本發明涉及航空航天結構健康監測，且特別是有關于基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法。
背景技術：
1、航空航天飛行器結構在保障其服役安全過程中具有至關重要的作用，隨著飛行器結構設計的復雜性提高，對結構的穩定性與完整性要求也大幅提高，因此，結構健康監測技術在飛行器結構健康評估的需求越來越迫切。基于壓電傳感網絡的導波陣列成像方法在飛行器結構健康監測領域得到了廣泛的研究，應用前景廣闊。
2、但是伴隨飛行器結構復雜性的提升，不僅結構厚度的有明顯的增加，還具有越來越復雜的多層異構結構形式，導致傳感器在結構表面的布局復雜，并且布置在結構內表面的壓電傳感器接收到的導波信號衰減大、信噪比低，結構損傷的準確成像監測難以實現。
技術實現思路
1、本發明旨在克服現有技術中導波結構健康監測技術的傳感器布局復雜、導波信號的衰減大、信噪比低的問題，提供了基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法。
2、為達到上述目的，本發明技術方案是：提供了基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，包括，
3、信號采集：對待測結構進行損傷操作，并采用壓電傳感器進行導波信號的激勵和采集；
4、定位損傷角度：基于所述待測結構上的損傷監測區域進行角度劃分，通過時移對各個角度上的所述導波信號進行定向增強，得到虛擬聚焦增強后的第一合成信號并獲得增強后的導波損傷散射信號，進行空間波數濾波成像并選定最高像素值對應的角度為損傷角度；
5、定位損傷距離：在所述損傷角度上進行距離劃分，通過所述時移對各個距離上的所述導波信號進行定向增強，得到虛擬聚焦增強后的第二合成信號并獲得增強后的導波損傷散射信號，進行空間波數濾波成像并選定最高像素值對應的距離為損傷距離，以實現所述損傷的定位監測。
6、在一實施例中，在上述的定位損傷角度步驟中，所述時移操作包括根據各個角度θ計算各激勵傳感器相對于參考傳感器的時延τm(r)，表達式如下：
7、
8、其中，m為所述激勵傳感器編號，δr為相鄰所述激勵傳感器的間距，c為導波傳播的波速。
9、在一實施例中，在上述的定位損傷距離步驟中，所述時移操作還包括根據各個距離d計算各激勵傳感器相對于參考傳感器的時延τm(r)，表達式如下：
10、
11、其中，m為所述激勵傳感器編號，δr為相鄰所述激勵傳感器的間距，c為導波傳播的波速。
12、在一實施例中，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，根據時延τm(r)定向增強激勵導波信號，得到虛擬聚焦增強后的所述第一合成信號或所述第二合成信號，表達式如下：
13、
14、m為陣列中所述激勵傳感器的總數，fm(t)為第m個所述激勵傳感器的導波信號，f(r,t)為所述第一合成信號或所述第二合成信號。
15、在一實施例中，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，所述接受傳感器采集增強后的所述導波損傷散射信號，如下式：
16、s(r,t)＝[s(r-m,t),l,s(rm,t),l,s(rm,t)]????????????????(5)
17、其中s(rm,t)為t時刻，第m個所述接收傳感器上采集的所述導波損傷散射信號的幅值，可以表示如下：
18、
19、其中，gm(t)是第m個所述接收傳感器采集的所述導波損傷散射信號，ωc和kc為所述導波信號的頻率和波數，d和θ為所述損傷相對于所述激勵傳感器陣列的距離和角度。
20、在一實施例中，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，對虛擬激勵增強后的所述導波損傷散射信號進行離散傅里葉變換，得到波數譜，如下：
21、
22、其中，t為時間，ωc為信號頻率，kc為信號的波數，d和θ為所述損傷相對于參考激勵傳感器陣列的距離和角度，k為波數，s(t)為采集的所述導波信號t時刻的空間采樣信號，kccosθ為所述導波信號在所述壓電傳感器陣列上的波數投影，
23、其中，
24、
25、上式為狄拉克函數，當且僅當k＝kccosθ時，所述空間采樣信號通過濾波器。
26、在一實施例中，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，采用空間波數濾波器對虛擬激勵增強后的所述導波損傷散射信號進行空間波數濾波成像，所述像素值由下式計算：
27、
28、
29、其中，ki為所述空間波數濾波器的中心波數，t為時間，s(r,t)為t時刻所有接收傳感器采集到的所述空間采樣信號，為所述空間波數濾波器中心波數為ki的元素。
30、在一實施例中，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，最大的中心波數值計算如下：
31、
32、空間信號的采樣率為2π/δr，ki的范圍為[-kmax,kmax]，定義一個波數分辨率為δk，ki由下式計算：
33、ki＝-kmax+(i-1)δk,i＝1,2,l,i?????????????????(12)
34、其中，i是最大的濾波次數，由下式計算：
35、
36、在一實施例中，在上述的信號采集步驟中，在所述待測結構上布設至少兩組線性排布的所述壓電傳感器，所述壓電傳感器安裝在所述損傷監測區域兩側，所述壓電傳感器包括激勵傳感器和接收傳感器；所述激勵傳感器中包括參考激勵傳感器，所述參考激勵傳感器用于提供基準信號。
37、在一實施例中，在上述的定位損傷角度步驟中，以所述參考傳感器為原點，以線型所述激勵傳感器陣列為極軸進行角度劃分。
38、綜上所述，本發明提供了基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，通過結合虛擬激勵聚焦增強和空間波數濾波成像的方式，并結合角度和距離進行兩級判別，實現了待測結構上的損傷成像定位。本發明提供了在導波傳播衰減高的待測結構上布置簡單的壓電傳感器陣列進行損傷監測的方法，方法具有計算量低、信號信噪比高的特點，在航空航天結構健康監測領域具有良好前景。
39、為讓發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。
1.基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，包括，
2.如權利要求1所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度步驟中，所述時移操作包括根據各個角度θ計算各激勵傳感器相對于參考傳感器的時延τm(r)，表達式如下：
3.如權利要求1所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷距離步驟中，所述時移操作還包括根據各個距離d計算各激勵傳感器相對于參考傳感器的時延τm(r)，表達式如下：
4.如權利要求1所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，根據時延τm(r)定向增強激勵導波信號，得到虛擬聚焦增強后的所述第一合成信號或所述第二合成信號，表達式如下：
5.如權利要求4所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，所述接受傳感器采集增強后的所述導波損傷散射信號，如下式:
6.如權利要求5所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，對虛擬激勵增強后的所述導波損傷散射信號進行離散傅里葉變換，得到波數譜，如下：
7.如權利要求6所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，采用空間波數濾波器對虛擬激勵增強后的所述導波損傷散射信號進行空間波數濾波成像，所述像素值由下式計算：
8.如權利要求7所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度和定位損傷距離步驟中，最大的中心波數值計算如下：
9.如權利要求1所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的信號采集步驟中，在所述待測結構上布設至少兩組線性排布的所述壓電傳感器，所述壓電傳感器安裝在所述損傷監測區域兩側，所述壓電傳感器包括激勵傳感器和接收傳感器；所述激勵傳感器中包括參考激勵傳感器，所述參考激勵傳感器用于提供基準信號。
10.如權利要求9所述的基于虛擬激勵聚焦增強的兩級空間波數濾波損傷成像方法，其特征在于，在上述的定位損傷角度步驟中，以所述參考傳感器為原點，以線型所述激勵傳感器陣列為極軸進行角度劃分。