求解二元一次方程组（7）得到结构冲击的位置坐标为：（8a）当θ₁=90°，θ₂≠90°时（8b）当θ₁≠90°，θ₂=90°时（8c）当θ₁=90°，θ₂=90°时（8d）（二）当1号线性压电传感器阵列与2号线性压电传感器阵列平行时（9）式中：θ₁为结构冲击相对于1号线性压电传感器阵列的角度，θ₂为结构冲击相对于2号线性压电传感器阵列的角度，(x₁,y₁)为1号线性压电传感器阵列的中心点坐标，(x₂,y₂)为2号线性压电传感器阵列的中心点坐标，(x,y)为结构冲击的位置坐标；求解二元一次方程组（9）得到结构冲击的位置坐标为：（10a）当θ₁=90°，θ₂≠90°时（10b）当θ₁≠90°，θ₂=90°时（10c）。