芮小博 李一博 劉圓圓 綦磊,2 曾周末

(1 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器的安全性問題得到了越來越多的重視[1]。在軌航天器所處的太空存在著大量的太空垃圾與微流星體，對航天器的安全運行產(chǎn)生威脅。一旦發(fā)生碰撞，容易對航天器的艙體產(chǎn)生破壞進(jìn)而造成泄漏，影響艙體內(nèi)部的氣體壓力平衡，直接影響宇航員的安全及設(shè)備的正常運行[2]。

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)航天器泄漏從而實施修補(bǔ)，需要開發(fā)一種在軌航天器的結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外開展的相關(guān)研究主要基于紅外成像技術(shù)、光纖檢測技術(shù)、聲學(xué)檢測技術(shù)等[3]，大部分還在研究與試驗過程中。其中，聲學(xué)檢測技術(shù)因為靈敏度高、易于實現(xiàn)而獲得了大量關(guān)注[4]。

航天器外殼結(jié)構(gòu)屬于金屬薄板結(jié)構(gòu)，其泄漏以連續(xù)信號的形式進(jìn)行傳播。其定位的難點主要體現(xiàn)在信號的連續(xù)性及板型的復(fù)雜性。泄漏信號不屬于突發(fā)聲信號，無法準(zhǔn)確獲取其開始時間，因此難以使用傳統(tǒng)的聲達(dá)時間差方法。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，航天器外殼常用加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，對信號的傳播特性造成影響，進(jìn)一步對泄漏信號的定位造成困難[5]。

為了解決以上問題，國內(nèi)外研究人員提供了多種思路。劉治東等人[6]開展了基于模態(tài)的分離對撞擊信號進(jìn)行了定位及損傷評估，但也無法對連續(xù)泄漏進(jìn)行定位。Reusser等人[7]對陣列式傳感方法進(jìn)行了研究，開發(fā)了64元傳感器陣列，結(jié)合空間傅里葉變換及三角法對連續(xù)泄漏信號進(jìn)行定位，但該方法所需傳感器數(shù)量多、計算量大，且定位精度難以達(dá)到應(yīng)用需求。Mclaskey等人[8]基于波束形成原理，對連續(xù)聲源信號實現(xiàn)了準(zhǔn)確的定位，但無法應(yīng)用在復(fù)雜加筋板結(jié)構(gòu)中。李一博等人[9-10]利用聲傳感器陣列和頻速加權(quán)波束形成算法，可實現(xiàn)簡單平板上的連續(xù)泄漏精確定位，但在加筋板結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用存在明顯局限性。

Al-Jumaili等人[11]于2016年提出了一種針對復(fù)雜幾何形狀和復(fù)雜材料聲發(fā)射定位問題的時延映射法。該方法通過劃分網(wǎng)格并建立時延數(shù)據(jù)表，在檢測時參照該矩陣結(jié)合聚類算法自動識別信號源的位置，但該方法只適用于具有明顯時間起點的聲發(fā)射信號。

針對航天器復(fù)雜加筋板結(jié)構(gòu)連續(xù)泄漏的準(zhǔn)確定位問題，本文提出了一種幅度譜索引法，該方法將時延映射法的特征值拓展到幅度譜上，以應(yīng)用于連續(xù)信號的定位問題。該方法需要預(yù)先在需要檢測的加筋板上劃分網(wǎng)格與布放傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在每個網(wǎng)格激發(fā)泄漏聲源信號，提取信號的幅度譜特征量，形成索引矩陣。在應(yīng)用時，可以通過與表格進(jìn)行匹配索引，得到其位置信息。該方法為航天器復(fù)雜加筋板結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確定位問題提供了思路與具體的實現(xiàn)方法，可為航天器的在軌檢漏設(shè)備設(shè)計提供參考。

1 幅度譜索引法原理

泄漏點激發(fā)出的連續(xù)聲信號以式(1)的形式表達(dá)

S0(f)=A(f)exp(jφ(f))

(1)

式中：A(f)是聲信號的幅頻譜，φ(f)是相位譜。

該連續(xù)信號將以板波的形式傳播，并被分布式傳感網(wǎng)絡(luò)接收。其中某一個傳感器所接收的信號為

Sn(f)=Gn(f)En(f)A(f)exp(jφ(f)-

jk(f)dn)

(2)

