主动Lamb波结构健康监测中信号增强与损伤成像方法

 主动Lamb波结构健康监测技术研究中,损伤散射信号的信噪比是正确稳定地监测出损伤的关键。针对真实工程结构,尤其是针对复合材料板结构健康监测时存在的信号信噪比低下问题,提出了基于时间反转聚焦原理的信号增强与损伤成像方法。根据Lamb波信号传播自身的特性,通过聚焦的方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在碳纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能有效提高有用信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、范围等特征。     

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。     

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。     

基于Lamb波群速度修正的复合材料结构损伤定位

复合材料结构在制造和服役过程中易产生不可见损伤,会降低结构强度,影响设备安全性能。基于超声Lamb波的结构健康检测方法可有效地实现对结构损伤的识别。然而,由于受到检测系统复杂的幅值调制作用,接收信号将发生频谱能量分布偏移。在定位检测过程中,群速度的选择以激励信号的中心频率为准,当激励信号的频谱受到较强幅值调制时,此时用于定位的群速度值将不再准确。在幅值调制特性的研究基础上,通过仿真和试验方法,探究了幅值调制对信号频谱能量分布的影响;进而提出了基于频谱偏移的群速度修正方法,并将此方法用于改进的延时叠加算法中以提高损伤定位精度。试验以T300/3231碳纤维复合材料板为对象,对比了群速度修正前后的损伤成像结果。结果显示,经过群速度修正后的定位精度优于未经过修正的结果,验证了群速度修正方法的有效性。     

聚焦变换在MIMO阵列方位估计中的应用

MIMO阵列是近年来信号处理领域提出的一种新体制阵列技术,可有效避免常规阵列中的相干源问题。为解决多载波造成的方位模糊,提出了一种基于聚焦变换的MIMO阵列目标方位估计方法。该方法将MIMO阵列接收信号分解为多个频率分量的信号,并通过聚焦算法将多个频率信号聚焦到同一信号子空间,然后对聚焦后的信号进行方位估计。仿真结果表明:与直接对MIMO阵列接收信号进行方位估计相比,该方法利用了MIMO阵列的回波不相干性和宽带信号能量,具有更好的分辨能力和更高的方位估计精度。     

基于时间反转和降阶Keystone的SAR-GMTI快速聚焦方法

对合成孔径雷达（SAR）地面运动目标聚焦技术进行了研究。针对现有运动目标聚焦方法存在的问题,提出了一种基于时间反转和降阶Keystone的SAR地面运动目标检测（SAR-GMTI）快速聚焦方法。首先,根据目标的机动特性建立了3阶距离模型;其次,针对目标多普勒中心模糊引起的多普勒谱分裂现象,结合所提时间反转处理（TRP）和降阶Keystone变换处理估计出运动目标2阶参数。此后,构造2阶相位补偿函数补偿运动目标的2阶距离徙动和多普勒徙动,从而完成运动目标的聚焦。同时,所提方法没有任何参数搜索过程,降低了计算复杂度。最后,仿真实验验证了所提算法的正确性和有效性。     

一种高动态低信噪比卫星导航信号捕获方法

为提升高动态低信噪比环境下卫星导航信号的捕获性能,提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)及部分匹配滤波(PMF)的捕获方法。在该方法中,接收机首先利用PMF对接收信号做分段相干积分,随后借助快速傅里叶变换(FFT)对分段积分结果做离散快速FrFT,最后通过检测FrFT输出的峰值完成信号的捕获。由于具有多普勒频率变化率的卫星导航信号在FrFT后呈现能量聚焦特性,所提方法能够显著提高信号的长时间相干积分增益。同时对所提算法的捕获概率、平均捕获时间以及算法复杂度等性能指标进行了理论分析及计算机仿真验证。仿真表明,与传统的PMF-FFT方法相比,所提方法能够通过延长相干积分时间的方式有效提升高动态低信噪比卫星导航信号的捕获概率、降低捕获时间。     

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照，进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明，在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大；相同冲击位置处，冲击能量越大，结构损伤越严重，剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。     

二维结构损伤的主动Lamb波定位技术研究

将Lamb波主动监测技术应用于复合材料损伤检测中,对二维结构损伤进行定位研究。利用压电陶瓷片作为驱动器和传感器,对结构损伤前后的传感信号做信号差,采用3种常用的信号时间延迟估计方法,比较这3种方法计算差信号和健康信号的时间延迟的损伤定位效果,其中定位方法采用了椭圆技术。详细介绍了这3种时间延迟估计方法的原理以及损伤定位结果的分析。实验结果表明在信号的信噪比较小的情况下,采用小波变换法能更准确地识别出复合材料冲击损伤的位置。实验数据验证了该方法的有效性。     

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。     

基于互相关函数幅值向量的飞机壁板紧固件松脱损伤检测的实验研究

提出了将结构各测试点间振动响应的互相关函数幅值组成互相关函数幅值向量，通过其变化来检测结构的损伤及发生损伤位置的新方法，应用于飞机壁板结构中经常发生紧固件松脱检测的实验。以某飞机尾翼抖振模型在风洞吹风实验中测试得到的抖振载荷信号作为壁板结构的激励信号，用粘贴在各紧固件附近的应变传感器拾取结构振动响应信号，得出壁板上紧固件松脱前后的互相关函数幅值向量，以此幅值向量置信度准则表征幅值向量的变化量，来检测紧固件的松脱损伤，并通过松脱前后互相关函数幅值向量的相对变化的峰值，检测出发生松脱损伤的紧固件位置。由于互相关函数幅值向量直接由测试的振动响应时间历程得到，而且具有较强的抗测量噪声能力，因此这种检测方法在航空结构损伤检测中具有较好的应用前景。     

