一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，構(gòu)造壓電線陣，按相控陣原理定向激發(fā)和接收Lamb波信號(hào)，對(duì)采集的收Lamb波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，選取測(cè)量矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行投影變換，構(gòu)造重構(gòu)算法精確恢復(fù)Lamb波響應(yīng)信號(hào)，并與原始信號(hào)比較。本發(fā)明基于壓縮感知原理，降低數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量，提高傳感器陣列的效能，實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣傳感器陣列低采樣率采集Lamb波信號(hào)的精確重構(gòu)。
【專利說明】一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及了一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)利用傳感器技術(shù)及先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理方法，在結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生初期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)智能結(jié)構(gòu)狀態(tài)和故障，及時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)中的損傷，保證工程系統(tǒng)安全運(yùn)行，減少或避免災(zāi)難性事故，具有非常重要的意義。相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)通過控制傳感器陣列中每個(gè)傳感器的發(fā)射和接收的時(shí)間延遲而控制Lamb波波束監(jiān)測(cè)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的定向掃描，識(shí)別復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的損傷，Lamb波波束的定向掃描可以提高信號(hào)的信噪比。但是相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)過程中，傳感器陣列包含的傳感器數(shù)量較多，而且按傳統(tǒng)的Nyquist采樣定理進(jìn)行采樣時(shí)，采集的各Lamb波響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。由于采集信號(hào)的數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、后期信號(hào)處理與存儲(chǔ)壓力大等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，基于壓縮感知原理，降低數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量，提高傳感器陣列的效能，實(shí)現(xiàn)對(duì)相控陣傳感器陣列低采樣率采集Lamb波信號(hào)的精確重構(gòu)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，包括以下步驟:
(1)在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上布置由#個(gè)壓電片組成的線形陣列；
(2)將激勵(lì)信號(hào)按照線形陣列的排列順序依次施加在某個(gè)壓電片上，形成在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中特定方向傳播的Lamb波信號(hào)，此時(shí)其余壓電片也按照線形陣列的排列順序依次接收在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中特定方向傳播的Lamb波響應(yīng)信號(hào)；
(3)選定稀疏基，對(duì)步驟(2)采集的Lamb波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，當(dāng)Lamb波響應(yīng)信號(hào)不滿足稀疏條件時(shí)，通過稀疏系數(shù)的重新排列使其能夠近似稀疏表示；
(4)選定一個(gè)平穩(wěn)且與稀疏基不相關(guān)的測(cè)量矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行投影變換；
(5)構(gòu)造穩(wěn)定、計(jì)算復(fù)雜度低且對(duì)觀測(cè)數(shù)量要求少的重構(gòu)算法來恢復(fù)Lamb波響應(yīng)信號(hào)，并與原始Lamb波響應(yīng)信號(hào)比較。
[0005]其中，步驟(I)中#的取值為8。
[0006]其中，步驟(2)中的激勵(lì)信號(hào)為窄帶信號(hào)。
[0007]其中，步驟(3)中的稀疏基為離散余弦變換。
[0008]其中，步驟(4)中的測(cè)量矩陣為高斯隨機(jī)觀測(cè)矩陣。
[0009]其中，步驟(5)中的重構(gòu)算法為正交匹配跟蹤法。
[0010]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果:
(I)本發(fā)明充分利用信號(hào)的可壓縮性和稀疏性，利用低于NyquiSt采樣定律要求的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，精確恢復(fù)相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中Lamb波信號(hào)，因此只要利用低采樣率數(shù)據(jù)采集設(shè)備即可，對(duì)設(shè)備要求較低，且簡(jiǎn)單易行；
(2)本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)相控陣Lamb波信號(hào)的壓縮采樣，克服相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于采集數(shù)據(jù)量大而導(dǎo)致的傳輸、存儲(chǔ)與信號(hào)處理問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中試件及壓電線陣的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的激勵(lì)信號(hào)時(shí)域圖。
[0014]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的Lamb波響應(yīng)信號(hào)時(shí)域圖。
