基于搜索空间约束策略的MUSIC损伤定位方法

本发明属于工程结构健康监测，具体涉及了一种基于搜索空间约束策略的music损伤定位方法。

背景技术：

1、boeing公司开发了飞机健康管理系统，通过实时故障监测和数据分析等诊断工具，提高运营效率，在飞行中也能够进行故障排除并作针对性维护。airbus公司推出了飞行健康监测系统，可以实时收集飞机诊断信息，整理、跟踪并分析警报，从而能够快速有效地进行决策和准备最佳解决方案。因此，目前高效算法将是一个重要的需求导向。在实际工程应用中，人们逐渐发现巨大的计算量成为了阻碍music损伤定位方法实际工程化的瓶颈之一，尤其是对实时性要求较高的工程中的应用变得异常困难。

2、由于导波在结构中传播距离远且对小损伤敏感等优点，因此基于导波的结构健康监测方法被认为是最有工程应用潜力的在线监测方法之一。多重信号分类(multiplesignal classification,music)损伤定位方法是近年来新引入导波结构健康监测的一种阵列信号处理方法。该方法的基本思想是将任意阵列输出数据的协方差矩阵进行特征值分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和与信号分量相正交的噪声子空间，然后利用这两个子空间的正交性来估计信号源的方向。

3、然而，现有的结构健康监测方法中，应用于压电导波密集阵列的music损伤定位方法进行损伤定位时所采用的搜索过程需要对监测结构全域细分，进行信号聚焦，实施特征值分解获取噪声子空间，再进行空间谱峰比较，进而进行损伤定位，计算次数多、计算效率低，使得对结构状态的在线实时损伤定位变得十分困难。因此，提升music损伤定位方法的效率是非常必要的。

技术实现思路

1、针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于搜索空间约束策略的music损伤定位方法，以解决现有技术中music损伤定位方法运算量大的问题；本发明方法提高了music损伤定位方法的运算效率。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的一种基于搜索空间约束策略的music损伤定位方法，步骤如下：

4、(1)采集结构健康状态传感信号：在结构健康状态下，将激励阵列中的单个阵元向结构中激发激励信号，传感阵列接收结构的响应信号；

5、(2)采集结构损伤状态传感信号：在损伤监测过程中，将激励阵列中的单个阵元向结构中激发激励信号，传感阵列接收结构的响应信号；

6、(3)获取单激励源下的损伤散射阵列信号：将同一激励传感通道下结构损伤状态传感信号与结构健康状态传感信号作差，得到单激励源下的损伤散射阵列信号；

7、(4)获取噪声子空间：利用单激励源下的损伤散射阵列信号，计算阵列信号的协方差矩阵，再对协方差矩阵进行特征值分解，得到由大到小排列的特征值，将小特征值对应的特征向量形成噪声子空间，大特征值对应的特征向量形成信号子空间；

8、(5)设定搜索起始位置和搜索步长：将搜索起始位置设定为(rs,θs)，即搜索位置至传感阵列中参考阵元的距离为rs，搜索位置相对于传感阵列的方向为θs，距离和角度的搜索步长分别为rint和θint；其中rs、rint、θs、θint的取值范围在监测范围内；

9、(6)获取阵列导向矢量：计算搜索位置到达传感阵列中各阵元的距离，然后得到搜索位置至各传感阵元的距离相对于传感阵列中参考阵元的距离差，再根据导波传播速度得到搜索位置至各传感阵元的时间相对于参考阵元的时间差，定义为阵列时延，根据获得的阵列时延计算出阵列导向矢量；

10、(7)计算基于单激励源下的空间谱，对空间谱成像后得到损伤初定位位置；

11、(8)根据结构复杂形式的先验信息定义搜索邻域约束因子；

12、(9)确定搜索约束空间：当损伤初定位位置与复杂结构形式的间距在r以内，则判定损伤初定位位置在复杂结构形式上；否则判定损伤初定位位置在非复杂结构形式上，进一步结合具体结构形式自适应设定搜索约束空间；

13、(10)在约束空间内对多个单激励源下的损伤散射阵列信号进行聚焦增强；计算各激励阵元到达搜索位置处的时延，按照时延将各阵元激励时的散射信号前移或后移，再将施加时延后的损伤散射信号进行叠加，得到叠加后的损伤散射信号；

14、(11)计算搜索约束空间谱并成像，成像结果峰值点为损伤位置。

15、进一步地，在步骤(1)中包含激励阵列e和传感阵列t，每个阵列均由2k+1个阵元组成，阵元等间距排列，激励阵列e中的每个阵元用eg表示，传感阵列t中的每个阵元用tg表示，g表示阵列的阵元编号，g＝-k,-(k-1),…,0,…,k-1,k。

16、进一步地，所述步骤(3)中基于单激励源e0得到的损伤散射阵列信号为：

17、

18、式中，h(t)表示结构健康状态下基于单激励源e0时的传感阵列响应信号，d(t)表示结构损伤状态下基于单激励源e0时的传感阵列响应信号；表示传感阵列t基于单激励源e0得到的损伤散射阵列信号。

19、进一步地，所述步骤(4)中，损伤散射阵列信号的协方差矩阵c：

20、

21、式中，为的hermitian转置，y为信号采样长度；

22、对协方差矩阵c进行特征分解：

23、

24、式中，zs、zη分别为信号子空间与噪声子空间，∑s、ση分别为信号子空间对应的大特征值与噪声子空间对应的小特征值。

25、进一步地，所述步骤(6)中阵列导向矢量a(r,θ)中的元素表示为ω0为信号传播的中心频率，j为虚数单位，b为相邻阵元的间距，v为信号传播速度，r和θ分别为搜索位置相对于传感阵列t的距离和角度，τg表示阵列t中各阵元相对参考阵元t0的信号到达时间延迟。

26、进一步地，所述步骤(7)中，利用步骤(4)中的噪声子空间zη以及步骤(6)中的阵列导向矢量a(r,θ)，计算搜索位置(r,θ)对应的空间谱jmusic，空间谱表达式为：

27、

28、式中，ah(r,θ)为a(r,θ)的hermitian转置，为zη的hermitian转置；

29、对空间谱进行成像，在空间谱图中存在一个明显的波峰，其为基于单激励源下获得的损伤初定位位置(r0,θ0)。

30、进一步地，所述步骤(10)中在约束空间内利用相干叠加方法，聚焦增强的损伤散射阵列信号g'为：

31、

32、式中，gg表示激励阵列e中第g个阵元激励时传感阵列t得到的损伤散射阵列信号，ω0为信号传播的中心频率，t为激励阵列e中的各阵元至搜索空间位置的相对时延。

33、进一步地，所述步骤(11)中结合步骤(10)在约束空间内得到的聚焦增强的损伤散射阵列信号计算搜索约束空间谱jmusic2(r,θ)：

34、

35、式中，z'η表示通过对聚焦增强的损伤散射阵列信号的协方差矩阵进行特征分解获得小特征值对应的特征向量所形成的噪声子空间。

36、本发明的有益效果：

37、本发明首先通过单个阵元激励获得的损伤散射阵列信号进行特征分解，直接获取信号噪声子空间，初定位结构损伤位置；然后根据结构复杂形式的先验信息定义搜索邻域约束因子；再依据初定位损伤位置及邻域约束因子确定方法进一步搜索约束空间；最后在约束空间内聚焦增强损伤散射信号，搜索精确损伤位置。

38、本发明大幅减少了music损伤定位方法聚焦信号、噪声子空间及空间谱峰计算次数，可提高music损伤定位方法的效率。