綦磊 岳桂軒 孫立臣 邵容平 芮小博 張宇

(1 天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

載人飛船、空間站、衛(wèi)星等航天器在軌道上運(yùn)行時(shí)，由于受到空間碎片帶、微流星、原子氧的撞擊和腐蝕威脅，容易產(chǎn)生航天器艙體結(jié)構(gòu)泄漏，嚴(yán)重威脅航天器正常運(yùn)行和航天員的生命安全[1-2]。2007年，奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)在執(zhí)行STS-118號(hào)任務(wù)時(shí)，受到空間碎片撞擊?？臻g碎片徹底擊穿散熱器面板及其下面的熱控系統(tǒng)外殼，造成航天飛機(jī)發(fā)生嚴(yán)重泄漏[3]。2018年8月29日，?？俊皣?guó)際空間站”的聯(lián)盟號(hào)載人飛船(MS-09)軌道艙受到空間碎片撞擊發(fā)生氣體泄漏。長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的航天器都將面臨類(lèi)似的在軌泄漏問(wèn)題。因此，研究航天器在軌泄漏檢測(cè)意義重大。

2000年以來(lái)，NASA等研究機(jī)構(gòu)針對(duì)航天器在軌泄漏檢測(cè)開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括紅外成像[4]、光纖檢測(cè)[5]、質(zhì)譜檢測(cè)[6]、聲學(xué)檢測(cè)等。其中，聲學(xué)泄漏檢測(cè)技術(shù)通過(guò)分析泄漏聲波特征，并結(jié)合定位算法，可實(shí)現(xiàn)泄漏的在線(xiàn)檢測(cè)和定位。這種方法靈敏度較高、檢測(cè)時(shí)間較短、儀器設(shè)備簡(jiǎn)捷、易于工程實(shí)現(xiàn)[7-9]。華北電力大學(xué)閆勇等人[10]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition)對(duì)泄漏信號(hào)進(jìn)行多層分解，利用互相關(guān)得到了特定模態(tài)下的到達(dá)時(shí)間差，有效解決了CO2輸送管道的泄漏定位難題。Mclaskey G C等人[11]應(yīng)用傳感器陣列采集混凝土中聲源所激發(fā)的聲信號(hào)，利用波束形成原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲源的準(zhǔn)確定位Grabowski等人[12]提出的一種新的基于幅度的估計(jì)方法，利用了8個(gè)分布式傳感器。該方法基于被測(cè)物體表面聲信號(hào)的幅度衰減特性，通過(guò)測(cè)量聲信號(hào)的幅度衰減系數(shù)并與先驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而得到泄漏位置。這些方法只適合于平板，光滑直管等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的泄漏定位，無(wú)法適合航天器艙體加強(qiáng)筋縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，由于加強(qiáng)筋引起的多次波反射，實(shí)際的聲波到達(dá)方向會(huì)變得模糊。

為了解決以上問(wèn)題，本文提出一種過(guò)筋能量系數(shù)加權(quán)波束形成方法。通過(guò)對(duì)加筋板和平板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究聲波經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋的頻率和幅值特性，得到一種可以量化表征加強(qiáng)筋對(duì)不同頻率信號(hào)影響的距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線(xiàn)。以該系數(shù)曲線(xiàn)為依據(jù)，通過(guò)對(duì)不同頻率的能量函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，獲得了優(yōu)于傳統(tǒng)波束形成方法的定向結(jié)果。本文的研究結(jié)果可為航天器泄漏檢測(cè)聲波頻段選擇提供指導(dǎo)，有助于提高傳統(tǒng)算法對(duì)于加筋板的適應(yīng)性及檢測(cè)精度，可進(jìn)一步推動(dòng)航天器加筋板結(jié)構(gòu)的泄漏檢測(cè)技術(shù)發(fā)展。

1 聲波過(guò)筋系數(shù)計(jì)算

聲波在泄漏孔處產(chǎn)生，隨后向四周傳播，遇到加強(qiáng)筋后一部分反射，形成反射波，一部分透射，形成透射波；并且在加強(qiáng)筋處，聲波垂直板面沿著加強(qiáng)筋方向向上傳播并經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋上表面發(fā)生反射，如圖1所示。

圖1 加強(qiáng)筋節(jié)點(diǎn)處聲波多方向傳播示意圖

由此可見(jiàn)，不同于均勻薄板中聲信號(hào)的傳播，信號(hào)在加強(qiáng)筋的節(jié)點(diǎn)處存在多方向傳輸?shù)膹?fù)雜現(xiàn)象。美國(guó)Reusser等人[13]曾提出用某頻率聲波過(guò)筋后和過(guò)筋前的能量比值作為該頻率聲波的過(guò)筋系數(shù)，以此表征加強(qiáng)筋對(duì)不同頻率蘭姆波能量的影響，但并未考慮到聲波在平板中傳播時(shí)能量隨傳播距離發(fā)生的衰減。為了解決以上問(wèn)題，本文提出距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)概念，用以表征加強(qiáng)筋對(duì)聲波傳播的影響，其表示頻率為f的聲波在加筋板和平板中傳播相同距離后的能量比值為

