专利名称：基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法
技术领域：
本发明涉及一种基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，属于航空结构健康监测技术领域。
背景技术：
复合材料结构在航空航天、地面轨道交通、石化冶金等各个工业领域得到了广泛的应用，尤其是在军民用飞机上已开始越来越多地使用先进复合材料结构以达到减重和抗疲劳的目的。然而，复合材料在服役过程中不可避免的要承受各种外来物体的冲击，如鸟撞、机场碎石等，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事件的在线监测及定位，保障结构安全性和降低结构维护费用具有迫切的应用需求。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。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经过比较器阵列以后转换为数字序列，根据数字序列的特征实现冲击区域的报警，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和冲击报警结果等多个特点。冲击监测系统在得到数字序列以后，需要配备准确有效的冲击区域报警方法才能真正实现其监测冲击事件的功能。针对复合材料结构冲击的定位问题，基于时间反转的冲击监测方法因其具有提高信号信噪比、自动补偿信号的频散效应等优点得到了广泛的研究。但该方法需要获取冲击信号在结构上传播的传递函数，限制了该方法的应用。所以，近年来，一种基于相位合成时间反转聚焦的冲击成像定位方法被提出，该方法通过被动结构健康监测系统获取的压电传感器阵列的冲击响应信号阵列，依靠冲击信号在结构中的传播速度对冲击响应信号中的窄带信号频率成分进行时间反转合成聚焦，可以实现冲击事件的成像及精确的定位，解决了基于时间反转的冲击监测方法依赖传递函数的问题。但是该方法目前需要在得到冲击响应信号的情况下才能实施，单纯依靠冲击监测系统获得的数字序列阵列无法应用该方法。因为冲击响应信号在转换为数字序列后，相位合成时间反转聚焦方法所需的信号频率成分的信息丢失了。

发明内容
本发明提出的一种基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，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，对冲击事件进行成像和区域报警，为冲击监测系统提供一种准确有效的冲击区域报警方法。起到在结构的事后维护时，指示冲击事件发生的区域，缩小采用无损检测方法需要实施检测的结构面积、缩短维护时间和降低维护成本的目的。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，包括如下步骤:
(1)根据冲击监测系统获得数字序列阵列，估计冲击响应信号阵列的频率带宽；
(2)采用正弦调制窄带信号构造数字序列阵列对应的冲击响应特征信号阵列；
(3)基于构造的冲击响应特征信号阵列，采用相位合成时间反转聚焦成像方法对冲击事件发生的位置进行搜索成像；
(4)根据得到的图像，基于误差椭圆方法判别冲击事件发生的区域。所述步骤(1)中冲击响应信号阵列的频率带宽的估计方法，包括如下步骤:
M*设由11个通道的数字序列组成数字序列阵列，计算单个通道的数字序列中每个上
升沿所对应的信号频率,表达式如下，其中表示第i个通道的数字序列中第J个上升沿的持续时间:
权利要求
1.一种基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)根据冲击监测系统获得数字序列阵列，估计冲击响应信号阵列的频率带宽； (2)采用正弦调制窄带信号构造数字序列阵列对应的冲击响应特征信号阵列； (3)基于构造的冲击响应特征信号阵列，采用相位合成时间反转聚焦成像方法对冲击事件发生的位置进行搜索成像； (4)根据得到的图像，基于误差椭圆方法判别冲击事件发生的区域。
2.根据权利要求1所述的基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，其特征在于，步骤(I)中冲击响应信号阵列的频率带宽的估计方法，包括如下步骤: ①设由《个通道的数字序列组成数字序列阵列，计算单个通道的数字序列中每个上升沿所对应的信号频率Fmy ,表达式如下，其中I150u表示第i个通道的数字序列中第J个上升沿的持续时间:
3.根据权利要求1所述的基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，其特征在于，所述步骤(2)用于构造数字序列阵列对应的冲击响应特征信号阵列的正弦调制窄带信号的中心频率
4.根据权利要求1所述的基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，其特征在于，在所述步骤(3)的相位合成时间反转聚焦成像过程中，冲击响应特征信号阵列在监测区域中的搜索位置U，y)处的时间反转相位合成信号的计算表达式如下:
5.根据权利要求1所述的基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，其特征在于，所述步骤(4)基于误差椭圆方法判别冲击事件发生的区域的方法如下: 'Ti首先找到冲击区域图像的像素值矩阵中，像素值最大值点对应的坐标为(JCffl , ym ),并设定阈值IW ； ②其次找出像素值矩阵中像素值大于等于设定阈值TW的像素值点对应的坐标(Xk , yk )，共计r个坐标点，JT为像素值大于等于设定阈值的像素值总点数； φ然后计算这I个坐标点与坐标(Xm，ym )的横纵坐标的均方差，表达式如下:
全文摘要
本发明公开了一种基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，属于航空结构健康监测技术领域。该方法根据冲击监测系统获得数字序列阵列，估计冲击响应信号阵列的频率带宽；采用正弦调制窄带信号构造数字序列阵列对应的冲击响应特征信号阵列；基于构造的冲击响应特征信号阵列，采用相位合成时间反转聚焦成像方法对冲击事件发生的位置进行搜索成像；根据得到的图像，基于误差椭圆方法判别冲击事件发生的区域。本发明解决了依靠数字序列无法实现相位合成时间反转聚焦成像的问题，扩展了基于时间反转的冲击监测方法的应用范围。
文档编号G01P15/00GK103149383SQ201310048298
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者邱雷, 袁慎芳, 钱伟峰, 梅寒飞 申请人:南京航空航天大学