CN112946070B - 基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，包括仿真计算得到传递路径误差矩阵；根据阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；基于预设的协方差矩阵对阵列信号进行特征值分解，得到信号子空间和噪声子空间，并在预设的阵列信号矢量函数中确定导向矢量，且结合传递路径误差矩阵对导向矢量进行补偿，进一步导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；将空间谱峰值点的空间谱方位导入预设的代价函数中迭代计算，输出迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位。实施本发明，能针对复杂复合材料几何不规则结构引起的传递路径误差问题进行改善，有效提高复合材料结构的冲击定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法及***。
背景技术
复合材料以其比重小，比刚度大等优异性能被应用于民用军事、汽车、飞机等工程领域中。其中，复杂复合材料结构作为典型复合结构形式，更是在战斗机或客机的机身、尾翼、机翼等飞机结构中得到了广泛的应用。然而，复合结构在服役过程中易受外界环境低速冲击而产生隐蔽的损伤，其损伤表面可能不可见，但其内部往往已损伤严重。结构健康监测技术能够对复合材料结构进行实时监测，增强材料结构使用的安全性与可靠性。
近年来，基于阵列信号处理的结构健康监测方法层出不穷。其中，多重信号分类(Multiple signal classification，MUSIC)算法作为经典结构健康监测方法之一，其基本思想是将传感器阵列信号协方差矩阵特征分解，获取其信号子空间和噪声子空间，利用两个子空间正交性进行信号的位置参数估计。如，Zhong YT和Xiang JW利用准各向同性环氧层压板和复杂复合材料板实验验证了基于时差和二维多重信号分类(2D-MUSIC)的冲击定位方法，实现了复合材料结构的全方位定位。
但是，由于复杂复合材料结构的几何不规则性等外在因素的影响，使得基于阵列信号处理的复合结构损伤监测技术往往受到限制。因此，有必要针对复杂复合材料几何不规则结构引起的传递路径误差问题进行改善，有效提高复合材料结构的冲击定位精度。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法及***，能针对复杂复合材料几何不规则结构引起的传递路径误差问题进行改善，有效提高复合材料结构的冲击定位精度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
S2、根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
S3、基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
S4、将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位。
其中，所述步骤S1具体包括：
基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
设定阵列传感器，并在所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收所述加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和所述不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到所述传递路径误差矩阵。
其中，通过公式T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)}，得到所述传递路径误差矩阵；其中，
T(r,θ)为所述传递路径误差矩阵；2m+1为阵列传感器中阵元总数；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元的距离，即幅值；θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位；
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r-rq)/c。
其中，所述步骤S3具体包括：
通过预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，所述预设的协方差矩阵为
为信号子空间；
为噪声子空间；
根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数
中，确定所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)；其中，ss0(t)为阵列传感器中阵元S0在近场源中的响应信号，且
u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；N(t)为由噪声子空间形成的噪声函数；
通过所述仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
其中，
确定预设的空间谱函数为
并将补偿后的导向矢量
导入中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
其中，所述步骤S4具体包括：
确定所述预设的代价函数为
将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入所述预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得所述预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
本发明实施例还提供了一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，包括：
仿真计算单元，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
信号获取单元，用于根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
传递路径误差补偿单元，用于基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
实际方位识别单元，用于将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位。
其中，所述仿真计算单元包括：
有限元模型构建模块，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
信号定位分析对比模块，用于设定阵列传感器，并在所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收所述加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和所述不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
传递路径误差矩阵计算模块，用于对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到所述传递路径误差矩阵。
其中，通过公式T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)}，得到所述传递路径误差矩阵；其中，
T(r,θ)为所述传递路径误差矩阵；2m+1为阵列传感器中阵元总数；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元的距离，即幅值；θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位；
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r-rq)/c。
其中，所述传递路径误差补偿单元包括：
