專利名稱：基于時間和空間域導向波模式的識別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種電信技術領域的模式識別方法，具體是一種基于時間和 空間域導向波模式的識別方法。
背景技術：
導向波是一種可以在板殼結構中傳播的超聲波，它的重要內在特性是其頻散 特性，即當導向波在板殼結構中傳播時，至少有兩種模式(對稱模式和反對稱模 式)的導向波會同時在板殼結構中傳播；而且導向波的能量會在時間和空間域展 開；同時，各種模式的導向波在板殼結構中的傳播速度隨著板殼結構厚度與導向 波頻率的乘積的改變而變化(I.A. Viktorov，《瑞利波和蘭姆波》，紐約，Plenum 出版社，1967)。
由于可以在板殼結構中低衰減、遠距離地傳播，目前導向波已經開始被應用 于航空航天飛行器(例如飛機)和海洋船舶的損傷檢測和定位，簡稱結構健康性 監(jiān)測。在工程應用中，導向波的頻散特性是不可避免的；而這種頻散特性在很大 程度上限制了導向波在結構健康性監(jiān)測領域的應用。為了最大限度地降低導向波 頻散特性對結構健康性監(jiān)測應用的影響，目前通常采用窄頻帶的波作為導向波激 勵波；同時，采用特殊的激勵方法來降低多模式導向波并存對結構健康性監(jiān)測應 用的影響。
經對現(xiàn)有技術文獻資料的檢索發(fā)現(xiàn)A. Gachagan， G. Hayward， R. Banks等 人發(fā)表的《一種用于有效激勵和接收超聲導向波的柔性激勵器設計》(《IEEE 超聲鐵電和頻率控制》，2005年第52巻第7期，第U75-1182頁)，將導向波 激勵器安裝在鍥形座上，通過調整鍥形座的角度來降低多模式導向波并存的影 響；Y.H. Kim， D.H. Kim， J. H. Han， C. G. Kim等人發(fā)表的《應用頻譜分析和 導向波對鋪層復合材料進行損傷評估》(《復合材料-工程版》，2007年第38 巻第7-8期，第800-809頁)，在板殼結構的同一位置的上下兩面同時安裝導向
4波激勵器，通過調整兩面激勵波的相位來降低多模式并存的影響。上述兩種方法 只能減弱、但并不能完全消除導向波頻散特性的影響；而且不適合于結構在運行 過程中進行在線地結構健康性監(jiān)測。目前，導向波模式識別的方法(即從一個導 向波信號中識別各信息包的對稱或反對稱模式)還比較欠缺，而這一方法則影響 了結構損傷識別的精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種基于時間和空間域導向波模式的識 別方法。本發(fā)明應用時間-尺度分析法來確定導向波數字信號中各個導向波信息 包的模式，為實現(xiàn)高精度低識別結構中的損傷位置和大小奠定了基礎。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用普通的壓電晶片激勵器和窄 頻帶激勵波對板殼結構進行激勵，并應用粘貼在結構表面的傳感器接收在結構中 傳播的導向波信號；將從板殼結構中捕獲的導向波信號應用小波變換在時間和空 間域進行分解；應用希爾伯特變換獲得各尺度下小波變換系數的包絡，然后在時 間和空間域繪制各小波變換尺度下的包絡；應用時間和空間域的包絡等高線脊 線，根據基礎階對稱和基礎階反對稱模式導向波的頻散特性，實現(xiàn)導向波信號中 主要信息包的模式識別。
本發(fā)明包括如下步驟
1. 導向波激勵和導向波信號接收，即將壓電晶片安裝在板殼結構的表面作 為導向波激勵器，用于在結構中激勵出導向波；將經漢寧窗調幅的具有有限周期 的正弦波脈沖信號作為導向波激勵波信號，入射到導向波激勵器；將超聲波信號 接收器安裝在相同板殼結構的表面上距離導向波激勵器待檢測導向波波長5倍 以上的位置(其中待檢測導向波波長等于待檢測導向波傳播速度除以待檢測導向 波頻率后得到的結果)，作為導向波信號接收器，用于接收由導向波激勵器產生 的、在板殼結構中傳播的導向波數字信號。
2. 導向波信號時間和空間域分解，即利用連續(xù)小波變換對由導向波信號接 收器采集到的導向波數字信號在連續(xù)尺度序列下進行分解，獲得各個尺度下導向 波數字信號在多尺度下的連續(xù)小波變換系數。
53. 導向波信號小波變換系數的包絡線獲取，即應用希爾伯特變換對各個尺度 下導向波數字信號的連續(xù)小波變換系數進行變換，從而獲取所有尺度下小波變換 系數的包絡線。
