基于fbg傳感系統(tǒng)和二階統(tǒng)計量的聲發(fā)射定位系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及基于FBG(FiberBraggGrating,光纖光柵）傳感系統(tǒng)和二階統(tǒng)計量 的聲發(fā)射定位系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著現代工業(yè)的高速發(fā)展和新產品的更新換代，社會對產品的質量、結構安全及 可靠性要求越來越高?，F代工業(yè)設備的結構趨于復雜和大型化。并且設備長時間處于高載 荷的工況下，運就易使結構產生損傷積累和承載能力下降，甚至產生結構損毀。因此結構健 康狀況直接影響到社會安全和經濟的發(fā)展。因此對工程結構進行實時的監(jiān)測具有重大的戰(zhàn) 略意義，尤其對國防工程、航空航天工程、艦船和民用設備的實時監(jiān)測更為迫切。
[0003] 聲發(fā)射技術是結構健康監(jiān)測的重要手段之一。聲發(fā)射是材料中局部快速釋放能量 產生瞬態(tài)彈性波的現象。材料的變形，裂紋的產生和擴展，摩擦和撞擊等都會產生聲發(fā)射。 聲發(fā)射檢測技術其目的主要是為了獲取材料或結構中聲發(fā)射源的特征，定位聲發(fā)射源的位 置，了解聲發(fā)射的性質，從而判定結構的損傷狀況。因此，聲發(fā)射檢測技術是一種實時、可靠 的無損檢測手段，其具有大規(guī)模推廣的潛力。
[0004] 聲發(fā)射技術首要環(huán)節(jié)是定位出聲發(fā)射源的位置，只有確定聲發(fā)射源的位置才能找 出損傷可能產生的位置。因此，定位聲發(fā)射源是極為重要的。目前，聲發(fā)射源定位技術主要 包括=角定位法、雙曲線法、人工智能算法等。=角定位法和雙曲線定位法需提取準確的時 差進行定位，但由于聲發(fā)射信號具有頻散特性，所W精確的時差很難提取。而人工智能算法 包括神經網絡和支持向量機等算法，運些算法需要大量的培訓樣本，而在實際應用中培訓 樣本很難提取，且經濟性不高。因此，需要一種兼顧可靠性和實用性的聲發(fā)射定位技術。

【發(fā)明內容】
陽0化]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于FBG傳感系統(tǒng)和二階統(tǒng)計量 的聲發(fā)射定位系統(tǒng)及方法，它具有計算量小，耗時短，具有較高的定位精度和實時性的優(yōu) 點。
[0006] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] 基于FBG傳感系統(tǒng)和二階統(tǒng)計量的聲發(fā)射定位系統(tǒng)，包括：
[0008] 未經平坦的ASE(AmplifiedSpontaneous血ission,放大自發(fā)福射）光源，未經 平坦的ASE光源發(fā)出寬帶光，依次經過邊緣濾波器和第一禪合器，第一禪合器將光信號分 別傳輸給若干并列布置的第二禪合器，每個第二禪合器將信號傳輸給各自對應的光纖光柵 傳感器，光纖光柵傳感器等間距排列并粘貼在被檢測機構上；光纖光柵傳感器將設定波長 的光反射回來經第二禪合器傳輸至光電轉換電路，光電轉換電路將光信號轉換為電信號， 經放大器傳至數據采集系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)記錄全部信號變化；
[0009] 聲發(fā)射源產生高頻動態(tài)應力波，在高頻動態(tài)應力波的作用下，光纖光柵傳感器的 反射波長發(fā)生變化，通過光纖光柵傳感器反射的光功率的變化實現聲發(fā)射信號的解調； 解調得到的聲發(fā)射信號經過香農化annon小波轉換，提取窄帶信號；根據二階統(tǒng)計量的root-music算法計算出聲發(fā)射源相對于參考傳感器的方位角和距離，從而定位出聲發(fā)射源 的位置。