特征值分解模块，用于通过预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，所述预设的协方差矩阵为
为信号子空间；
为噪声子空间；
导向矢量确定模块，用于根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数
中，确定所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)；其中，ss0(t)为阵列传感器中阵元S0在近场源中的响应信号，且
u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；N(t)为由噪声子空间形成的噪声函数；
导向矢量补偿模块，用于通过所述仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
其中，
空间谱方位计算模块，用于确定预设的空间谱函数为
并将补偿后的导向矢量
导入中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
其中，所述实际方位识别单元包括：
代价函数获取模块，用于确定所述预设的代价函数为
迭代计算模块，用于将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入所述预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得所述预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
实际方位输出模块，用于输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用有限元软件建立两个材料大小相同的加筋结构板和不加筋结构板模型来得到因传播路径偏差引起的阵列误差矩阵，并代入原2D-MUSIC算法补偿导向矢量之后，代入自适应代价函数迭代计算冲击源的位置，因此将有限元仿真分析与自适应迭代相结合，提高了自适应传感器阵列误差校正的可靠性，有效降低了自适应迭代时发生局部收敛或计算速度过慢现象的可能性，从而能针对复杂复合材料几何不规则结构引起的传递路径误差问题进行了改善，有效提高复合材料结构的冲击定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法中加筋结构及不加筋结构的冲击波传播及阵列布置图；其中，2a为加筋结构的冲击波传播及阵列布置图；2b为不加筋结构的冲击波传播及阵列布置图；
图3为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法的应用场景中加筋结构冲击位置及阵列布置平面示意图；
图4为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法的应用场景中加筋结构与不加筋结构在位置(90°,200mm)处波传播云图；其中，4a为加筋结构在位置(90°,200mm)处波传播云图；4b为不加筋结构在位置(90°,200mm)处波传播云图；
图5为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法的应用场景中加筋结构与不加筋结构在位置(90°,200mm)处阵列响应信号示意图；其中，5a为加筋结构在位置(90°,200mm)处阵列响应信号示意图；5b为不加筋结构在位置(90°,200mm)处阵列响应信号示意图；
图6为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法与标准2D-MUSIC方法在位置(90°,200mm)处冲击定位估计示意图；其中，6a为标准2D-MUSIC方法在位置(90°,200mm)处冲击定位估计示意图；6b为本发明实施例提供的方法在位置(90°,200mm)处冲击定位估计示意图
图7为本发明实施例提供的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
具体过程为，首先，基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用ABAQUS有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
其次，设定阵列传感器，并在加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
最后，对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到传递路径误差矩阵。
在一个实施例中，确定所研究复合材料结构的材料参数，使用有限元分析软件建立同一尺寸的加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型，在分析步中设定采样间隔10-7s，波传播时间0.5ms，施加载荷确定边界条件，完成加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型的建立。
如图2所示，假定采用一维均匀线性阵列传感器，其阵元总数为2m+1个，且阵元间距为d。在理想状态下，以中心阵元S0作为参考阵元，即S0传感器在近场源中的响应信号可以表示为：
其中，u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元(如中心阵元S0)的距离，即幅值。
根据三角形几何关系，第q个PZT阵元传感器与信号源之间的距离可以表示为：
信号源传播至第q个PZT阵元传感器相对于信号源传播到中心阵元S0的时间延迟可以表示为：
τq＝(r-rq)/c (3)；
第q个阵元PZT导向矢量表示为
aq(r,θ)＝exp(jω0τq) (4)；
其中，θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元(如中心阵元S0)之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位。
将近场情况下整体传感器阵列响应信号矢量可以表示为：
为了观察加筋结构对Lamb波传播的影响，每次在上述两个有限元模型的相同位置施加等同荷载，结合所得到的加筋与不加筋结构各自模拟冲击点的冲击信号进行对比，总结0～180度范围内不同角度过筋及不过筋时的幅值和相位变化规律并进行曲线拟合，计算幅值差和相位误差来获得传递路径误差矩阵：
T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)} (6)；
其中，
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r-rq)/c。
步骤S2、根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
具体过程为，采用步骤S1同样的阵列传感器来获取待定位冲击点的阵列信号。
步骤S3、基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
具体过程为，考虑到在被测材料几何不规则结构中冲击监测，波的传播路径发生改变，阵列信号幅值相位出现偏差导致实际方向向量与信号子空间不相等，从而使得实际冲击信号的转向矢量与噪声子空间很难正交，导致自适应迭代方法的初始值偏差较大出现局部收敛或计算过慢问题。因此，需要采用步骤S1中获得的传递路径误差矩阵将其代入原近场2D-MUSIC算法对导向矢量进行补偿，获取较为准确的初始估计，有效降低了自适应迭代计算过慢及局部收敛现象。
首先，通过预设的协方差矩阵，对阵列信号进行特征值分解，得到阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，协方差矩阵为
为信号子空间；
为噪声子空间；
其次，根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在上述步骤S1中预设的阵列信号矢量函数(如公式(5)所示)中，确定阵列信号的导向矢量A(r,θ)；
接着，通过仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
如公式(7)所示；其中，
