一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法

摘要

本发明公开了一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法，其包括下列步骤：步骤一：采集损伤散射信号；步骤二：时间反转处理；步骤三：损伤散射信号聚焦；本方法应用了传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，无需其他特殊设备采用卷积运算处理实现损伤监测系统中Lamb波信号的聚焦，提高损伤散射信号的信噪比，简化特征参数提取方法，从而提高监测系统的准确性和稳定性。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种在常规通用设备条件下实现主动Lamb波结构损伤监测信号时间反转聚焦增强，从而实现工程结构损伤监测的方法。

二、背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和诊断日益引起人们的高度重视，为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对结构进行有效的监测。

结构损伤的在线监测要求相关信号发生和采集设备要相对简单，监测必须具有很高的实时性和准确性。板类结构的损伤监测一般采用主动Lamb波的方法，即在结构表面或内部集成一定数量的激励器和传感器，如压电元件，除此之外，整个监测系统还包括信号发生装置、功率放大器、信号放大器和数采设备等，在监测时首先向结构中激励一定的波形，通过传感器接收结构的响应以及损伤产生的散射波，采集到计算机中，计算机程序根据损伤散射波的到达时刻、相位等信息确定损伤的位置和范围。根据Lamb波传播理论，Lamb波在板结构内的传播过程中存在模式变换，各模态信号对损伤有不同的敏感程度和响应，同时被监测结构一般都较为复杂，传感信号中将混叠有大量的由边界、螺钉孔、加筋等引起的散射信号，这些干扰信号与损伤散射信号的产生机理相同，因此具有相同的时频域特征，也就很难将他们区分开来。这些问题对正确的分析声波传播过程以及提取损伤散射信号的特征参数带来了困难，尤其是在复合材料板类结构损伤监测中，由于存在各向异性，使得这一问题变得更加复杂。例如：目前飞行器结构采用了大量的复合材料，且结构都很复杂，要研究飞行器结构的在线损伤监测必须首先克服损伤散射信号的提取问题。因此，必须对损伤散射信号进行有效放大，以正确提取出与损伤相关的特征参数，保证监测结果的真实性、有效性和稳定性。

时间反转(在频域里称作相共轭)聚焦方法是指传感阵列接收到声源发射的时域信号后，将其信号时反，再发射出去，即先到后发、后到先发。该方法可以使信号的能量在空间和时间上得到聚焦，通过这种聚焦实现声源信号重构，是一种不需要介质和传感器数组性质和结构的先验知识就可以实现声波自适应聚焦和检测的方法。该理论对波源的自适应聚焦能力被证明可以用来实现常规超声波无损检测中对损伤处的信号聚焦，借此提高损伤散射信号的能量，提高传感信号的信噪比。但目前的信号时间反转聚焦方法都是在较为复杂的设备条件下实现的，对传感器/激励器阵列、信号发生器、数据采集设备等都有很高的要求，显然不满足在线结构损伤监测的要求；同时，在板类结构的主动Lamb波损伤监测中，Lamb波传播无方向性，各传感器在接收损伤聚焦增强散射信号的同时，也在接收各传感器激发的时间反转信号，这些信号将叠加在一起难以区分。因此，在主动Lamb波结构健康监测技术中采用常规的设备和方法难以获取聚焦增强的损伤散射信号，必须采用新的处理方法和技术实现损伤散射信号的聚焦和采集。

三、发明内容

1、技术问题：本发明的技术问题是提供一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法，本方法应用了传感器/激励器阵列技术，在现有结构损伤监测设备条件基础上，无需其他特殊设备采用卷积运算处理实现损伤监测系统中Lamb波信号的聚焦，提高损伤散射信号的信噪比，简化特征参数提取方法，从而提高监测系统的准确性和稳定性。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的方法包括下列步骤：

(1)采集结构响应信号：

包括下列步骤：

(1.1)在结构上布置一组压电元件组成传感/激励阵列；

(1.2)通过函数发生器和功率放大器将Lamb波窄带信号加载到步骤(1.1)中压电元件组的一个压电激励元件(P_j)上，在结构中激发激励信号；同时选定压电元件组中另一个压电元件(P_i)作为传感器采集结构响应；

(1.3)以健康状态下的结构响应为基信号，将损伤状态下的结构响应与其相减，得到损伤散射信号；

(1.4)依次选定压电元件组的压电元件作为激励器，得到所有激励/传感通道下的损伤散射信号(f_ji)(i，j＝1，2，3…)；

(2)时间反转处理：

根据步骤(1)采集到的损伤散射信号(f_ji)能量的衰减程度，进行时间反转处理，得到经过处理的损伤散谢信号(f’_ji)；进行时间反转处理时，选定相同的开始时刻和时间长度形成时间窗口，使响应信号的能量集中在该时间窗口中，将时间窗口内的信号反转；