4. 導向波信號的時間和空間域脊線搜索，即搜索所有尺度下小波變換系數 包絡線中各個導向波信息包的最大值，在時間和空間域同時繪制導向波小波變換 系數包絡線等高線和各信息包的最大值點，將這些最大值點連線，構成在時間和 空間域的導向波中主要信息包的脊線。
5. 導向波信息包模式識別，即對比導向波理論頻散特性曲線，應用時間和 空間域的導向波信息包脊線的斜率，識別該信息包的模式，即當在時間和空間 域某導向波信息包的脊線斜率為負數時，該導向波信息包為基礎階對稱模式的導 向波；當在時間和空間域某導向波信息包的脊線斜率為正數時，該導向波信息包 為基礎階反對稱模式的導向波。
6. 匹配出導向波的實際頻散曲線，即應用導向波中同一模式波信息包中、 各個尺度下峰值的到達時間，根據導向波激勵器和導向波信號接收器之間的實際 距離，計算導向波在該尺度下的傳播速度，從而匹配出導向波在實際板殼結構中
的實際傳播頻散曲線。
本發(fā)明具有以下有益效果
(1) 本發(fā)明應用了、而不是刻意繞開導向波頻散特性，從而實現(xiàn)了現(xiàn)有技 術無法實現(xiàn)的導向波信號中各信息包的模式識別；
(2) 本發(fā)明可以實現(xiàn)導向波模式識別，因此可以采用表面粘貼的導向波激 勵器和導向波信號接收器安裝方式，有助于推動在線結構健康性監(jiān)測的工程應 用；
(3) 應用所匹配出的導向波實際頻散曲線進行結構損傷識別和定位的精度， 與通過理論頻散曲線的方法相比將大大提高。


圖1是導向波激勵與導向波信號接收實例；
圖2是導向波激勵波信號；
圖3是導向波信號接收器采集到的導向波信號；
圖4是導向波信號變換流程圖；圖5是圖3所示導向波信號中各導向波信息包的小波變換系數等高線及其脊
線；
圖6是導向波的頻散特征曲線；
其中，S。為基礎階對稱模式導向波的頻散曲線，A。為基礎階反對稱模式導向 波的頻散曲線；
圖7是匹配出的實際導向波頻散曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例以發(fā)明技術方案為前
提進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的
實施例。
本實施例步驟如下
1. 導向波激勵和導向波信號接收，如圖1所示，針對待檢測的板殼結構的 特征，對板殼結構進行邊界固支(即采用固定安裝的方式安裝帶檢測板殼結構)， 在固支好的板殼結構表面采用粘貼的方式安裝壓電晶片激勵器，用于在板殼結構
中激勵出導向波；導向波激勵波為具有有限周期的窗函數調幅的正弦波信號(本 實例中選擇的窗函數為漢寧窗函數，正弦波脈沖信號的周期數為5，導向波激勵
波的波形如圖2所示)，將超聲波信號接收器安裝在相同板殼結構的表面上距離 導向波激勵器200mm的位置(如圖1所示)，作為導向波信號接收器，導向波激 勵波通過通用壓電晶片放大器放大后入射到圖1中的壓電晶片激勵器中，從而激 勵出在板殼結構中傳播的導向波。與此同時，導向波信號接收器開始接收由導向 波激勵器產生的、在板殼結構中傳播的導向波數字信號，所接收到的導向波信號 如圖3所示，包括兩個導向波信息包，分別命名為"PI"和"PII"。
2. 導向波信號時間和空間域分解，即利用連續(xù)小波變換對由導向波信號接 收器采集到的導向波數字信號在連續(xù)尺度序列下進行分解，獲得各個尺度下導向 波數字信號在多尺度下的連續(xù)小波變換系數。
3. 導向波信號小波變換系數的包絡線獲取，即應用希爾伯特變換對各個尺度 下導向波數字信號的連續(xù)小波變換系數進行變換，從而獲取所有尺度下小波變換 系數的包絡線。
74. 導向波信號的時間和空間域脊線搜索，即搜索所有連續(xù)小波變換尺度下， 導向波信息包PI和PII的極大值出現(xiàn)的時間，并將其存儲；最后在時間和空間 域繪制導向波信號連續(xù)小波變換系數包絡線的等高線；連接各個尺度下導向波信 息包PI和PI的極大值出現(xiàn)時間點，從而構成各個導向波信息包的時間和空間域 脊線；步驟2、 3和4中的算法流程如圖4所示，導向波信號的時間和空間域分 析結果如圖5所示。
5. 導向波信息包模式識別，即應用時間和空間域的導向波信息包脊線的斜 率，識別該信息包的模式，S。的傳播速度隨著導向波頻率的增加而降低；相反， A。的傳播速度隨著導向波頻率的增加而增加。在小波變換中，小尺度對應高頻率，
大尺度對應低頻率。因此在時間和空間域，S。模式的導向波脊線的斜率為負值;
相反，A。模式的導向波脊線的斜率為正值。基于本推論，可以確定圖5中第一個 導向波脊線為S。模式，第二個導向波脊線為A。模式；對照圖3中PI和PII導向 波信息包的到達時間，從而可以確定PI為S。模式的導向波，PII為A。模式的導向波。