最后，确定预设的空间谱函数，如公式(8)所示：
并将补偿后的导向矢量
导入公式(8)中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
步骤S4、将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位。
具体过程为，首先，确定预设的代价函数，如公式(9)所示为
接着，将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入公式(9)对应预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
最后，输出公式(9)对应预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
如图3至图6所示，对本发明实施例中提供的一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法的应用场景做进一步说明：
首先，加筋结构板及不加筋结构板有限元仿真建模，板的尺寸同为100cm*100cm*0.2cm，其中加筋结构的加筋部分尺寸为65cm*4cm*0.3cm。在板中心布置均匀线阵包含7个压电传感器，其相互间距为10mm，依次标记为PZT1,PZT2,…,PZT7。共在12个不同方位施加载荷(50KHz的调制五波峰)，依次做冲击仿真模拟。
第一步、仿真上述两个有限元模型模拟冲击点的冲击信号进行对比研究分析：在加筋板与不加筋板仿真冲击信号中同一位置冲击，让两板阵列幅相信号比较做差，获取传播路径误差矩阵。
第二步、获取待定位冲击点的阵列信号：加筋碳纤维板冲击实验，采集阵列信号。
第三步、阵列信号预处理：对阵列协方差矩阵特征值分解，获得信号子空间与噪声子空间，并利用仿真得到的传播路径误差矩阵补偿导向矢量，计算空间谱方位。
第四步、自适应迭代：将得到的空间谱方位作为信号源初始估计值，进行自适应迭代计算使得代价函数最小化，获得信号源实际位置估计。
最后，结果成像：将该方法与标准线性衰减的MUSIC方法冲击定位比较，其结果以两空间谱图表示，该方法定位时距离偏差相对缩小了0.2cm，角度偏差相对减小2°。结果表明，本发明提出方法有效提高了加筋复合结构的冲击定位精度。
如图7所示，为本发明实施例中，提供的一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，包括：
仿真计算单元110，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
信号获取单元120，用于根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
传递路径误差补偿单元130，用于基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
实际方位识别单元140，用于将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位。
其中，所述仿真计算单元包括：
有限元模型构建模块，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
信号定位分析对比模块，用于设定阵列传感器，并在所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收所述加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和所述不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
传递路径误差矩阵计算模块，用于对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到所述传递路径误差矩阵。
其中，通过公式T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)}，得到所述传递路径误差矩阵；其中，
T(r,θ)为所述传递路径误差矩阵；2m+1为阵列传感器中阵元总数；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元的距离，即幅值；θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位；
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r-rq)/c。
其中，所述传递路径误差补偿单元包括：
特征值分解模块，用于通过预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，所述预设的协方差矩阵为
为信号子空间；
为噪声子空间；
导向矢量确定模块，用于根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数
中，确定所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)；其中，ss0(t)为阵列传感器中阵元S0在近场源中的响应信号，且
u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；N(t)为由噪声子空间形成的噪声函数；
导向矢量补偿模块，用于通过所述仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
其中，
空间谱方位计算模块，用于确定预设的空间谱函数为
并将补偿后的导向矢量
导入中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
其中，所述实际方位识别单元包括：
代价函数获取模块，用于确定所述预设的代价函数为
迭代计算模块，用于将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入所述预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得所述预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
实际方位输出模块，用于输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明利用有限元软件建立两个材料大小相同的加筋结构板和不加筋结构板模型来得到因传播路径偏差引起的阵列误差矩阵，并代入原2D-MUSIC算法补偿导向矢量之后，代入自适应代价函数迭代计算冲击源的位置，因此将有限元仿真分析与自适应迭代相结合，提高了自适应传感器阵列误差校正的可靠性，有效降低了自适应迭代时发生局部收敛或计算速度过慢现象的可能性，从而能针对复杂复合材料几何不规则结构引起的传递路径误差问题进行了改善，有效提高复合材料结构的冲击定位精度。
值得注意的是，上述***实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
S2、根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
S3、基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
S4、将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位；
所述步骤S1具体包括：
基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
设定阵列传感器，并在所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收所述加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和所述不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到所述传递路径误差矩阵。
2.如权利要求1所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，其特征在于，通过公式T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)}，得到所述传递路径误差矩阵；其中，
