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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明涉及一种基于声发射的航天器结构碰撞、泄漏一体化检测方法，包括1系统搭建；2建立映射网格；3判断信号类型；4输出定位结果。本发明利用一套系统实现碰撞检测和泄漏检测两种功能，且没有对结构的连续性的要求，可以在含有不连续结构的复杂待测表面上实现测量，能够满足航天器结构健康监测的两种定位需求，有利于航天器在运行中及早发现碰撞和泄漏的发生并确定其发生位置，对在轨航天器的结构健康检测具有重要的意义。

主权项：1.一种基于声发射的航天器结构碰撞、泄漏一体化检测方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1系统搭建：所述方法采用的检测系统包括数据采集卡、计算机、若干声发射传感器及前置放大器，所述若干声发射传感器预先分布式耦合布置于待测航天器结构表面选定位置，用以接收碰撞和泄漏事件产生的声信号，每一行和每一列中的声发射传感器均以一个固定间隔排列，组成声发射传感器网络阵列；将待测航天器结构表面均匀分布的声发射传感器进行单元划分，以四个声发射传感器为一个小单元，待测航天器结构分为若干个小单元，在每个小单元中，以单元几何中心位置为原点，建立直角坐标系，将小单元分为四个象限，使得每个小单元的四个象限中均各有一个声发射传感器，并将其分别命名为该单元的1、2、3、4号传感器；所述若干声发射传感器均依次连接所述若干前置放大器，将声发射传感器接收到的微弱信号进行放大；所述前置放大器均依次连接至所述数据采集卡及计算机，对声发射传感器接收到的信号数据进行采集并进行后续的数据处理；2建立映射网格：以一个小单元作为分析处理的最小单元，在小单元内部进行网格划分，生成若干个网格节点，建立每个网格节点相对应的特征向量，由于碰撞信号与泄漏信号具有不同的特征，故每个网格节点均需建立两个特征向量：a.对于碰撞信号，计算每个节点的理论时间差特征矩阵，声信号在平板中沿最短路径进行传播，若碰撞点位于xp,yp，第i号传感器位于xi,yi，碰撞信号传播路径直线距离为： 作差得到每两个传感器信号之间的路径差Δl，共可得到六组理论路径差值；由于兰姆波中S0模态传播速度最快，在时域中不易受其他模态影响，故以S0模态的到达时刻作为信号的到达时刻，认为在低频段内S0模态兰姆波的传播速度变化较小近似为定值，故将理论路径差值除以声速即可得到理论时间差值：Δti＝Δlivi＝1,2,...,6六组理论时间差值构成一个向量T，该理论时间差值仅与节点位置有关：T＝[Δt1,Δt2,...,Δt6]此向量即为该网格节点的碰撞特征向量；b.对于泄漏信号，以四个声发射传感器的其中一个作为参考传感器，其余三个声发射传感器作为测量传感器，对每个点施加激励获得特征比向量；使用信号发生器在网格节点处产生激励信号，以模仿泄漏时产生的连续声信号，模拟信号的类型为啁啾Chirp信号，信号频率为50kHz～300kHz，信号激励周期为10ms，激励时间持续1s，针对每个网格采集的信号均提取其频域特征值，传感器对信号进行采集，由于信号中A0模态能量最大，故选取信号A0模态作为后续处理的特征模态，通过傅里叶变换，得到各个网格点信号对应各个通道信号的频域信息，传感器i采集的信号可以表示为： 其中：αi表示传播衰减系数，它与边界反射、兰姆波的频散现象和衰减程度有关；Pi表示编号为i的传感器的频率响应函数；Af表示信号频率函数的信号幅度；φi表示信号的相位，当提取频域中的能量信息时不需要考虑信号的相位函数；将三个测量传感器接收到的信号与选定作为参考传感器接收到的信号进行比较，得到比值V： 由于信号传播到传感器的路径在生成时针对每个网格点都是恒定的，测量时使用的传感器位置和使用型号是固定不变的，因此，两个通道信号的衰减系数比值和频率响应系数比值都是固定值，不同信号之间的特征比率仅与板中的信号传播路径有关；将接收信号在频域上划分成多个频带，每个频段的能量之和可以表示特征值Qij，其中i表示第i个传感器，j表示第j个频率分段，特征比Rj可以表示为： 