(1)

式中：EB(f)表示加筋板中頻率為f的蘭姆波在經(jīng)過(guò)加強(qiáng)筋后的能量，EF(f)表示平板中頻率為f的蘭姆波在傳播相同距離后的能量。

加筋板和平板均采用航天常用的5A06型鎂鋁合金板整體加工而成，具體參數(shù)見(jiàn)表1。加筋板和平板四周粘貼吸收膠泥，可有效抑制邊界聲波反射，試驗(yàn)板實(shí)物如圖2所示。

表1 試驗(yàn)板參數(shù)表

圖2 試驗(yàn)板實(shí)物圖Fig.2 Figure of test plate

以加筋板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用加筋板上(0,0)處直徑1.0 mm漏孔泄漏為聲源，將聲發(fā)射傳感器布設(shè)在過(guò)1條加強(qiáng)筋的A點(diǎn)(20,0)，如圖3(a)所示，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集2只傳感器的信號(hào)60 ms。按照相同的傳感器及聲源位置，利用平板重復(fù)上述試驗(yàn)，如圖3(b)所示。對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，如圖4和圖5所示。

利用式(1)計(jì)算得到距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖3 傳感器布設(shè)位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensors location

圖4 加筋板內(nèi)傳感器信號(hào)時(shí)域及頻域圖Fig.4 Time-domain and frequency-domain signal in stiffened plate

圖5 平板內(nèi)傳感器信號(hào)時(shí)域及頻域圖Fig.5 Time-domain and frequency-domain signal in surface plate

圖6 距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)曲線(xiàn)Fig.6 Curve of distance compensated transmission coefficient through stiffener

2 過(guò)筋系數(shù)加權(quán)波束形成算法

過(guò)筋系數(shù)加權(quán)波束形成算法首先利用泄漏聲波過(guò)筋試驗(yàn)獲取距離補(bǔ)償過(guò)筋系數(shù)權(quán)重因子矩陣。然后按照各頻率過(guò)筋系數(shù)不同對(duì)傳統(tǒng)波束形成算法進(jìn)行加權(quán)修正，最終得到加筋系數(shù)加權(quán)波束形成計(jì)算公式。

波束形成利用傳感器陣列各陣元信號(hào)延遲求和來(lái)計(jì)算聲波到達(dá)某個(gè)假設(shè)方向的能量，從而估計(jì)波到達(dá)的方向。在波束形成算法中，傳感器陣列形狀的選擇至關(guān)重要。根據(jù)前期研究結(jié)果，本文采用一個(gè)帶有8個(gè)傳感器的L型陣列作為接收傳感器陣列，如圖7所示。

圖7 L型陣列傳感器Fig.7 L-shaped array

圖7中傳感器陣列標(biāo)記為n，包括0～7號(hào)。其中，0號(hào)傳感器為參考傳感器。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，聲波通過(guò)平板傳播并被傳感器獲取。F(t,n)被定義為各傳感器在t時(shí)刻獲取的信號(hào)，泄漏源和陣列之間的相對(duì)角θ定義為泄漏源的實(shí)際方向，θ′表示假設(shè)方向。

當(dāng)傳感器陣列與泄漏源之間的距離遠(yuǎn)大于陣列的尺寸時(shí)，可以認(rèn)為信號(hào)波沿平行路徑傳播。在這個(gè)假設(shè)下，參考傳感器0號(hào)采樣的信號(hào)是由其他陣列元素記錄的延時(shí)信號(hào)的副本。陣列元素之間的時(shí)間延遲由信號(hào)源到陣列元素n號(hào)的相對(duì)距離(與到達(dá)方向下的參考傳感器0號(hào)相比)和波速?zèng)Q定。通常，到達(dá)的方向是未知，一個(gè)假設(shè)的方向到達(dá)θ的設(shè)置。根據(jù)圖1的幾何關(guān)系，第0個(gè)信號(hào)的時(shí)延可以表示為

(2)

如果θ′與真角θ一致，則信號(hào)將通過(guò)延時(shí)的疊加而集中。因此,每個(gè)傳感器的信號(hào)延遲和疊加獲得下列延遲和信號(hào)G(t,θ′)為

(3)

信號(hào)的能量可以通過(guò)對(duì)疊加信號(hào)進(jìn)行時(shí)域平方和積分得到。通過(guò)掃描計(jì)算假設(shè)的角度不同,一個(gè)能量函數(shù)B(θ′)相關(guān)的角度可以獲得

