基于ar模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，步驟包括：分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡的位置布局；沖擊響應動態(tài)信號的實時監(jiān)測與采集；沖擊響應信號的時頻域分析，確定能夠表征沖擊位置信息的響應光譜特征頻率；基于小波包分析的光譜響應特征頻率提取及AR模型參數(shù)矩陣構(gòu)建；利用Mahalanobis距離判別待識別沖擊位置響應信號與AR模型參數(shù)矩陣樣本庫中響應信號的相似度，根據(jù)相似度較高的三個沖擊位置坐標初步確定待監(jiān)測沖擊載荷所在區(qū)域，再采用三角中心定位法，實現(xiàn)沖擊載荷位置精確辨識。由于光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)頻率較低，無法利用時差法進行沖擊載荷定位，相對于傳統(tǒng)的時域定位方法，本發(fā)明方法簡單可靠。
【專利說明】基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方 法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明公開了一種基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法， 涉及智能材料與結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 沖擊載荷識別始于上世紀七十年代。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，人們提高了對飛 機飛行性能的要求。因此大量新型材料被運用到飛行器上，為了保證飛行器在飛行中的安 全性和使用可靠性，沖擊載荷的識別應運而生。沖擊載荷的識別主要有頻域識別法、時域識 別法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡識別法等方法。
[0003] 1985年韓二中等人應用試驗模態(tài)分析法研宄了振動物體的載荷效應，并導出了運 動載荷的表達式，應用于載荷識別。上世界九十年代初，劉恒春等人將奇異值分解法運用到 振動載荷識別的頻響函數(shù)中，成功識別出非共振頻率及某些頻率下的載荷值。
[0004] 時域識別法中，2011年，CristobalHiche等人使用一種最大應變復制比的方法實 現(xiàn)了再復合材料翼板上的沖擊定位。該方法利用光纖光柵傳感器監(jiān)測板面的沖擊狀態(tài)，即 應變場的變化情況，利用應變幅值大小與光纖光柵傳感器距沖擊位置的距離以及它們之間 夾角的關系，實現(xiàn)定位辨識。該方法對光纖光柵解調(diào)頻率要求較高，在低解調(diào)頻率狀態(tài)下無 法實現(xiàn)較高的定位精度。
[0005] 隨著傳感技術的發(fā)展，基于壓電智能結(jié)構(gòu)的時差法定位法在工程領域得到了廣泛 的應用。其原理是根據(jù)不同壓電傳感器的波達時間不同，計算應力波傳播速度以及沖擊位 置與各傳感器的距離，進而利用時間差法確定沖擊位置的位置坐標。但由于壓電傳感陣列 易受到電磁干擾，且系統(tǒng)信號傳輸線纜布局復雜，使得其應用領域受到一定限制。光纖光柵 傳感器由于具有芯徑細、質(zhì)量輕、柔韌性好、耐腐蝕、抗電磁干擾、適于與被測結(jié)構(gòu)一體化集 成等獨特優(yōu)點，使得其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領域的研宄與應用越來越受到關注。如2012年南 京航空航天大學蘆吉云等利用分布式光纖光柵傳感網(wǎng)絡監(jiān)測板狀復合材料的沖擊狀態(tài)，并 利用支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)對沖擊位置的辨識?；谙闰炛R的神經(jīng)網(wǎng)絡定位法一 般需要構(gòu)建合適的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，并獲取大量的樣本點和測試點進行神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練和測 試，因此無法大規(guī)模的用于工程領域。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是：針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種基于AR模型與馬 氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，能夠以較低的采樣頻率實現(xiàn)對板結(jié)構(gòu)的沖擊辨 識方法。以平板結(jié)構(gòu)作為沖擊試件，光纖光柵傳感器作為監(jiān)測元件，利用單擺擺球加載、光 纖光柵解調(diào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與保存系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)構(gòu)建整個監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Π?結(jié)構(gòu)沖擊載荷進行監(jiān)測。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術問題采用以下技術方案，本發(fā)明方法的操作流程如下：