特征比向量V可以表示为：V＝[R1,R2,...,Rn]此向量即为该网格节点的泄漏特征向量；3判断信号类型：根据碰撞信号和泄漏信号的不同特征，利用能量比较法对两种情况进行区分判断：当编号为i的传感器接收到未知声发射信号Sit时，用一个多尺度的滑动窗口去两侧进行比较，寻找信号局部最大值，测定信号峰值出现的时刻tm，选取峰值区域的能量作为能量参考值Em，设信号采样5000个点所需对应的时间为t0，则定义： 选取一定时长后的时域信号区域的能量值Et，其定义为： 将取峰值区域的能量值与一定时长后的时域信号区域的能量值进行比较，如果有Et≤0.7Em，认为两者之间能量差距较大，符合碰撞事件的特征，则判断为碰撞事件；反之，则判断为泄漏事件；4输出定位结果：根据判断的结果，对信号进行不同方法的处理，实现最终的定位，输出定位结果：a、若判断结果为碰撞事件，则首先对四个声发射接收到的信号进行处理，声发射信号在薄板结构中以兰姆波的形式进行传播，兰姆波具有多模态和频散的特性，各个模态的波速不同，根据兰姆波频散曲线以及信号的特征，对信号进行带通滤波处理，滤除噪声信号并选取保留信号中兰姆波特征较为明显的频段，便于后续信号处理的进行，用Gf表示带通滤波器的传递函数，则编号为i的传感器接收到未知声发射信号Sit经过初步滤波处理后的信号可以表达为：xit＝SitGf之后采用广义加权相关时延估计算法进行时差提取，将滤波后的传感器信号xit进行傅里叶变换，获得信号的频域数据Xif，四个传感器两两之间进行互相关计算，即对其中一个信号频谱取共轭后与另一个信号频谱相乘，得到两段信号xit和xjt的互相关信号Xijf：Xijf＝XifXj*f根据环境选择合适的加权函数Hf进行加权，计算两段信号数据加权后的的互功率谱Rijτ： 再将加权后的互功率谱进行反傅里叶变换，获得时域数据，检测时域数据的峰值位置，根据互相关峰值所在位置可计算出时延估计值，得到信号达到两个传感器的时间差；每两个传感器信号之间均进行一次计算，因此可得到共六组实际到达时间差值，构成实际时间差值向量T’；将实际时间差值向量与每个网格节点的特征向量进行对比，设第i行、第j列位置网格节点的碰撞特征向量与未知声源信号的实际时间差向量误差最小，则该节点被认为是最佳匹配位置：x,y＝min{|T'-Tij|}|x,y向量匹配性最高差值最小的节点即为碰撞源，该节点对应的坐标x,y即为碰撞源位置，实现最终定位；b.若判断结果为泄漏事件，则传感器采集未知泄漏源的信号；首先，通过经验小波变换EWT方法对信号进行预处理，该方法是一种针对非平稳信号的自适应分解方法，能够自适应选择频带，可以克服由于信号时频尺度不连续引发的模态混叠问题；先将泄漏信号进行傅里叶变换，归一化处理到2π的范围内，将信号的归一化傅里叶谱划分成N个连续的区间，各段之间的边界为ωnn＝0,1,...,N，其中ω0＝0、ωN＝π，搜索频谱的局部极大值以确定其余N-1个边界，假设算法找到频谱中M个极大值点，对其降序排列，当M≥N时，保留前N-1个极大值作为边界值，当MN时，保留全部极大值并修正N值令N＝M，然后定义了以边界ωn为中心、宽度为2τn的过渡段，其宽度定义为： 在每个小区间[ωn-1,ωn]n＝0,1,...,N上构造小波滤波器组进行滤波，经验小波函数ψnω和经验尺度函数可以表示为： 其中：βx＝x435-84x+70x2-20x3，由上式构造出小波滤波器组，对信号进行分解和模态分离，EWT处理后得到的A0模态信号可表示为： 之后通过与步骤2b.中相同的方法构建实际连续声信号的频域特征比向量，构造实际特征比向量V’；将未知泄漏源的特征比向量与每个节点的特征向量进行匹配，通过最小方差法对信号的匹配程度进行评估，设第i行第j列位置网格节点的频域特征比向量与未知声源信号的频域特征比向量误差最小，则该节点被认为是最佳匹配位置：x,y＝min{|V'-Vij|}|x,y该节点对应的坐标x,y即为泄漏源位置，实现最终定位。

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百度查询： 天津大学 一种基于声发射的航天器结构碰撞、泄漏一体化检测方法