[发明专利]基于FBG传感系统和二阶统计量的声发射定位系统及方法

权利要求书

1.基于FBG传感系统和二阶统计量的声发射定位方法，其特征是，步骤如下：

步骤(1)：光纤光栅传感器共同组成线性传感阵列；

所述步骤(1)：设定中间的光纤光栅传感器为参考传感器，第l个传感器接收到的信号x_l(t)表示为：

其中，ω_m＝-2πd/λsinθ_m，

其中，x_l(t)表示第l个传感器接收到的信号，t表示时间，b_m表示信号幅值，s_m(t)表示信号源信号，N_l(t)表示第l个传感器的噪声信号，j表示复数形式，l表示传感器数，l的数量要大于声发射源数量，ω_m＝-2πd/λsinθ_m，d表示传感器间距，λ表示信号波长，θ_m表示声发射源相对于参考传感器的方向角；r_m表示声发射源到参考传感器的距离；

步骤(2)：声发射源产生高频动态应力波，在高频动态应力波的作用下，光纤光栅传感器的反射波长发生变化，通过光纤光栅传感器反射的光功率的变化实现声发射信号的解调；

所述步骤(2)中光纤光栅传感器的反射波长发生变化由数据采集系统记录；

未经平坦的ASE光源发出宽带光，依次经过第一耦合器、第二耦合器进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器将设定波长的光反射回来经第二耦合器传输至光电转换电路，光电转换电路将光信号转换为电信号，经放大器传至数据采集系统，数据采集系统记录全部信号变化；

步骤(3)：对检测到的声发射信号进行香农Shannon小波转换，提取线性传感阵列的窄带信号；计算线性传感阵列的窄带信号的自相关函数；

所述步骤(3)中自相关函数r的计算方法为：

r=12p+1XXH---(2)]]>

其中，X为光纤光栅传感器线性传感阵列接收的信号矩阵，X＝[x₁(t),x₂(t),…,x_2p+1(t)]^T；2p+1表示传感器数量；

步骤(4)：定义二阶统计量；

所述步骤(4)中定义二阶统计量r₁(-l,l)和r₂(l+1,l)：

r1(-l,l)=E(x-l(t)xl*(t))=Σm=1Mrsme-2jωml---(3)]]>

r2(l+1,l)=E(xl+1(t)xl*(t))=Σm=1Mrsmej(ωm+φm)e2jφml---(4)]]>

其中，r_sm为声发射源信号的自相关函数，x_l(t)为第l个传感器接收到的信号，M为声发射源数目；

步骤(5)：根据步骤(4)中的二阶统计量定义，得到两个自相关函数矩阵R₁和R₂；

所述步骤(5)：根据步骤(4)中的二阶统计量定义，得到两个p×p自相关函数矩阵R₁和R₂；R₁和R₂分别包含声发射源相对于参考传感器位置的方位角θ和声发射源相对于参考传感器位置的距离r；

在矩阵R₁和R₂中，第(k，l)元素分别为：

R₁(k,l)＝r₁(k-l,l-k)(5)

R₂(k,l)＝r₂(k-l+1,k-l)(6)

其中，r₁和r₂为步骤(4)所定义的二阶统计量；

其中，R₁和R₂的向量形式为：

R₁＝A(ω)R_sA^H(ω)+σ²I(7)

其中，

A(ω)＝[a(ω₁) a(ω₂) … a(ω_M)]

a(ωm)=1e2jωm...e2j(p-1)ωmT]]>

Rs=diagrs1...rsm...rsM;]]>

步骤(6)：对步骤(5)中的两个自相关函数矩阵R₁和R₂分别作特征值分解，得到两个自相关函数矩阵中的信号子空间E_S1和E_S2；

所述步骤(6)：对R₁和R₂分别进行特征值分解得：

R₁＝[E_S1 E_N1]Λ₁[E_S1 E_N1]^H(9)

R₂＝[E_S2 E_N2]Λ₂[E_S2 E_N2]^H(10)

其中，Λ₁和Λ₂分别是R₁和R₂的特征值矩阵，E_S1和E_S2分别是R₁和R₂的最大的M个特征值对应的信号子空间；E_N1和E_N2分别是R₁和R₂的L-M个最小特征值对应的特征向量张成的噪声子空间；

步骤(7)：进一步解析步骤(6)中的信号子空间E_S1和E_S2；

所述步骤(7)：令α＝e^2jω，和由此得两个多项式：

F(α)=1α...αpδ1α...αpT=Σk=-p+1p-1δk′αk;---(11)]]>

F(β)=1β...βpγ1β...βpT=Σk=-p+1p-1γk′βk;---(12)]]>

利用求根公式对公式(11)和公式(12)进行求根，得到α＝α₁,α₂,…,α_M和β＝β₁,β₂,…,β_M；α和β中包含方位角θ和距离r信息；

其中，α＝e^2jω，ω＝-2πd/λsinθ，E_S1和E_S2分别是R₁和R₂的最大的M个特征值对应的信号子空间；p表示传感器数量，M声发射信号源数；

步骤(8)：根据参数配对和步骤(7)的解析结果，通过root-music算法解出声发射源相对于参考传感器的方位角和距离；

步骤(8)：根据参数配对和步骤(7)中的α和β，通过root-music算法：

θ_i＝sin^-1(angle(α_i)λ/(4πd))和

r_i＝2πd²cos²θ_i/(λangle(β_i))

解出声发射源相对于参考传感器的方位角和距离；

其中，θ_i表示第i个声发射源相对于参考传感器的方位角，angle(α_i)表示α_i的相位参数，λ表示信号波长，d表示传感器间距，r_i表示第i个声发射源相对于参考传感器的距离，α_i为步骤(7)中F(α)的第i个根，angle(β_i)表示β_i的相位参数，β_i为步骤(7)中F(β)的第i个根；

所述方法所采用的系统，包括：

未经平坦的ASE光源，未经平坦的ASE光源发出宽带光，依次经过边缘滤波器和第一耦合器，第一耦合器将光信号分别传输给若干并列布置的第二耦合器，每个第二耦合器将信号传输给各自对应的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器等间距排列并粘贴在被检测机构上；光纤光栅传感器将设定波长的光反射回来经第二耦合器传输至光电转换电路，光电转换电路将光信号转换为电信号，经放大器传至数据采集系统，数据采集系统记录全部信号变化；

声发射源产生高频动态应力波，在高频动态应力波的作用下，光纤光栅传感器的反射波长发生变化，通过光纤光栅传感器反射的光功率的变化实现声发射信号的解调；解调得到的声发射信号经过香农Shannon小波转换，提取窄带信号；根据二阶统计量的root-music算法计算出声发射源相对于参考传感器的方位角和距离，从而定位出声发射源的位置。