(3)损伤散射信号聚焦：

把步骤(2)得到的经时间反转处理的损伤散射信号(f’_ji)与步骤(1)中未经反转处理的损伤散射信号(f_ji)对应卷积，再将卷积结果对应累加实现各传感器(P_i)上的损伤散射信号聚焦增强，以利于结构损伤状态的辩识，从而实现结构损伤监测。

在本步骤中，把所有经截取并时间反转处理后的损伤散射信号与处理前的所有损伤散射信号按照声波激励——损伤散射——传感的过程规律进行对应卷积，将卷积结果对应累加实现各传感器上的损伤散射聚焦信号。

在进行结构损伤状态辩识时，首先进行特征参数的提取，如在步骤(3)得到的损伤散射聚焦信号中，提取峰值到达时刻作为损伤散射信号到达时刻，以此为特征参数，进行损伤检测，得到损伤的位置和范围，从而分析、判定得到被监测结构的健康情况。可采用常用的损伤检测方法，例如四点圆弧定位法、椭圆定位法等方法，计算出损伤的位置，完成结构健康状况的监测。

本发明的基本原理是：在确定了频厚积时，Lamb波信号的传播特性随之确定，速度等参数也就确定。因此，可以采用信号与系统理论，将信号激励、传播与传感过程看成为一个系统，采用系统分析方法，对Lamb波传播过程进行分析和处理。在由激励元件、结构、传感器组成的系统中，激励元件可以看成是信号输入端，传感器为输出端，而结构可以用传递函数来描述，系统的输出就可以看作激励信号与结构传递函数的卷积。在结构发生损伤时，各传感器接收到的Lamb信号中均包含来自同一损伤的散射信号，而各自包含的其他边界散射信号来自不同位置的散射体，因此只有损伤在整个信号的传播过程中起到了波源作用。利用时间反转理论对波源的自适应聚焦能力，通过将各传感信号时间反转聚焦可加强损伤处信号的强度，进而提高损伤散射信号的能量，而边界散射信号由于不具备波源的特征，将得不到聚焦加强，从而突出损伤散射信号，提高信号的信噪比。基于系统分析方法，采用卷积处理可在计算机中实现这一过程，从而在不需要其他设备条件的基础上实现对损伤散射信号的聚焦增强和信噪比提高。本发明方法根据信号系统理论方法，按照时间反转聚焦的基本原理，采用卷积运算实现损伤散射信号的聚焦增强处理，解决损伤散射信号的再接收问题，可以在有限设备条件下有效实现信号的信噪比提高，有利于推动结构健康监测技术的推广和应用。

以下结合计算公式进一步说明本方法：

根据信号系统理论，当P_j为激励器时，可以设定从激励元件到损伤处的信号传递函数为H_jD(ω)，而损伤处到各传感器的传递函数为H_Di(ω)，(i，j＝1，2，3……)，则传感器P_i上接收到的损伤散射信号f_ji的频谱F_ji(ω)为：

F_ji(ω)＝S(ω)·H_jD(ω)·H_Di(ω)    (3-1)

将传感信号时反加载，则在损伤处可以得到：

$D_t\left(\omega \right)=\underset{i}{\Sigma }{S}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right)·H_{D}i\left(\omega \right)$(3-2)

$=S^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·\underset{i}{\Sigma }{H}_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}\left(\omega \right)$

各传感器接收到的增强了的损伤散射信号将转变为：

$R_k\left(\omega \right)=H_{\mathrm{Dk}}\left(\omega \right)·S^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·\underset{i}{\Sigma }{H}_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}\left(\omega \right)$(3-3)

$=\underset{i}{\Sigma }(S^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right))·(H_{\mathrm{Di}}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Dk}}\left(\omega \right))$

其中k＝1，2，3，……。

从式(3-3)中不难发现，“S^*(ω)·H_jD^*(ω)·H_Di^*(ω)”为传感器P_i接收初始激励元件P_j激励时的损伤散射信号的时间反转信号，而“H_Di(ω)·H_Dk(ω)”恰为压电元件P_i作为激励元件、压电元件P_k作为传感器时的损伤散射传感通道的传递函数。在实际操作中，为了减少运算可以不用求取监测通道的传递函数，在(3-3)式两端同卷积S(ω)，则(3-3)可写成：

$R_k^{\prime }\left(\omega \right)=R_k\left(\omega \right)·S\left(\omega \right)=H_{\mathrm{Dk}}\left(\omega \right)·S^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·\underset{i}{\Sigma }{H}_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}\left(\omega \right)·S\left(\omega \right)$(3-4)

$=\underset{i}{\Sigma }(S^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{jD}}^{*}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Di}}^{*}\left(\omega \right))·(H_{\mathrm{Di}}\left(\omega \right)·H_{\mathrm{Dk}}\left(\omega \right)·S\left(\omega \right))$

上式中H_Di(ω)·H_Dk(ω)·S(ω)为压电元件P_i作为激励元件、压电元件P_k作为传感器时的损伤散射信号，这样的处理将大大降低实际处理的难度和运算量，同时并不会改变传递函数，只与激励信号的形式有关，因此并不会给损伤定位带来影响。