[0010] 光纖光柵傳感器共同組成線性傳感陣列。
[0011] 所述光纖光柵傳感器之間的間距為10mm。
[0012] 數據采集系統(tǒng)的采樣頻率為5MHz。
[0013] 基于線性傳感陣列和二階統(tǒng)計量的聲發(fā)射定位方法，步驟如下：
[0014] 步驟（1):光纖光柵傳感器共同組成線性傳感陣列；
[0015] 步驟（2):聲發(fā)射源產生高頻動態(tài)應力波，在高頻動態(tài)應力波的作用下，光纖光柵 傳感器的反射波長發(fā)生變化，通過光纖光柵傳感器反射的光功率的變化實現聲發(fā)射信號的 解調；
[0016] 步驟（3):對檢測到的聲發(fā)射信號進行香農化annon小波轉換，提取線性傳感陣列 的窄帶信號；計算線性傳感陣列的窄帶信號的自相關函數；
[0017] 步驟（4):定義二階統(tǒng)計量；
[0018] 步驟巧）：根據步驟（4)中的二階統(tǒng)計量定義，得到兩個自相關函數矩陣Ri和R2;
[0019] 步驟（6):對步驟妨中的兩個自相關函數矩陣Ri和R2分別作特征值分解，得到 兩個自相關函數矩陣中的信號子空間Esi和ES2;
[0020] 步驟（7)進一步解析步驟（6)中的信號子空間Esi和ES2;
[0021] 步驟（8):根據參數配對和步驟（7)的解析結果，通過root-music算法解出聲發(fā) 射源相對于參考傳感器的方位角和距離。
[0022] 所述步驟（1):設定中間的光纖光柵傳感器為參考傳感器，第1個傳感器接收到的 信號XI(t)表示為：
[00巧]其中，XI(t)表示第1個傳感器接收到的信號，t表示時間，bm表示信號幅值，Sm(t) 表示信號源信號，Ni(t)表示第1個傳感器的噪聲信號，j表示復數形式，1表示傳感器數，1 的數量要大于聲發(fā)射源數量，《"1=-2^(1/^3；[]1目。，巧",,=巧<：^2/^^^608 2(每），.(1表示傳感器 間距，A表示信號波長，0m表示聲發(fā)射源相對于參考傳感器的方向角。Tm表示聲發(fā)射源到 參考傳感器的距離。
[00%] 所述步驟（2)中光纖光柵傳感器的反射波長發(fā)生變化由數據采集系統(tǒng)記錄；
[0027] 未經平坦的ASE光源發(fā)出寬帶光，依次經過第一禪合器、第二禪合器進入光纖光 柵傳感器，光纖光柵傳感器將設定波長的光反射回來經第二禪合器傳輸至光電轉換電路， 光電轉換電路將光信號轉換為電信號，經放大器傳至數據采集系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)記錄全 部信號變化；
[002引所述步驟做中自相關函數r的計算方法為： LIN丄UO丄丄bUOt) A 'VJ !?* o/D JA
[0030]其中，X為光纖光柵傳感器線性傳感陣列接收的信號矩陣，X= [Xl(t)，而（t)，. ..，X2P4 (t) ]T;2p+ 1 表示傳感器數量。 陽03U 所述步驟（4)中定義二階統(tǒng)計量(-1，U和。(1+1，U :
[0034]其中，r.m為聲發(fā)射源信號的自相關函數，XI(t)為第1個傳感器接收到的信號，M 為聲發(fā)射源數目；
[00對所述步驟（5):根據步驟（4)中的二階統(tǒng)計量定義，得到兩個pXp自相關函數矩 陣Ri和R2;Ri和R2分別包含聲發(fā)射源相對于參考傳感器位置的方位角0和聲發(fā)射源相對 于參考傳感器位置的距離r;
[0036]在矩陣Ri和R2中，第化，U元素分別為： |；0037] Ri也D = (k-1, 1-k) (5)
[0038] R2化，1)=?；?l+l，k-l) 巧）
[0039] 其中，r郝r2為步驟（4)所定義的二階統(tǒng)計量； W40] 其中，R郝R2的向量形式為： W41]Ri=A(?)RsAH(co) +o2j (7)