复合材料共固化T型加筋界面脱粘的压电监测技术研究

利用多通道结构健康监测扫查系统,监测了T700／BA9916复合材料共固化T加筋在拉脱载荷作用下界面脱粘的起始、扩展到破坏的全过程。设计了不同突缘长度、厚度和不同面板厚度的几种刚度搭配的T加筋。结合实验观测,提取了与界面脱粘相关的信号能量和峰值等特征信号,探索并建立了能量损伤指数（EDI）和峰值损伤指数（ADI）等脱粘判据,提出了监测复合材料损伤需要重点突破的压电传感技术。     

主动Lamb波监测技术中的传感元件优化布置研究

研究了应用主动Lamb波对复合材料结构试件进行损伤检测时的压电元件的布置优化问题.首先,通过实验选取了不同中心频率的激励信号对结构板进行激励,根据Lamb波响应信号的分析结果对各个压电元件之间的距离进行优化;其次,通过计算S0模式Lamb波的群速度获得边界反射的到达时间,将计算得到的边界反射信号的发生时刻与实际情况进行对比,结果吻合一致,据此可对压电元件进行抑制边界反射影响的优化布置.将压电元件的优化布置应用在具体的损伤检测实验中,实现了复合材料上的一维结构脱层损伤定位.     

C/GFRP层板冲击损伤红外脉冲雷达热波成像检测技术研究

本文采用落锤式冲击试验机对碳纤维/玻璃纤维混杂增强复合材料（C/GFRP）样块开展不同冲击能量下的撞击试验，进而制备了含有模拟低速冲击损伤检测试件，研制了红外脉冲雷达热波成像检测系统，并利用该系统对不同冲击能量损伤试件开展检测试验研究。采用多种特征提取算法（双路正交解调算法、互相关匹配滤波算法及主成分分析算法）对热辐射响应信号（热波信号）进行数据分析与特征提取，实现了C/GFRP试件冲击损伤脱粘区域的有效识别，得到了不同冲击能量与脉冲雷达热波特征的映射关系。针对C/GFRP平顶孔模拟脱黏缺陷开展红外脉冲雷达热波成像检测试验研究，验证了红外脉冲雷达热波成像检测技术的探测能力。试验结果表明，红外脉冲雷达热波成像检测技术可以实现对C/GFRP低速冲击损伤的有效检测。     

XPNAV-1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析

聚焦型X射线脉冲星望远镜(FXPT)是脉冲星导航试验(XPNAV-1)卫星的核心载荷，为中国首款在轨工作的聚焦型X射线望远镜，其在轨稳定性一直备受关注。首先，分析了XPNAV-1卫星对具有特征能谱辐射的超新星遗迹观测数据评估FXPT在轨性能的稳定性的可行性，发现拟合得到的FXPT能量响应参数存在较大误差，且缺乏长期超新星遗迹观测数据，难以支持望远镜在轨性能长期稳定性分析。其次，通过处理分析XPNAV-1卫星于2016年11月―2019年11月间1 455次4.1×10⁶ s Crab脉冲星观测数据，发现FXPT在9.5 keV附近长期较稳定地存在大量的X射线光子，且其能量分布曲线近似高斯分布，排除了其来自脉冲星辐射可能性后，推断其来自于FXPT的超上阈信号，同时发现在7.5 keV能量处存在特征谱线辐射，判断其来自于望远镜镜片材料Ni的受激辐射Kα射线。继而提出了一种利用望远镜本征特征能谱和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法，通过分析近4年XPNAV-1卫星对Crab脉冲星的观测能谱，发现FXPT于2017年10月后性能趋于稳定，该方法有效弥补XPNAV-1卫星...     

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。     

TC18钛合金疲劳断裂过程声发射信号特征分析

声发射技术通过实时监测结构服役过程中发出的声发射信号,判断结构是否出现损伤,是一种重要的在线监测损伤的技术。为了明确TC18钛合金在疲劳试验中产生微裂纹、裂纹扩展及断裂等过程中声发射信号的特性,设计TC18钛合金试验件,进行其疲劳试验并全程采集声发射信号;采用参数分析方法,得到声发射信号在时域、频域方面的参数特征。结果表明:在裂纹萌生及扩展阶段,声发射信号幅值为40~65dB,低于相同条件下铝合金的信号幅值;在200~280kHz频段上,裂纹萌生阶段与后续过程的能量分布存在较大差异。结合上述研究结果,给出TC18钛合金试验件声发射监测的参考原则。     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

脉冲测试系统最佳带宽的数值计算

由于受测试系统带宽的限制，脉冲信号在测试过程中其能量将受到不同程度的损失。本文用Romberg数值积分法计算出在一定能量损耗限值要求下的脉冲信号频谱宽度，并用付氏级数对其进行了信号重构验证，据此得出了脉冲信号测试系统带宽的最佳值。