T(r,θ)为所述传递路径误差矩阵；2m+1为阵列传感器中阵元总数；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元的距离，即幅值；θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位；
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r0-rq)/c，r0为模拟冲击点至阵列传感器中心阵元O的距离；c为传播的波速；ω0为中心频率。
3.如权利要求2所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
通过预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，所述预设的协方差矩阵为
US为信号子空间，ΣS为协方差矩阵分解后的信号特征值，
为信号部分；UN为噪声子空间，ΣN为协方差矩阵分解后的噪声特征值，
为噪声部分；
根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数
中，确定所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)；其中，ss0(t)为阵列传感器中阵元S0在近场源中的响应信号，且
u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；N(t)为由噪声子空间形成的噪声函数；
通过所述仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
其中，
确定预设的空间谱函数为
并将补偿后的导向矢量
导入其中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
4.如权利要求3所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
确定所述预设的代价函数为
将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入所述预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得所述预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
5.一种基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，其特征在于，包括：
仿真计算单元，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，并结合阵列传感器，仿真计算得到传递路径误差矩阵；
信号获取单元，用于根据所述阵列传感器，获取待定位冲击点的阵列信号；
传递路径误差补偿单元，用于基于预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间，并根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数中确定所述阵列信号的导向矢量，且结合所述仿真得到的传递路径误差矩阵对所述阵列信号的导向矢量进行补偿，进一步将补偿后的导向矢量导入预设的空间谱函数中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位；
实际方位识别单元，用于将所述空间谱峰值点所对应的空间谱方位作为初始估计值，且进一步导入预设的代价函数中进行迭代计算，输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位并作为待定位冲击点的实际方位；其中，所述预设的代价函数中的迭代变量至少有空间谱方位；
所述仿真计算单元包括：
有限元模型构建模块，用于基于同尺寸复合材料的加筋板及不加筋板，使用有限元分析软件，分别构建出加筋板有限元模型和不加筋板有限元模型；
信号定位分析对比模块，用于设定阵列传感器，并在所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型的相同位置上每次均施加等同荷载来模拟冲击点，且进一步结合阵列传感器模拟接收所述加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号和所述不加筋板有限元模型上模拟冲击点的冲击信号，统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位；
传递路径误差矩阵计算模块，用于对统计出预定角度范围内阵列传感器中各阵元至各模拟冲击点在过筋以及不过筋时的幅值和相位进行曲线拟合，确定所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中同一阵元的相位差和幅值差，并根据所确定的相位差和幅值差，得到所述传递路径误差矩阵。
6.如权利要求5所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，其特征在于，通过公式T(r,θ)＝{T1(r,θ),...,Tq(r,θ),...T2m+1(r,θ)}，得到所述传递路径误差矩阵；其中，
T(r,θ)为所述传递路径误差矩阵；2m+1为阵列传感器中阵元总数；r为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元的距离，即幅值；θ为某一模拟冲击点至阵列传感器中某一阵元之间的连线与阵列传感器中阵元连线所形成的夹角，即相位；
其为第q个阵元对应的传递路径误差；Cq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的幅值差；Δτq为所述加筋板有限元模型和所述不加筋板有限元模型在相同模拟冲击点上所对应至阵列传感器中第q个阵元的相位差，且τq＝(r0-rq)/c，r0为模拟冲击点至阵列传感器中心阵元O的距离；c为传播的波速；ω0为中心频率。
7.如权利要求6所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，其特征在于，所述传递路径误差补偿单元包括：
特征值分解模块，用于通过预设的协方差矩阵，对所述阵列信号进行特征值分解，得到所述阵列信号的信号子空间和噪声子空间；其中，所述预设的协方差矩阵为
US为信号子空间，ΣS为协方差矩阵分解后的信号特征值，
为信号部分；UN为噪声子空间，ΣN为协方差矩阵分解后的噪声特征值，
为噪声部分；
导向矢量确定模块，用于根据所得到的信号子空间和噪声子空间，在预设的阵列信号矢量函数
中，确定所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)；其中，ss0(t)为阵列传感器中阵元S0在近场源中的响应信号，且
u(t)为激励信号；ω0为中心频率；k为信号波数，且k＝ω0/c，c为传播的波速；N(t)为由噪声子空间形成的噪声函数；
导向矢量补偿模块，用于通过所述仿真得到的传递路径误差矩阵T(r,θ)，对所述阵列信号的导向矢量A(r,θ)进行补偿，得到补偿后的导向矢量
其中，
空间谱方位计算模块，用于确定预设的空间谱函数为
并将补偿后的导向矢量
导入其中进行计算，得到空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)。
8.如权利要求7所述的基于传递路径误差补偿来识别冲击源位置的***，其特征在于，所述实际方位识别单元包括：
代价函数获取模块，用于确定所述预设的代价函数为
迭代计算模块，用于将空间谱峰值点所对应的空间谱方位(r0,θ0)导入所述预设的代价函数中进行迭代计算，要在自适应迭代误差向量γ满足约束条件γHω＝1情况下，使得所述预设的代价函数最小；其中，ω＝[1,0,…,0]T；
实际方位输出模块，用于输出所述预设的代价函数中迭代结果为最小时的空间谱方位(r,θ)，并作为待定位冲击点的实际方位。
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