无参考主动Lamb波结构损伤时反成像监测方法

主动Lamb波损伤监测中的差信号方法获取损伤散射信号容易受到结构和环境等外界因素的影响。针对该问题,提出了无参考信号的损伤成像定位和监测方法;研究了回波式压电阵列的布置方法,并设计采用时间反转窗函数,清除Lamb波监测信号中的直接传播信息和边界反射信号,以截取出内部散射信号;通过控制压电阵列布局、设置窗函数等技术条件,基于时间反转理论中对波源的自适应聚焦原理,直接利用当前状态下的传感信号实现对结构损伤的实时成像、定位与评估,不再需要健康信号作为参考。在玻璃纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能较为准确地实时监测出损伤的位置、范围等特征。     

基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

复合材料在航空结构中的应用越来越广,但其遭受外界物体冲击后很容易在内部产生表面不可见损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线监测十分必要。基于压电传感器（PTZ）和Lamb波的冲击定位方法是目前的研究热点,但是Lamb波信号在复合材料结构中传播的各向异性给冲击定位带来了困难。本文将空间滤波器算法推广到复合材料结构的冲击监测应用中,研究了与波速无关的空间滤波器冲击定位原理,提出了基于二维线性压电传感器阵列和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法。该方法首先采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波解析信号;然后利用波速无关的空间滤波器算法计算出结构冲击相对于各条线性压电传感器阵列的角度;最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。验证结果表明：该方法可以实现对复合材料结构的冲击进行不依赖信号传播速度的定位,定位误差小于1 cm。     

航空发动机混叠振动信号的欠定盲源分离方法

针对传统欠定盲源分离方法难以有效处理具有时间延迟效应的发动机混叠振动信号分离问题,采用稀疏分量分析法研究了一种时间延迟混合信号的欠定盲源分离方法。该方法通过对混合信号的频域模值的线性聚类分析实现源数目及衰减矩阵的估计,并通过恢复混合信号的频域实部在混合空间的聚类性推断出时间延迟矩阵。实验结果表明,该方法在欠定条件下(传感器个数小于振动源个数)能够有效地将发动机混叠振动信号按照不同的激振源进行分离。     

基于导波传播模型的MUSIC损伤识别算法

针对结构健康监测领域的损伤近场定位问题,提出了适用于复合材料结构损伤识别的近场二维多重信号分类（MUSIC）损伤识别算法。该损伤识别算法将导波传播模型引入近场二维MUSIC损伤识别模型,构造损伤散射信号与实验差信号的互相关矩阵,通过信号子空间与噪声子空间正交特性构造近场二维MUSIC空间谱。通过数值仿真和实验验证了所提出的损伤识别算法能够有效地识别复合材料结构损伤位置信息,具有很高的定位精度和分辨率。针对飞机垂直尾翼的加强筋结构对导波传播特性影响较大的问题,提出了分区域监测的损伤检测策略,并利用基于导波传播模型的二维MUSIC空间谱损伤识别算法成功地识别飞机垂直尾翼结构损伤,实现了复杂复合材料结构损伤识别的工程验证。     

基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合

 在飞机结构上,复合材料结构大量应用。该种材料结构容易受到外界冲击而产生内部脱层等损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线结构健康监测是十分必要的。为了克服信号在复合材料结构中传播存在的频散、多种模式及模式转换的现象给冲击定位带来的困难,研究了一种基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合材料结构多源冲击成像定位方法。分析了信号的时间反转聚焦原理,在此基础上,提出了冲击响应信号时反合成成像方法。针对宽带的冲击响应信号,利用Shannon复数小波变换提取冲击响应信号中特定尺度下的信号成分参与到成像过程中。整套方法在碳纤维复合材料层合板上得到了验证。验证结果表明该方法能够正确地对冲击监测区域中的多个冲击源进行成像和定位,冲击定位误差不超过2 cm。     

火箭发动机装药包覆层厚度信号处理技术研究

用超声测量火箭发动机装药包覆层厚度时,当包覆层较薄时检测回波信号会出现时域混叠。基于时域混叠信号的特点,提出了一种时间延迟估计的新方法。该方法用维纳解卷积消除了检测始波对时间延迟估计的影响，并对剩余信号进行了三次能量倒谱分析，准确直观地估计出了信号延迟时间。该方法已在开发的超声探伤系统中得到了验证。实验结果表明，该方法能准确估计出时域混叠信号的延迟时间，提高了火箭发动机装药包覆层厚度的测量精度。     