式中：n表示分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中第n個傳感器，Gn(f)En(f)表示從泄漏點到傳感器的幅值系統(tǒng)傳遞函數(shù)，Gn(f)表示在板子中傳播的衰減，En(f)是傳感器的幅頻響應(yīng)因子。k(f)代表A0模態(tài)蘭姆波的波數(shù)，dn表示傳感器與泄漏點的距離。

幅度譜索引法不以相位為特征值，因此在后文中以幅值進(jìn)行討論。編號為m和k的兩個傳感器幅值的比值為

(3)

傳感器之間的比值與泄漏源的頻譜響應(yīng)無關(guān)，因此該方法適用于多種泄漏。在工作中，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一旦確定，傳感器的幅頻響應(yīng)比Ek(f)/Em(f)將保持不變。因此，比值只與泄漏點的位置有關(guān)系?？蓪⑺械膫鞲衅髋c同一個傳感器進(jìn)行比較，產(chǎn)生特征值Q。

可通過將平板劃分成均勻的網(wǎng)格，并在每個網(wǎng)格進(jìn)行信號激發(fā)模擬泄漏，得到各個點的Q值，并制作成索引矩陣。當(dāng)某一個位置發(fā)生損傷產(chǎn)生泄漏時，可與索引矩陣進(jìn)行對比，最接近的一個點即被認(rèn)為是泄漏點。匹配算法使用最小方差法

(4)

其方差最小網(wǎng)格即為定位結(jié)果。從原理中可以看出，該方法將傳統(tǒng)的時延映射法中的特征值拓展到幅度譜上，以幅度譜的比值代替時延作為特征值，可以克服信號傳播特性及激發(fā)信號頻譜特性的影響，從而可實現(xiàn)對航天器復(fù)雜加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)泄漏聲信號定位。

2 實驗系統(tǒng)搭建

2.1 實驗平臺

針對幅度譜索引定位法，本節(jié)進(jìn)行了實驗平臺的設(shè)計，如圖1所示。該平臺主要由激光多普勒測振儀(POLYTEC：PSC-500V)，電壓放大器(TEGAM：Model2350)，激勵換能器(PAC：Nano30)組成。實驗所用金屬板如圖2所示，其材料為鋁合金5A06，尺寸為400 mm×200 mm×2.5 mm，金屬薄板具有高為20 mm，厚為4 mm的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋縱橫交錯且間隔100 mm。

圖1 實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

圖2 加筋板示意圖Fig.2 Schematic diagram of stiffened plate

2.2 實驗步驟

首先需要在加筋金屬薄板上均勻劃分網(wǎng)格。從原理上可知，網(wǎng)格的數(shù)量將決定該方法的定位精度。網(wǎng)格數(shù)量的增加課題提高系統(tǒng)的定位精度，但同時也大量的提高了前期的工作量。因此應(yīng)該通過航天器不同位置的不同定位精度需求進(jìn)行網(wǎng)格劃分確定。實驗加筋板上網(wǎng)格設(shè)置為10 mm×10 mm大小，因此共劃分出800個網(wǎng)格。

在索引矩陣準(zhǔn)備階段，使用信號發(fā)生器產(chǎn)生100～400 kHz的掃頻信號來模擬泄漏信號，該信號根據(jù)泄漏頻譜特征進(jìn)行選取，信號時間長度選為8 ms。信號發(fā)生器的激發(fā)信號經(jīng)過電壓放大器驅(qū)動Nano30換能器，以激發(fā)模擬的泄漏聲信號。模擬激勵源被依次放置在網(wǎng)格中，在每個激發(fā)的同時使用激光多普勒測振儀替代分布式傳感器采集振動信號，本實驗中計劃采集7個點的信號，位置如圖3所示。理論上只需要兩個傳感器即可定位，但是為了提高定位的準(zhǔn)確性及魯棒性，需要采用多個傳感器。使用采集點1作為參考點，因此將其設(shè)置在板中心位置，其余6個點將在覆蓋整個板的情況下隨機(jī)選取。信號的采樣率為3.125 M，對每個采樣點實現(xiàn)100次平均值采樣，計算特征值建立索引矩陣。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