6. 匹配出導向波的實際頻散曲線，即應用導向波中同一模式波信息包中、 各個尺度下峰值的到達時間，根據板殼結構上導向波激勵器和導向波信號接收器 之間的實際距離，計算導向波在該尺度下的傳播速度，由于小波變換中尺度與頻 率成反比關系，因此可以相應地得到基礎階對稱和反對稱導向波的傳播速度雖頻 率的實際變化曲線，即實際傳播的頻散曲線，如圖7中"〇"和" "所標注的 曲線。
權利要求
1、一種基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特征在于，包括以下步驟(1)導向波激勵和導向波信號的接收，將壓電晶片安裝在板殼結構的表面作為導向波激勵器，將導向波激勵波信號入射到導向波激勵器，將超聲波信號接收器安裝在相同板殼結構的表面上距離導向波激勵器待檢測導向波波長5倍以上的位置，作為導向波信號接收器；(2)導向波信號時間和空間域分解，對由導向波信號接收器采集到的導向波數字信號在連續(xù)尺度序列下進行分解，獲得各個尺度下導向波數字信號在多尺度下的連續(xù)小波變換系數；(3)獲取導向波信號連續(xù)小波變換系數的包絡線，對各個尺度下導向波數字信號的連續(xù)小波變換系數進行變換，獲取所有尺度下小波變換系數的包絡線；(4)導向波信號時間和空間域脊線搜索，搜索各尺度下導向波數字信號的連續(xù)小波系數中各個導向波信息包的極大值，在時間和空間域繪制導向波數字信號小波變換系數包絡線的等高線；并連接各導向波信息包的極大值點，構成各導向波信息包的時間和空間域脊線；(5)導向波信息包模式識別，即對比導向波理論頻散特性曲線，應用時間和空間域的導向波信息包脊線的斜率，識別該信息包的模式；(6)匹配出導向波的實際頻散曲線，即根據計算所得的導向波在各頻率下的實際傳播速度，匹配出導向波在實際板殼結構中的實際傳播頻散曲線。
2、 根據權利要求l所述的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特 征是，所述的導向波激勵波信號，是經漢寧窗調幅的具有有限周期的正弦波脈沖 信號。
3、 根據權利要求l所述的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特 征是，利用連續(xù)小波變換對由導向波信號接收器采集到的導向波數字信號在連續(xù) 尺度序列下進行分解。
4、 根據權利要求1所述的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特 征是，應用希爾伯特變換對各個尺度下導向波數字信號的連續(xù)小波變換系數進行 變換。
5、 根據權利要求l所述的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特 征是，當在時間和空間域某導向波信息包的脊線斜率為負數時，該導向波信息包 為基礎階對稱模式的導向波；當在時間和空間域某導向波信息包的脊線斜率為正 數時，該導向波信息包為基礎階反對稱模式的導向波。
6、 根據權利要求l所述的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，其特 征是，應用導向波中同一模式波信息包中、各個尺度下峰值的到達時間，根據導 向波激勵器和導向波信號接收器之間的實際距離，計算導向波在各頻率下的實際傳播速度o
全文摘要
一種電信技術領域的基于時間和空間域導向波模式的識別方法，本發(fā)明采用普通的壓電晶片激勵器和窄頻帶激勵波對板殼結構進行激勵，并應用粘貼在結構表面的傳感器接收在結構中傳播的導向波信號；將從板殼結構中捕獲的導向波信號應用小波變換在時間和空間域進行分解；應用希爾伯特變換獲得各尺度下小波變換系數的包絡，然后在時間和空間與繪制各小波變換尺度下的包絡；應用時間和空間域的包絡等高線脊線，根據基礎階對稱和基礎階反對稱模式導向波的頻散特性，實現(xiàn)導向波信號中主要信息包的模式識別。本發(fā)明應用時間和空間分析法來確定導向波數字信號中各個導向波信息包的模式，為實現(xiàn)高精度低識別結構中的損傷位置和大小奠定了基礎。
文檔編號G01M99/00GK101510263SQ20091004824
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權日2009年3月26日
發(fā)明者凱 孫, 光 孟, 李富才 申請人:上海交通大學