[0008] 基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，具體步驟包括：
[0009] 步驟一、利用分布式光纖光柵傳感器監(jiān)測板狀結(jié)構(gòu)所受沖擊載荷的響應信號；
[0010] 步驟二、對步驟一所得的響應信號進行時頻域分析，得出能夠表征沖擊位置信息 的響應光譜特征頻率；
[0011] 步驟三、對沖擊響應信號進行特征提取，并構(gòu)建其AR模型；
[0012] 步驟四、將目標沖擊響應信號的特征信息與AR模型參數(shù)矩陣數(shù)據(jù)庫進行比對，采 用馬氏距離計算目標沖擊位置對應的AR模型參數(shù)與樣本AR模型參數(shù)矩陣的相似度，選取 相似度最高的三個樣本沖擊位置坐標，初步確定待監(jiān)測沖擊載荷所在區(qū)域；
[0013] 步驟五、根據(jù)所選取的三個沖擊位置坐標，采用三角中心定位法，實現(xiàn)沖擊載荷位 置精確辨識。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述步驟一實現(xiàn)的硬件架構(gòu)包括依次連接的光纖 傳感模塊、數(shù)據(jù)采集與調(diào)制模塊以及沖擊響應數(shù)據(jù)處理和辨識模塊，其中，
[0015] 所述光纖傳感器模塊包括貼于復合材料板面、由四個FBG傳感器組成的分布式光 纖光柵傳感網(wǎng)絡，用以實現(xiàn)沖擊響應信號的監(jiān)測與感知；
[0016] 所述數(shù)據(jù)采集與調(diào)制模塊包括光纖光柵解調(diào)儀，用以采集由FBG傳感器監(jiān)測到的 沖擊響應信號；
[0017] 所述沖擊響應數(shù)據(jù)處理和辨識模塊為信號處理與模式辨識模塊，用以實現(xiàn)相關沖 擊響應信號特征分析、特征提取方法、相似度比較以及三角中心坐標定位算法的計算。
[0018] 作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述步驟二中，響應光譜特征頻率的計算具體如 下：
[0019] 通過對響應信號S進行i層小波包分解，得出-階分解信號，設定采樣頻率 為fs，則第η階信號的頻段范圍為：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其特征在于，具體步驟 包括： 步驟一、利用分布式光纖光柵傳感器監(jiān)測板狀結(jié)構(gòu)所受沖擊載荷的響應信號； 步驟二、對步驟一所得的響應信號進行時頻域分析，得出能夠表征沖擊位置信息的響 應光譜特征頻率； 步驟三、對沖擊響應信號進行特征提取，并構(gòu)建其AR模型； 步驟四、將目標沖擊響應信號的特征信息與AR模型參數(shù)矩陣數(shù)據(jù)庫進行比對，采用馬 氏距離計算目標沖擊位置對應的AR模型參數(shù)與樣本AR模型參數(shù)矩陣的相似度，選取相似 度最高的三個樣本沖擊位置坐標，初步確定待監(jiān)測沖擊載荷所在區(qū)域； 步驟五、根據(jù)所選取的三個沖擊位置坐標，采用三角中心定位法，實現(xiàn)沖擊載荷位置精 確辨識。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其 特征在于，所述步驟一實現(xiàn)的硬件架構(gòu)包括依次連接的光纖傳感模塊、數(shù)據(jù)采集與調(diào)制模 塊以及沖擊響應數(shù)據(jù)處理和辨識模塊，其中， 所述光纖傳感器模塊包括貼于復合材料板面、由四個FBG傳感器組成的分布式光纖光 柵傳感網(wǎng)絡，用以實現(xiàn)沖擊響應信號的監(jiān)測與感知； 所述數(shù)據(jù)采集與調(diào)制模塊包括光纖光柵解調(diào)儀，用以采集由FBG傳感器監(jiān)測到的沖擊 響應信號； 所述沖擊響應數(shù)據(jù)處理和辨識模塊為信號處理與模式辨識模塊，用以實現(xiàn)相關沖擊響 應信號特征分析、特征提取方法、相似度比較以及三角中心坐標定位算法的計算。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方 法，其特征在于，所述步驟二中，響應光譜特征頻率的計算具體如下： 通過對響應信號S進行i層小波包分解，得出-階分解信號，設定采樣頻率為fs， 則第n階信號的頻段范圍為：
4. 如權(quán)利要求3所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其 特征在于，所述步驟三的具體過程包括： 301、 由步驟二得出板結(jié)構(gòu)沖擊響應信號的特征頻率f，根據(jù)頻譜分析得到相關特征頻 率f目息； 302、 根據(jù)特征頻率信息，確定對沖擊響應信號S進行小波包分解的相關參數(shù)； 303、 采用小波包分解方法提取出響應信號S包含有特征頻率f?的特征分解信號s= [X!X2X3......XN]，其中，N為自然數(shù)； 304、 利用AR模型分析方法對響應信號S的特征分解信號s構(gòu)建AR回歸模型向量，構(gòu) 建過程如下： ①設定分解信號s任一時刻k上的數(shù)值xk表示為m個過去時刻的數(shù)值的線性組合以 及k時刻隨機誤差ak之和，即：
