[发明专利]一种面向冲击监测的数字异步压缩采样系统及方法

说明书

本发明提出一种面向冲击监测的数字异步压缩采样系统及方法，针对冲击监测信号时域稀疏以及有明显波峰的特征，有效压缩采样冲击监测信号，包括时域三进制(‑1，0，1)编码器模块、算法逻辑模块和信号恢复模块三个主要部分；本发明能够有效捕捉冲击监测信号中的变化量，先将冲击监测信号先进行三进制编码，再将三进制编码信息进行压缩采样，得到少量的采样点来恢复原信号，减少对数据传输存储的压力，相对于传统的模拟压缩采样方法，本发明方法采用数字电路搭建，能有效降低电路系统中的噪声干扰和非线性因素的影响，提高重构精度；本发明方法还采用了分时工作的方案，能有效降低系统的功耗。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，具体是一种面向冲击监测的数字异步压缩采样系统及方法。

背景技术

随着科技社会的发展，近年来我国在航空航天、高铁、桥梁等重大工程领域都取得了重要的突破和进展。这些重大设施的平稳运行与人民群众的生命安全密切相关。这些设施在运行的过程中不可避免地会受到各种物体的冲击。这些不同形式的冲击可能会对结构造成各种各样的影响。有些影响虽然肉眼不可见，但却会对结构造成隐性损伤，这些隐性损伤会对设施的运行造成严重的安全隐患。有些设施结构非常庞大，要找到这些损伤和冲击的位置会耗费大量的人力、物力以及时间，准确及时地发现这些结构所受到的各种冲击以及这些冲击对结构的性能的影响对设施的安全运行至关重要。于是，人们对结构的安全性和可靠性越来越重视，结构健康监测的作用越来越重要。为了及时发现冲击损伤并进行精准定位，需要对设施结构进行实时监测。冲击监测能够实时对结构进行监测，获取结构是否收到外力冲击以及冲击力的大小，并能够对冲击实行精准定位，以检查冲击对结构造成的影响，可有效保证设施结构的健康运行。

然而，在实际应用冲击监测时，有些结构非常巨大，要想对这些大的结构进行实时监测，就需要大量的传感器，也就是传感器网络。传感器网络的使用有一个不可避免的问题，那就是需要采样大量的传感器信号，对采样率也有很高的要求。在许多场合，比如飞行器，不能直接在现场对传感器的数据进行分析，需要将传感器的信号传送到基站进行分析，大量的数据会对无线或者有线通信造成巨大压力，也会耗费大量的存储空间。如何处理庞大的传感器数据的采样、传输和存储是一个亟待解决的问题。

压缩感知理论的出现为解决该问题提供了新思路。该理论表明若某一个信号在一个变换域能够稀疏表示，可以通过全局观测的方式实现信号压缩和采样的合并进行，只需要少量非自适应的线性观测值就可以获得信号的全部信息，所以采样率远低于奈奎斯特采样率。与传统的奈斯奎特采样定理相比，压缩感知的采样率要求更低，采样点数可以更少。传统的采样方法是对模拟信号进行高速采集，然后用特定算法对数据进行压缩，最后再将少量的压缩过的数据传输给解码端进行解码处理。它需要用很高的采样率进行采样，并储存采样数据，并通过大量运算来压缩数据，对硬件存储和运算速度提出了很高要求。而压缩采样理论是通过测量矩阵进行全局观测，获得远小于传统采样数量的测量值，降低了对运算和存储数据的硬件要求。该理论可有效解决传感器数据数量巨大的问题，能够缓解数据存储和传输的压力。压缩采样具有低计算复杂度、优异的压缩性能和采集与重构的相互独立性的优点，只需要使得传感器采样数据能够稀释表示，传感器节点就可以快速压缩采样，将数据传递基站进行重构，该方法可以极大减少网络通信量、传输的信息量，显著减低网络功耗。

冲击监测信号在时域上是稀疏的，频域却不是。现有的压缩感知实现方法，要么实现起来比较困难，要么就是针对频域稀疏的，还有很多是利用模拟电路搭建，受电路系统和环境噪声等的各种非线性干扰特别大，都不太适合冲击监测信号的压缩。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提出一种面向冲击监测的数字异步压缩采样系统及方法，以较低的采样率、较少的采样点数来获得冲击监测信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：