基于导波的飞机结构腐蚀损伤监测研究

飞机结构腐蚀损伤会显著降低飞机结构的安全性能,危害飞行安全。提出一种基于导波的航空结构腐蚀损伤概率重建算法用于航空结构腐蚀损伤的在线监测。针对结构上真实的腐蚀损伤,采用频谱幅度差损伤因子表征Lamb波参考信号和监测信号的相关性,并作为损伤概率重建算法方法中的图像重建参数;根据损伤概率重建算法的成像结果,提出了一种融合损伤因子方法对腐蚀深度进行评估,同时采用超声检测方法测量结构上的腐蚀损伤与上述方法进行了对比。试验结果表明,该方法有效实现了结构腐蚀损伤的定位和腐蚀深度的评估。     

基于时间反转的复合材料结构损伤成像方法研究

将时间反转理论应用于结构健康监测技术中，可以显著提高Lamb波在板结构中有效成分的能量，从而解决了其低信噪比的问题。同时，利用时间反转对波源的自适应聚焦能力与图像处理技术相结合，提出了通过信号中有效成分的能量聚焦来显示损伤位置和区域的方法。在复合材料板上的实验结果表明，该方法突出了损伤处有用信号的能量，较为准确地对材料结构中的损伤进行了定位。     

复合材料损伤的主动兰姆波监测定位方法

首先求解碳纤维复合材料的兰姆（Lamb）波频散方程，得到频散曲线，优选对复合材料分层或脱粘损伤敏感的压电激励模式和激励频率，提出了基于幅值衰减算法的损伤定位方法，通过短时傅立叶变换，将信号转换为时频分布，提出了另一种损伤定位方法；通过附加质量模拟损伤试验，验证、比较了提出的损伤定位方法，该方法具有工程应用价值。     

复合材料胶接损伤的指数监测方法

为了监测复合材料胶接损伤,基于主动Lamb波和时频分析,提出了一种复合材料损伤监测的指数法。通过对Lamb波信号进行时频分析,提取波形包络。通过计算得到损伤散射信号,选取对损伤敏感的直达波波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示。该方法不用选择特定的Lamb波模式,解决了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难。同时在复合材料胶接的损伤演化试验中,对该方法进行了应用验证研究。结果表明:该方法可以用于复合材料胶接损伤的定性和定量分析。     

三种时频分析在复合材料无损检测中的应用

随着复合材料的广泛应用和现代信号处理技术的发展,时频分析方法已广泛应用于各类复合材料的损伤检测。将短时傅立叶变换、小波变换和黄氏变换三种时频分析技术经过Matlab编程,结合Lamb波应用于玻璃纤维增强的复合材料层合板的无损检测,并对三种时频结果进行比较与分析。结果表明：上述三种时频分析方法都能进行复合材料的损伤判定,但黄氏变换方法的分析精度更高。     

激光超声技术在复合材料检测中的应用

激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波,可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题,南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数,进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估,取得了理论和试验验证上的进展,为航空领域的复合材料无损检测技术提供了新方法。     

频率直方图法在复合材料检测中的应用

飞行器中复合材料结构的无损检测大多采用超声波检测方法。在实际检测过程中，类似碳纤维复合材料这样的特殊材料组织的结构比较复杂，所得到的超声波回波信号经常受到较强的结构噪声的干扰，信噪比较低，影响缺陷信号的识别。利用分离谱技术中最小值法，考虑结构噪声幅度对频率变化的敏感性，应用频率统计直方图法，对窄带信号的采样点进行统计、比较，选择绝对值最小的采样点信号作为输出信号，得到最佳频率检测带，对这些频带采用带通滤波器进行滤波，从而较好地将目标回波和结构噪声区分开，更准确地对复合材料构件讲行无损检测。     

阵列宽带Lamb波在结构损伤检测中的应用

阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,于是通过采集在结构上布置的阵列传感器Lamb波信号用来检测损伤发生的位置。通常,大多数空间谱估计方法均以窄带信号为假定,在很多基于Lamb波的结构损伤检测中,为了减小频散特性的影响,大多数研究以Lamb波为窄带信号进行分析,但无限窄的激励信号是物理不可实现的。因此,其在多数情况下Lamb波信号并不符合窄带信号假定,更应被认为是一种宽带信号来进行处理。进而利用空间谱估计中宽带信号非相干子空间处理方法（Incoherent Signal Subspace Method,ISM）中阵列接收的宽带Lamb波信号进行处理,检测出结构发生单一损伤时的损伤位置。随后,当结构损伤与边界反射波有叠加时会引起损伤信号相干,采用宽带信号相干子空间方法（Coherent Signal Subspace Method,CSM）对损伤位置进行检测,得到了较好的结果。     

常用雷达视频信号处理算法在FPGA上的实现

采用FPGA技术对雷达原始的视频信号进行求模、视频积累与恒虚警检测处理,克服了DSP处理速度有限、实时性差和ASIC器件灵活性差的问题。详细介绍了求模、视频积累以及恒虚警算法在FPGA芯片上实现的原理和过程,并结合仿真结果说明了利用FPGA进行雷达视频信号处理的优势。     

复合材料加筋壁板有限元建模与强度分析

运用基于工艺的“laminate modeler”模块创建了复合材料铺层和加筋层合板的三维有限元模型.介绍了一种体单元与壳单元节点融合的方法.以不同的相对节点间距对加筋层合板模型进行了有限元网格划分,采用结构最大Von Mises应力作为标准进行了收敛性分析,得到了一个可适用于其他类似加筋板模型网格创建的合理相对节点间距值1/72.应力计算表明,集中载荷作用下复合材料加筋壁板的初始损伤发生于第八铺层材料主方向的2方向,损伤模式为基体拉伸开裂.发生初始损伤时加筋板结构的极限载荷为75 N.应力集中区较小,且主要分布于载荷作用点附近.集中载荷作用下加筋板的承载效率较低.     