其中，離散隨機誤差為互不相關、均值為〇、方差等同的隨機變量序列，即Eak= 0， =cra2，Eakai= 0(k乒i)，m為階次，奶(/'= 1,2,...m)為自回歸系數(shù)； ②根據(jù)①的設定，將分解信號s的時間序列表示成如下形式：
根據(jù)最小二乘估計法得出沖擊響應信號S的分解信號s對應的AR模型向量為：
其中，Y為模型組合之后的時間序列，①為AR模型參數(shù)向量，A為白噪聲時間序列，X為時間列組合矩陣； 對應一組傳感信號的四個光纖傳感信號將得到四個AR模型向量，按傳感器排列順序 構(gòu)建對應該沖擊位置的AR模型參數(shù)矩陣：
利用AR模型分析法構(gòu)建各組傳感信號的AR回歸模型矩陣T，并建立包含所有沖擊位置AR模型矩陣的三維矩陣樣本數(shù)據(jù)庫P:
P為所有網(wǎng)格單元節(jié)點沖擊響應信號AR模型參數(shù)矩陣的數(shù)據(jù)庫集合。
5.如權(quán)利要求4所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其 特征在于，所述步驟四的具體過程包括： 401、 對待識別沖擊位置各個響應信號分別進行步驟二、步驟三、步驟四所述流程，得到 待識別沖擊位置對應的AR回歸模型系數(shù)
①i, FBG1、①i, FBG2、①i, FBG3、①j，F(xiàn)BG4? 并構(gòu)建AR模型參 402、 采用Mahalanobis距離，將上述系數(shù)矩陣L與AR模型三維樣本數(shù)據(jù)庫P中所有 網(wǎng)格單元節(jié)點沖擊響應信號的AR模型參數(shù)矩陣進行比對，矩陣比對過程中，求取對應傳感 信號的AR模型參數(shù)向量之間的馬氏距離值，計算過程如下：
其中，y=E(①j，F(xiàn)BG1) = (y丨，y2,......，ym)'，y表示AR模型參數(shù)向量①」，腿的均 值系數(shù)向量；2為系數(shù)向量協(xié)方差矩陣：
403、根據(jù)馬氏距離的大小來判定待識別沖擊位置與樣本庫中沖擊點位置的相似度，相 似度越高，則表示兩個沖擊位置之間越接近； 待識別沖擊位置j響應信號與樣本沖擊位置i響應信號AR模型參數(shù)矩陣分別為：
首先，根據(jù)馬氏距離求取上述兩個響應信號AR模型向量之間的馬氏距離扎^。 dij，F(xiàn)BG2、dij，F(xiàn)BG3、dij，F(xiàn)BG4; 其次，計算上述兩個對應傳感響應信號的AR模型參數(shù)向量之間的相關系數(shù);、:r2、r3、r4，并將響應信號之間的相關系數(shù)作為各個馬氏距離值之間的權(quán)重分配值； 最后，將兩個響應信號的馬氏距離與相關系數(shù)綜合在一起，則兩個沖擊點位置之間Mahalanobis距離的綜合值為：
6. 如權(quán)利要求5所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其 特征在于，所述步驟五的具體過程包括： 501、 設定與待識別沖擊位置Mahalanobis距離綜合值最小即相似度最高的3個樣本沖 擊點位置a、b、c，其對應坐標分別為（xa，ya)、（xb，yb)、（x。，y。）； 502、 根據(jù)三角中心法，將3個樣本沖擊點位置a、b、c構(gòu)成的三角形區(qū)域中心坐標作為 待辨識沖擊位置坐標〇 (x，y)，計算過程如下：
其中，da、db和d。分別表示待識別位置0與點a、b、c之間的歐式距離，當點0為該三角 形中心時，da=db=dc; 503、 通過求解502中的方程即可得到待識別沖擊點位置坐標為（x，y)。
7. 如權(quán)利要求2所述的基于AR模型與馬氏距離的光纖光柵傳感動態(tài)載荷辨識方法，其 特征在于：步驟一中，將四個光纖光柵傳感器以相鄰兩傳感器相互垂直的方式，構(gòu)成正方形 區(qū)域，進而將四個FBG傳感器連接成分布式傳感網(wǎng)絡，四個傳感器所包圍的區(qū)域即為監(jiān)測 區(qū)域； 將監(jiān)測區(qū)域劃分為規(guī)則的正方形網(wǎng)格模式； 利用單擺擺球?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格點進行等能量沖擊加載，保證單擺擺動角度、擺長 不變、每次的沖擊能量相等； 擺球?qū)Π迕娴臎_撞模擬了沖擊過程的發(fā)生，引起粘貼于板面的FBG傳感器的中心波長 將發(fā)生偏移，并通過光纖光柵解調(diào)儀與計算機軟件系統(tǒng)實時讀取和記錄4個光纖光柵傳感 器中心波長的偏移量信息。將每一個沖擊位置對應的四個FBG傳感器監(jiān)測到的沖擊響應信 號作為一組傳感信號。
【文檔編號】G01M7/08GK104483049SQ201410769273
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】曾捷, 曹亮, 王博, 張先輝, 史璐, 劉蘇州, 毛超群 申請人:南京航空航天大學