使用白噪聲疊加激勵信號作為泄漏聲源進(jìn)行定位測試，將其分為3種情況進(jìn)行討論，分別為網(wǎng)格中心、1/2網(wǎng)格、1/4網(wǎng)格，如圖4所示。每種情況隨機(jī)選取了45個點進(jìn)行測試，共135個測試點。

圖4 3種泄漏源實驗條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of three types of leakage sources for experiment

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 實驗結(jié)果

圖5展示了本方法的定位結(jié)果, 圖中色塊數(shù)值大小表示歸一化方差值，選取方差最小的網(wǎng)格作為定位結(jié)果。白色方框為傳感點所在網(wǎng)格位置，綠色圓圈表示泄漏信號真實位置，紅色圓圈表示泄漏源定位結(jié)果所在位置，其中(a)～(c)分別表示了3種情況的定位示例圖。x、y代表加筋板尺寸。

從圖5中可以看出，該方法可以有效對加筋板結(jié)構(gòu)的泄漏聲源進(jìn)行定位，當(dāng)實際聲源位置和網(wǎng)格中心位置重合時，定位效果最好。當(dāng)泄漏源只占有1/4網(wǎng)格時，出現(xiàn)了明顯的定位誤差。對上述135個泄漏聲源進(jìn)行定位，并求每種類型的平均定位誤差，可以得到表1的結(jié)果，與圖5中的結(jié)果一致。當(dāng)實際位置離網(wǎng)格中心點越遠(yuǎn)時，定位誤差越大。經(jīng)計算，對于135個未知聲源，在上述的實驗條件下，應(yīng)用幅度譜索引法，其平均定位誤差為21.7 mm。

圖5 3種泄漏源定位效果圖Fig.5 Positioning results of three types of leakage sources

情況網(wǎng)格中心1/2網(wǎng)格1/4網(wǎng)格平均定位誤差/mm4.320.140.8

3.2 討論

幅度譜索引法對傳播特性及激發(fā)信號頻譜特性的影響不敏感，只需要對參考傳感器信號做比值處理，因此很適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定位檢測。而由于測試信號無需獲知時間信息，因此可以對連續(xù)泄漏信號進(jìn)行檢測。對于航天器來說，不僅可以對加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，對于不連續(xù)或邊界彎曲的結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)行檢測，例如舷窗、艙門附近等。由于幅度譜索引表是在檢測前期完成，在檢測過程中已經(jīng)內(nèi)置進(jìn)入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的嵌入式系統(tǒng)，因此在實際應(yīng)用的過程中運算量小，可實時定位。該方法也有一定的局限性，在建立特征值索引矩陣表的過程中需要花費較多時間，尤其是待測材料面積較大時；該方法的定位精度與網(wǎng)格劃分的關(guān)系很大，網(wǎng)格劃分越細(xì)致得到的定位精度越高，網(wǎng)格劃分的主要限制因素在傳感器尺寸與工作量上。從以上實驗結(jié)果可以看出，在網(wǎng)格劃分不夠細(xì)時，泄漏與網(wǎng)格中心位置產(chǎn)生偏離，定位誤差明顯變大。

本文的研究重點在于驗證該方法的有效性及研究不同密度網(wǎng)格劃分方法的影響，得到了具有前景的試驗結(jié)果，但實際應(yīng)用還有一定的差距。為了進(jìn)一步驗證該方法針對在軌飛行的航天器復(fù)雜密封加筋板結(jié)構(gòu)的定位效果，下一步計劃針對具有熱控涂層等材料的加筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗研究，對于不同材料及不同厚度開展檢漏靈敏度及定位精度的評估，并進(jìn)一步改良索引矩陣方程算法，以推動幅度譜索引法在在軌航天器上的實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種幅度譜索引法，可以應(yīng)用于航天器復(fù)雜加筋板結(jié)構(gòu)的泄漏定位，具有對信號源頻域特征分布不敏感和可以在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中對連續(xù)信號源實現(xiàn)快速定位的優(yōu)點。在400 mm×200 mm×2.5 mm的鋁板上劃分800個網(wǎng)格、應(yīng)用7個傳感點的條件下，對3個種類共135個信號進(jìn)行測試，可得到21.7 mm的平均定位誤差。在網(wǎng)格中心對齊的情況下，可得到4.3 mm的定位精度。幅度譜索引法可對未來我國在軌航天器的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的布局設(shè)計提供參考，為航天器的在軌穩(wěn)定運行保駕護(hù)航。