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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)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(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和新產(chǎn)品的更新?lián)Q代，社會對產(chǎn)品的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全及 可靠性要求越來越高。現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜和大型化。并且設(shè)備長時間處于高載 荷的工況下，運就易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷積累和承載能力下降，甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損毀。因此結(jié)構(gòu)健 康狀況直接影響到社會安全和經(jīng)濟的發(fā)展。因此對工程結(jié)構(gòu)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(shè)備的實時監(jiān)測更為迫切。
[0003] 聲發(fā)射技術(shù)是結(jié)構(gòu)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(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。材料的變形，裂紋的產(chǎn)生和擴展，摩擦和撞擊等都會產(chǎn)生聲發(fā)射。 聲發(fā)射檢測技術(shù)其目的主要是為了獲取材料或結(jié)構(gòu)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(zhì)，從而判定結(jié)構(gòu)的損傷狀況。因此，聲發(fā)射檢測技術(shù)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(shù)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(chǎn)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(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機等算法，運些算法需要大量的培訓(xùn)樣本，而在實際應(yīng)用中培訓(xùn) 樣本很難提取，且經(jīng)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(shù)。

【發(fā)明內(nèi)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)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(jīng)平坦的ASE(AmplifiedSpontaneous血ission,放大自發(fā)福射）光源，未經(jīng) 平坦的ASE光源發(fā)出寬帶光，依次經(jīng)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(yīng)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(gòu)上；光纖光柵傳感器將設(shè)定波長 的光反射回來經(jīng)第二禪合器傳輸至光電轉(zhuǎn)換電路，光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 經(jīng)放大器傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄全部信號變化；
[0009] 聲發(fā)射源產(chǎn)生高頻動態(tài)應(yīng)力波，在高頻動態(tài)應(yīng)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(xiàn)聲發(fā)射信號的解調(diào)； 解調(diào)得到的聲發(fā)射信號經(jīng)過香農(nóng)化annon小波轉(zhuǎn)換，提取窄帶信號；根據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)生高頻動態(tài)應(yīng)力波，在高頻動態(tài)應(yīng)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(xiàn)聲發(fā)射信號的 解調(diào)；
[0016] 步驟（3):對檢測到的聲發(fā)射信號進行香農(nóng)化annon小波轉(zhuǎn)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(guān)函數(shù)；
[0017] 步驟（4):定義二階統(tǒng)計量；
[0018] 步驟巧）：根據(jù)步驟（4)中的二階統(tǒng)計量定義，得到兩個自相關(guān)函數(shù)矩陣Ri和R2;
[0019] 步驟（6):對步驟妨中的兩個自相關(guān)函數(shù)矩陣Ri和R2分別作特征值分解，得到 兩個自相關(guān)函數(shù)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(jù)參數(shù)配對和步驟（7)的解析結(jié)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(shè)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(fù)數(shù)形式，1表示傳感器數(shù)，1 的數(shù)量要大于聲發(fā)射源數(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄；
[0027] 未經(jīng)平坦的ASE光源發(fā)出寬帶光，依次經(jīng)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(shè)定波長的光反射回來經(jīng)第二禪合器傳輸至光電轉(zhuǎn)換電路， 光電轉(zhuǎn)換電路將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大器傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄全 部信號變化；
[002引所述步驟做中自相關(guān)函數(shù)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(shù)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(guān)函數(shù)，XI(t)為第1個傳感器接收到的信號，M 為聲發(fā)射源數(shù)目；
[00對所述步驟（5):根據(jù)步驟（4)中的二階統(tǒng)計量定義，得到兩個pXp自相關(guān)函數(shù)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)=。化-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(yīng)的信號子空間；Ew和EW2分別是R1和R2的個最小特征值對應(yīng)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(yīng)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(yīng)的信號子空 間。P表示傳感器數(shù)量，M聲發(fā)射信號源數(shù)。
[005引步驟做：根據(jù)參數(shù)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(shù)，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(shù)，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(jù)邊緣濾波的方法實現(xiàn)聲發(fā)射信號的高頻解調(diào)。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(xiàn)聲發(fā)射源的實時定位
[0066] 本發(fā)明不需要大量的培訓(xùn)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)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(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0073] 下面結(jié)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(shè)置
[0076] 侶合金板的尺寸為SOOmmX500mmX2mm，如圖1所示，在板內(nèi)設(shè)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(shè)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(diào)靈敏度）。柵區(qū)長度為10mm。