上述的公式中，式(3-1)、式(3-2)、式(3-4)分别表达了步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)的操作过程。

3、有益效果：(1)本发明的方法提高了基于主动Lamb波技术的结构损伤监测方法的信号信噪比，有利于该项技术的实用化。如图2、图4所示，对于同样的设备参数情况，采用本发明方法处理得到的损伤散射信号的幅值明显增强，为整个信号中能量最大的波包，而采用传统方法时，不能保证传感信号中能量最大的波包为损伤散射信号，如图2c中的f₃₄、f₄₂等；(2)本发明的方法在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统就可以实现；(3)本发明实现方法简单，无需知道监测对象和传感器阵列的先验知识；(4)本发明可以简化时域特征参数的提取。损伤信号的达到时刻是采用最多的特征参数，在传统方法中，由于传感信号中混叠了大量边界反射信号，需要采用较为复杂的信号处理技术得出损伤信号达到时刻，而本发明方法只需确定最大峰值点对应的时刻即可。

四、附图说明

图1本发明方法原理示意图；

图中：a、基于压电阵列的损伤传感过程；b、损伤散射信号反转聚焦再传感过程；

图2由4压电片组成传感器/激励器阵列时由传统方法得到的损伤散射信号图；

图中：a、由4个压电元件组成的传感/激励阵列布局示意图和试件原件(压电片间距15cm～20cm，试件为碳纤维复合材料板)；b、激励信号波形时域图；c、各损伤散射信号归一化波形时域图；

图3对图2中归一化损伤散射信号进行时间反转处理后的结果示意图；

图4采用本发明的方法得到的增强损伤散射信号包络图(压电元件3作为初始激励元件)；

图中：a、压电片1处的聚焦信号包络线图；b、压电片2处的聚焦信号包络线图；c、压电片4处的聚焦信号包络线图；

图5损伤信号时间反转聚焦增强处理流程图。

五、具体实施方式

本实施例采用如图2(a)所示的试件及压电元件布局。其中试件为碳纤维增强复合材料板，尺寸为500mm×500mm×3mm，压电元件数量为4，其中3个元件按对称位置布置，为考察距离对信号的影响，最后一个压电元件偏移对称位50mm，以试件板左下角为坐标原点，4个压电元件的坐标分别为1(175mm，175mm)、2(175mm，325mm)、3(325mm，375mm)、4(325mm，175mm)。实施例采用加载砝码的方式模拟损伤的发生，加载位置坐标为(250mm，285mm)，直径19mm。

如图4所示，本实施例包括下列步骤：

(1)采集结构响应信号：

如图2(a)所示，在结构上根据监测内容和区域布置4个压电元件组成传感/激励阵列，通过函数发生器和功率放大器将设定的窄带信号加载到选定的压电激励元件P_j上，在结构中激发激励信号，该信号为正弦调制信号，中心频率40KHz，如图2(b)所示；选定其他压电元件P_i(i，j＝1，2，3…)作为传感器，经电荷放大器放大将结构响应信号采集到控制计算机中，完成一组测量。以健康状态下的结构响应为基信号，将损伤状态下的结构响应与其相减，得到的差信号为损伤引起的损伤散射信号f_ji，以信号峰值为参数，将f_ji进行归一化处理。轮流选定压电元件作为激励器，得到所有激励/传感通道下的归一化损伤散射信号，如图2(c)所示。

本实施例方法所使用的硬件部分与传统方法监测系统的硬件部分相同，一般由以下部分组成：控制计算机、压电激励/传感网络、多路切换开关、函数发生器、功率放大器、电荷放大器/电压放大器和数据采集装置；

(2)时间反转处理：

根据步骤(1)采集到的结构响应信号能量的衰减程度，选定相同的开始时刻和时间长度形成时间窗口，使该时窗截取的信号的能量为整个响应信号总能量的主体部分，将时窗内的信号反转，得到时反损伤散射信号f’_ji，如图3所示；

(3)损伤散射信号聚焦：

采用式(3-3)或(3-4)表述的处理方法，将所有信号f’_ji与f_ji按照声波激励——损伤散射——传感的过程规律进行对应卷积，将卷积结果对应累加实现各传感器上的损伤散射聚焦信号，聚焦累加过程及结果如图4所示，此结果中压电元件3为初始激励元件，为了便于清楚的看出聚焦过程，波形显示采用了包络线形式；

(4)特征参数提取和结构健康状态辨识：

所有信号处理完毕后，在所得到的各损伤散射聚焦信号中以峰值到达时刻作为特征参数，计算出损伤的位置和范围，分析、判定被监测结构的健康情况。

对于传感器阵列中压电元件的个数，可以根据待监测结构的实际情况进行确定，理论上3个压电元件就可以组成一个监测单元，结构较大时根据情况可通过布置多个压电元件组成传感网络，采用扫查的方式进行，网络中每一单元的监测具体步骤相同。