[发明专利]一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC(多重信号分类)方法，属于工程复合材料结构健康监测方法技术领域。

背景技术

复合材料相比于传统材料具有高比模量、比强度等独特优势，可以有效地减轻飞机的重量并提高飞机的安全性和存活力,在航空领域具有良好的应用前景。然而复合材料对低速冲击很敏感，很容易造成复合材料的凹陷、脱层、纤维断裂等微小损伤，导致复合材料性能下降。因此，冲击监测成为当前结构健康监测中一个很重要的课题。

由于Lamb波具有长距离的传播能力且对小损伤敏感，基于Lamb波的结构健康监测方法具有很好的应用前景。由于传感器阵列易于在结构上布置且具有方向扫描的功能，阵列信号处理方法逐渐被引入结构健康监测区域。近些年，MUSIC算法是其中一种代表性的算法。MUSIC算法属于子空间类算法，其算法的基本思想是将任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征值分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号的参数。

在MUSIC算法中，Lamb波相速度是一个重要的参数，对MUSIC算法的定位精度具有很大的影响。然后冲击响应信号为宽带信号，无法直接计算Lamb波的相速度。在常规的方法中，通常采用窄带信号提取的方法来计算Lamb波的群速度，以群速度来近似相速度，从而导致MUSIC算法的定位精度低。另一方面，复合材料结构具有各向异性的特点，而且真实复合材料航空结构具有梁、樯、肋和螺钉孔等复杂的结构形式，使得其各向异性更加严重，结构上不同方向上的相速度差异明显。对于不同方向上的冲击源，需要与之对应的相速度来进行定位从而提高定位精度。

因此，为了提高基于MUSIC算法的冲击定位方法的可靠性和精度，需要更加准确的相速度测量方法，且以对应冲击源的方向上的相速度来对冲击源的位置进行估计。

发明内容

本发明针对MUSIC算法定位精度依赖于Lamb波相速度精度以及复合材料航空结构的严重各向异性的特点，提出了一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC方法，可以提高Lamb波相速度测量的准确性和降低航空结构的各向异性对MUSIC算法定位精度的影响，从而提高基于MUSIC算法在复合材料航空结构上的定位精度和可靠性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC方法，包括如下步骤：

(1)通过测量结构上不同方向上的相速度并计算其平均相速度；

(2)基于MUSIC算法和平均相速度初步估计冲击源的角度；

(3)根据预估的冲击源角度选择对应方向上的准确相速度，重新代入MUSIC算法计算空间谱，从而获取冲击源准确的角度和距离。

所述步骤(1)中测量相速度是通过预先在结构上布置传感器对并使其间距小于对应频率下的Lamb波波长，采集对应方向上的冲击响应信号，接着利用Shannon复数连续小波变换从中提取传感器对的单频信号，然后在传感器对的单频信号同一周期内寻找相邻的过零点获取传感器对之间的时间差，最后以传感器对的间距除以时间差计算相速度来实现的。

本发明的有益效果如下：

本方法准确测量了Lamb波的相速度，减少了复杂航空结构的严重各向异性对MUSIC算法的影响，较好地提高了复杂航空结构上冲击源的定位精度和可靠性，能有效地应用于真实复杂航空结构的冲击定位中。

附图说明

图1一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC方法流程图。

图2航空机翼盒段结构及传感器布置示意图。

图3冲击响应信号波形及其频谱图，其中(a)冲击响应信号波形；(b)冲击响应信号频谱图。

图4提取的2.0kHz单频信号。

图5不同方向上0.1kHz至3.0kHz下的相速度。

图6传感器阵列响应信号波形图。

图7冲击信号传播模型图。

图8冲击源(15.8cm,108°)的定位结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

如图1所示，为一种面向结构冲击定位的单频-重估计MUSIC方法的流程图，方法步骤如下：

(1)按照合适的距离在结构不同方向上布置传感器对并在对应方向上施加冲击采集冲击响应信号。采用Shannon连续复数小波变换，从宽带的冲击响应信号中提取单频信号，根据单频信号的时间差以及传感器对的布置间距计算不同方向上的相速度。