陽0創(chuàng)其中，
W例所述步驟化）：對R郝R2分別進行特征值分解得：
[0050] Ri=圧S1 EnJ八1圧S1 Eni]h 巧）
[005 "I]尺2 -圧S2En2]A2 圧52En2] (10) 陽05引其中，A郝A2分別是R1和R2的特征值矩陣，ES1和ES2分別是R1和R2的最大的M個特征值對應的信號子空間；Ew和EW2分別是R1和R2的個最小特征值對應的特征向 量張成的噪聲子空間； 陽化引所述步驟（7):令曰=e2i。，舞二應Wp，公=龍擁*域和r=馬2*鉛，由此得兩個多項式：
[0056] 利用求根公式對公式（11)和公式（12)進行求根，得到a=a1，a2, ...，aM和 p=p1，p2,...，eM;曰和e中包含方位角0和距離r信息；
[0057] 其中，曰=e2.，u，o=-2 3Td/入sin白，
，
Esi和ES2分別是R1和R2的最大的M個特征值對應的信號子空 間。P表示傳感器數量，M聲發(fā)射信號源數。
[005引步驟做：根據參數配對和步驟（7)中的a和0，通過root-music算法：
[0059] 白i=sin1(angle(ai)A/(431d))和
[0060] !;= 2 31d2cos2 白i/ (入angle(Pi))
[0061] 解出聲發(fā)射源相對于參考傳感器的方位角和距離；
[0062] 其中，01表示第i個聲發(fā)射源相對于參考傳感器的方位角，angle(a1)表示a1 的相位參數，A表示信號波長，d表示傳感器間距，表示第i個聲發(fā)射源相對于參考傳感 器的距離，a1為步驟（7)中F(a)的第i個根，angle(P1)表示01的相位參數，P1為步 驟（7)中F(e)的第i個根。
[0063] 本發(fā)明的有益效果：
[0064] 本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵傳感器的聲發(fā)射定位方法，解決了傳統(tǒng)提取時差 的方法造成的定位誤差，進一步提高的定位精度。 陽〇化]本發(fā)明提供了聲發(fā)射源實時定位的系統(tǒng)和方法，通過光纖光柵傳感器獲取聲發(fā)射 信號，根據邊緣濾波的方法實現聲發(fā)射信號的高頻解調。使用二階統(tǒng)計量的root-music算 法計算出聲發(fā)射源的位置。從而實現聲發(fā)射源的實時定位
[0066] 本發(fā)明不需要大量的培訓樣本及提取信號時差，通過對陣列信號進行二階統(tǒng)計的 root-music計算，可W很好的定位出聲發(fā)射源的位置，并且計算量小，耗時短，具有較高的 定位精度和實時性，可有效地應用于結構的聲發(fā)射定位。
【附圖說明】
[0067] 圖1傳感器布局圖；
[0068] 圖2光纖光柵陣列聲發(fā)射定位系統(tǒng)圖；
[0069] 圖3聲發(fā)射信號圖；
[0070] 圖4提取窄帶信號圖； W71] 圖5定位原理圖； 陽072] 圖6定位計算結果圖。
【具體實施方式】
[0073] 下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0074] 為了更好地說明基于光纖光柵陣列的二階統(tǒng)計root-music聲發(fā)射定位的具體實 施步驟，運里在侶合金板上說明具體的實施過程。 陽0巧]1.系統(tǒng)設置
[0076] 侶合金板的尺寸為SOOmmX500mmX2mm，如圖1所示，在板內設定一個 400mmX400mm的監(jiān)測區(qū)域，在區(qū)域下方粘貼7個高靈敏度光纖光柵傳感器，設置中間的傳 感器為參考傳感器。光纖光柵傳感器的反射波長為1534. 995nm(此波長處于未平坦ASE光 源的斜率最大的邊緣上，使系統(tǒng)具有較高的解調靈敏度）。柵區(qū)長度為10mm。