(4)

為減小噪聲對(duì)定位結(jié)果的影響，在進(jìn)行能量函數(shù)計(jì)算之前，信號(hào)還需進(jìn)行濾波處理，則不同濾波頻率下獲得的能量函數(shù)可表示為

(5)

式中：G(t,θ’,f)為f頻率下的延遲和信號(hào)。

根據(jù)圖6的過(guò)筋系數(shù)曲線(xiàn)，以10 kHz為帶寬，可以得到不同頻帶下過(guò)筋系數(shù)權(quán)重因子，如圖8所示。

設(shè)各頻段過(guò)筋系數(shù)權(quán)重因子為H(f),那么多頻帶過(guò)筋系數(shù)權(quán)重因子加權(quán)的波束形成公式為

(6)

將能量函數(shù)峰值的角度作為定向結(jié)果，通過(guò)兩個(gè)陣列定向結(jié)果的交點(diǎn)即可定位泄漏點(diǎn)位置。

圖8 過(guò)筋系數(shù)權(quán)重因子Fig.8 Weighting factor of distance compensated transmission coefficient through stiffener

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為對(duì)定位方法進(jìn)行驗(yàn)證，本文搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，由真空泄漏系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.9 Experiment system

真空泄漏系統(tǒng)主要由真空泵、閥門(mén)、抽氣管道和試驗(yàn)板組成。試驗(yàn)板中心位置預(yù)先制作了直徑1.0 mm的圓形漏孔，通過(guò)真空泵抽真空可模擬漏率0.1 Pa·m3/s以上的泄漏。為驗(yàn)證不同情況下本文所提方法的定位效果，共選取15個(gè)不同傳感器位置及3種不同傳感器朝向進(jìn)行試驗(yàn)，如圖10所示。

圖10 陣列傳感器位置圖Fig.10 Position of sensor array in the experiment

使用該方法進(jìn)行計(jì)算獲得的圖10中A、B兩傳感器位置的定向結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以看出，能量函數(shù)存在一極大值主瓣及兩個(gè)旁瓣，且旁瓣能量遠(yuǎn)小于主瓣不會(huì)對(duì)定向結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

為比較本文所提方法與傳統(tǒng)波束形成方法定向效果的差異，本文使用傳統(tǒng)波束形成方法進(jìn)行了定向計(jì)算。根據(jù)過(guò)筋系數(shù)曲線(xiàn)選取過(guò)筋系數(shù)較大的5個(gè)頻帶進(jìn)行濾波處理，各頻帶帶寬均為10 kHz，中心頻率分別為195 kHz、215 kHz、265 kHz、285 kHz和355 kHz。從表2中可以看出，使用各頻段下使用傳統(tǒng)波束形成方法的平均定向誤差在3°～5°之間，而使用本文所提出的過(guò)筋能量系數(shù)加權(quán)波束形成方法的平均誤差為2.6°，減小了19.4%。

圖11 泄漏定向結(jié)果圖

表2 各傳感器位置定位結(jié)果

Table 2 Leak orientation results at different sensor positions

編號(hào)聲陣列坐標(biāo)/cm真實(shí)角度/(°)不同頻帶定向誤差/(°)頻段1/kHz180～190頻段2/kHz210～220頻段3/kHz260～270頻段4/kHz280～290頻段5/kHz350～360過(guò)筋能量系數(shù)加權(quán)定向誤差/(°)1(0,5)6018-7-67772(0,15)60617-1-26-23(0,25)60-2-501-204(0,35)6045-14-225(0,45)6025-23-646(-5,0)3077-3-65-67(-15,0)30-8-4-1-60-28(-25,0)30-33-62-729(-35,0)30-6-3-6-5-7-310(-45,0)30-3-34-42-411(5,-5)45-2-15-2-3012(15,-15)45-4-250-2013(25,-25)45-221-1-3-114(35,-35)45-4-17-2-3-215(45,-45)45-2-15-2-62平均誤差絕對(duì)值/(°)4.94.43.13.14.12.6

將定向誤差小于5°的結(jié)果作為正確定向結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各種情況下的定向準(zhǔn)確率如圖12所示。從圖12中可以看出本文所提出的方法的正確率為93.3%，相比傳統(tǒng)方法提升了13.3%以上。

圖12 定向準(zhǔn)確率Fig.12 Histogram of orientation accuracy

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)載人航天工程的推進(jìn)，航天器在軌泄漏檢測(cè)已成為關(guān)注的熱點(diǎn)。本文針對(duì)航天器艙壁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)泄漏定位問(wèn)題，提出一種過(guò)筋系數(shù)加權(quán)的波束形成定位法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)的波束形成法定位誤差減小19.4%，定位準(zhǔn)確率提高13.3%，可為我國(guó)在軌航天器泄漏檢測(cè)研究提供參考。