A Lamb wave signal reconstruction method for high-resolution damage imaging

In Lamb wave-based Structural Health Monitoring(SHM), a high-enough spatial resolution is highly required for Lamb wave signals to ensure the resolution and accuracy of damage detection. However, besides the dispersion characteristic, the signal spatial resolution is also largely restricted by the space duration of excitation waveforms, i.e., the Initial Spatial Resolution(ISR)for the signals before travelling. To resolve the problem of inferior signal spatial resolution of Lamb waves, a Lamb Wave Signal Reconstruction(LWSR) method is presented and applied for highresolution damage imaging in this paper. In LWSR, not only a new linearly-dispersive signal is reconstructed from an original Lamb wave signal, but also the group velocity at the central frequency is sufficiently decreased. Then, both dispersion compensation and ISR improvement can be realized to achieve a satisfying signal spatial resolution. After the frequency domain sensing model and spatial resolution of Lamb wave signals are firstly analyzed, the basic idea and numerical realization of LWSR are discussed. Numerical simulations are also implemented to preliminarily validate LWSR. Subsequently, LWSR-based high-resolution damage imaging is developed. An experiment of adjacent multiple damage identification is finally conducted to demonstrate the efficiency of LWSR and LWSR-based imaging methods.     

基于磁记忆技术对含缺陷焊缝的疲劳试验

对含有不同隐形损伤的40Cr焊板进行射线检测、疲劳试验和正交磁记忆信号测量，探索试件在疲劳应力作用下磁记忆信号的变化特征。试验结果表明：单一测量方式下的磁特征值不能表征焊板在疲劳循环载荷下的变化特征，所得结论存在偶然性；研究发现，可用磁场矢量梯度积分特征和磁场矢量合成梯度特征来评价焊板的疲劳损伤过程，并建立了以磁场矢量梯度特征为损伤参量的疲劳损伤模型，从而可以对含有隐形损伤焊接构件的疲劳寿命进行定量评估，为金属磁记忆技术在焊接缺陷定量评价上的进一步研究提供参考依据。     

碳纤维复合材料层板冲击损伤的空气耦合兰姆波成像检测

非接触式超声兰姆波方法能够对大面积复合材料板材进行快速检测,在自动成像检测上有着突出的优势。针对碳纤维/树脂基复合材料(CFRP)层压板采用空气耦合超声探头激励出A0模态兰姆波。在含冲击损伤的层板试样的同一侧激发和接收兰姆波进行扫描检测,针对冲击损伤区域以互相正交的两个方向进行兰姆波扫查,获得了不同位置的检测信号。对比在有无缺陷处板材中兰姆波传播信号的特征,对采集信号进行频域分析,以无缺陷处信号值为基准,利用信号差异系数(SDC)作为特征值,将扫查信号数据采用特征值全加和全乘的数据融合方法进行了缺陷形貌重构成像。成像结果能够良好的体现出冲击损伤的位置和两个方向的尺寸大小。     

An Upper Bound on Detection Probability for Fluctuating Signals

In the theory of signal detectability, the signal-to-noise ratio (SNR), defined as the quotient of the average received signal energy and the spectral density of the white Gaussian noise, is a fundamental parameter. For a signal which is exactly known, or known except for a random phase, this ratio uniquely defines the detection performance which can be achieved with a matched filter receiver. However, when the signal amplitude is a random parameter, the detection performance is changed and must be determined from the probability density function (pdf) of the amplitude. Relative to the case of a constant signal amplitude, such signal amplitude fluctuation usually degrades performance when a high probability of detection (Pd) is required, but improves performance at low values of Pd; the corresponding change in the required SNR is the so-called signal fluctuation loss Lf. Thus, since Lf in some cases represents an improvement in performance for low values of Pd, a question of at least theoretical interest is: how large might this improvement be, when the class of all signal amplitude pdf's is considered. The solution, presented here, results in a lower bound on the signal fluctuation loss Lf as a function of Pd, or equivalently an upper bound on Pd as a function of SNR. The corresponding most favorable pdf was determined using the Lagrange multiplier technique and results of a numerical maximization are included to provide insight into the general properties of the solution.