[0015]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中的Lamb波響應(yīng)信號(hào)的DCT稀疏系數(shù)時(shí)域圖。
[0016]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中經(jīng)高斯隨機(jī)觀測(cè)矩陣投影得到的信號(hào)示意圖。
[0017]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中基于正交匹配追蹤法的Lamb波信號(hào)與原始信號(hào)的對(duì)比圖，包括(a)、(b)兩幅圖，分別為整體對(duì)比圖和局部對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]本發(fā)明的具體步驟已在
【發(fā)明內(nèi)容】
中敘述，如圖1所示。
[0020]在本實(shí)施例中，待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象為L(zhǎng)F-21M防銹鋁板，圖2給出LF-21M防銹鋁板的尺寸以及及壓電線陣的布置情況，鋁板試件結(jié)構(gòu)尺寸為1200mmX2000mmXl.5mm，在鋁板上布置8個(gè)壓電片(標(biāo)號(hào)為0、1、2、3、4、5、6、7)組成一個(gè)壓電線陣，壓電片采用PZT壓電片，壓電片的直徑為8mm，厚度為0.48mm，相鄰兩個(gè)壓電片中心的距離為12mm。相控陣的坐標(biāo)原點(diǎn)距離LF-21M防銹鋁板的左邊沿的距離為759mm，距離LF-21M防銹鋁板的下邊沿的距離為584mm。各通道Lamb波數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn)。
[0021]根據(jù)相控陣原理，按一定時(shí)間順序控制發(fā)射特定指向的激勵(lì)信號(hào)和接收特定方向的Lamb波響應(yīng)信號(hào)，定向監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。圖3為本實(shí)施例的激勵(lì)信號(hào)時(shí)域圖，圖4為本實(shí)施例的Lamb波響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域圖。
[0022]將采集到的Lamb波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行稀疏變換，由于稀疏基與壓縮感知的性能有關(guān)，選取合適的稀疏基，能減少稀疏系數(shù)向量中的非零值個(gè)數(shù)，有效提高壓縮感知的效率，減少所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。本實(shí)施例選取離散余弦變換(DCT)作為稀疏基，從圖5中可以看出經(jīng)過DCT變換后的信號(hào)，大部分稀疏系數(shù)的值等于零或接近于零，符合稀疏信號(hào)的性質(zhì)。
[0023]利用平穩(wěn)且與稀疏基不相關(guān)的測(cè)量矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行投影變換。高斯隨機(jī)觀測(cè)矩陣與大多數(shù)固定正交基不相關(guān)，利用這一特性選取高斯矩陣作為測(cè)量矩陣。對(duì)于采集長(zhǎng)度為1024點(diǎn)的Lamb波信號(hào)，選取觀測(cè)值為400，完成信號(hào)投影，所得信號(hào)如圖6所示。
[0024]構(gòu)造穩(wěn)定的、計(jì)算復(fù)雜度低、對(duì)觀測(cè)數(shù)量要求少的重構(gòu)算法來精確的恢復(fù)信號(hào)。在本實(shí)施例中，利用正交匹配追蹤法作為重構(gòu)算法，重構(gòu)Lamb波響應(yīng)信號(hào)，并與原始的Lamb波響應(yīng)信號(hào)比較，如圖7所示，其中，圖(a)為原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)的整體比較圖，圖(b)為原始信號(hào)與重構(gòu)信號(hào)的局部放大圖。由圖7可知，經(jīng)本發(fā)明重構(gòu)的Lamb波響應(yīng)信號(hào)與原始響應(yīng)信號(hào)的重合度非常高。
[0025]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上布置由#個(gè)壓電片組成的線形陣列； (2)將激勵(lì)信號(hào)按照線形陣列的排列順序依次施加在某個(gè)壓電片上，形成在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中特定方向傳播的Lamb波信號(hào)，此時(shí)其余壓電片也按照線形陣列的排列順序依次接收在待監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中特定方向傳播的Lamb波響應(yīng)信號(hào)； (3)選定稀疏基，對(duì)步驟(2)采集的Lamb波響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，當(dāng)Lamb波響應(yīng)信號(hào)不滿足稀疏條件時(shí)，通過稀疏系數(shù)的重新排列使其能夠近似稀疏表示； (4)選定一個(gè)平穩(wěn)且與稀疏基不相關(guān)的測(cè)量矩陣對(duì)信號(hào)進(jìn)行投影變換； (5)構(gòu)造穩(wěn)定、計(jì)算復(fù)雜度低且對(duì)觀測(cè)數(shù)量要求少的重構(gòu)算法來恢復(fù)Lamb波響應(yīng)信號(hào)，并與原始Lamb波響應(yīng)信號(hào)比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于:步驟(I)中#的取值為8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于:步驟(2)中的激勵(lì)信號(hào)為窄帶信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于:步驟(3)中的稀疏基為離散余弦變換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于:步驟(4)中的測(cè)量矩陣為高斯隨機(jī)觀測(cè)矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相控陣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)Lamb波壓縮及重構(gòu)方法，其特征在于:步驟(5)中的重構(gòu)算法為正交匹配跟蹤法。
【文檔編號(hào)】G01N29/44GK104391040SQ201410686965
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】孫亞杰, 姜?jiǎng)? 張永宏, 季賽 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)