[发明专利]基于瞬态分形计算和类二维正态分布拟合的冲击定位方法

摘要

本发明提出了一种基于瞬态分形计算和类二维正态分布拟合的冲击定位方法，具体如下：步骤一：基于蜂窝布局的分布式光纤传感网络配置方式；步骤二：冲击样本点选取规则与冲击响应信号采集；步骤三：基于瞬态分形计算的冲击响应特征信息提取；步骤四：基于类二维正态分布模型的光纤FBG传感器冲击响应特征曲面拟合；步骤五：基于光纤FBG传感器冲击响应特征拟合曲面求解的瞬时冲击载荷位置辨识。

主权项

1.一种基于瞬态分形计算和类二维正态分布拟合的冲击定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：蜂窝结构监测网络布置及相应监测区域划分将监测区域划分为七个相同的正六边形结构区域，并连接成蜂窝形状，即中间一个正六边形，周围六个正六边形；每个正六边形的正中心横向布置一个光纤FBG传感器，位于中间的光纤传感器记作传感器A，其余的延顺时针方向依次记作传感器B、C、D、E、F、G；将中间的正六边形视作六个正三角形区，将每个正三角形，以及与其相邻的正六边形合起来作为一个监测区域，整个监测区域分为六个监测子区域，分别为监测子区域I、II、III、IV、V、VI；其中传感器A和传感器B监测子区域I；传感器A和传感器C监测子区域II；传感器A和传感器D监测子区域III；传感器A和传感器E监测子区域IV；传感器A和传感器F监测子区域V；传感器A和传感器G监测子区域VI；步骤二：冲击样本点选取规则与冲击响应信号采集(2‑1)、在结构试件的冲击待监测区域上建立一个二维直角坐标系，以光纤光栅传感器A和E连线方向作为x轴正方向，以光纤光栅传感器A和B连线方向作为x轴负方向，以光纤光栅传感器A和传感器C、D中点连线方向作为y轴正方向，以光纤光栅传感器A和传感器F和G中点连线方向作为y轴负方向；冲击样本点选取规则为：在每两个相邻传感器连线上均匀取点，并以这些点作为冲击样本点；(2‑2)、然后利用冲击锤采用相同能量大小对这些冲击样本点依次进行冲击；分别记录每次冲击下，分布式光纤传感网络的冲击响应信号；将每次冲击下的分布式光纤传感网络的冲击响应信号称为一组冲击响应信号；每组冲击响应信号包括七个传感器的相应冲击响应信号，即七个传感器的中心波长偏移量；步骤三：基于瞬态分形计算的冲击响应特征信息提取依次对步骤二所得的每一组冲击响应信号进行特征信息提取，即首先采用瞬态分形计算方法对冲击响应信号进行预处理，消除大部分杂散波以增加信号纯度；对瞬态分形计算之后的信号再进行小波包分解，提取第五阶小波包分解的能量总和作为定位的特征信息；最后将提取出的能量总和，根据传感器编号依次记为KA，KB，KC，KD，KE，KF，KG；步骤四：基于类二维正态分布模型的光纤FBG传感器冲击响应特征曲面拟合对于某一个光纤FBG传感器，选取此传感器和相邻传感器连线上的样本点冲击后所得的响应信号，将这些响应信号经第五阶小波包分解后所得能量分别求和；再结合这些样本冲击点的位置坐标，建立一个基于该传感器的包含能量值信息和坐标信息的冲击特征响应集合：{Ki，p}其中，i表示上述传感器编号A‑G，p表示样本点坐标信息；根据光纤FBG传感器敏感特性，光纤光栅中心波长偏移量随冲击载荷与传感器之间距离的增大而呈指数衰减趋势；两个相邻光纤FBG传感器连线上样本点的冲击载荷响应信号经瞬态分形计算和小波包分解提取的能量总和随样本点距离增大呈现衰减趋势，与一维正态分布的曲线相契合；为表示某个光纤FBG传感器在其所在监测子区域内的特性方程，结合该传感器与相邻传感器连线上样本点冲击载荷响应特性的衰减曲线，可以构造能够表征光纤冲击响应特性的类二维正态分布曲面模型；标准二维正态分布的曲面模型如下：其中σ1，σ2，μ1，μ2，ρ都是常数，称x，y服从参数为σ1，σ2，μ1，μ2，ρ的二维正态分布，常把这个分布记作N(σ1，σ2，μ1，μ2，ρ)；根据上述方程，首先，标准二维正态分布曲面模型在x方向和y方向是没有差异性的，但光纤FBG传感器的敏感特性在垂直于光纤传感器轴向即y方向和平行于光纤传感器轴向即x方向存在明显差异；具体表现为y方向的敏感度要高于x方向上的敏感度，反映在方程上即为变量y包含信息的相关性要高于变量x包含的信息；其次，标准二维正态分布在全空间上的积分等于1，而所需构造的模型在用于光纤FBG传感器敏感特性拟合时则无需此限制；综合考虑上述两点因素，可以构建适用于表征光纤FBG传感器冲击载荷响应特征的类二维正态分布拟合模型；光纤FBG传感器冲击载荷平面响应特征的类二维正态分布拟合模型为：其中，x，y是样本冲击点坐标；z0，P，m1，m2，w1，w2是拟合参量；将冲击特征响应集合{Ki，j}中的元素分别代入上述拟合模型进行类二维正态分布曲面拟合，求得上述拟合参量，可以得到每个光纤FBG传感器在各自待监测子区域中的拟合曲面函数方程：Fi(i＝A～G)步骤五：冲击载荷位置辨识(5‑1)如若监测区域内任意一点受到瞬态冲击，且该冲击能量大小与样本冲击能量大小一致，对七个光纤FBG传感器的响应信号依次进行瞬态分形计算和小波包分解第五阶能量和提取，分别选取中心传感器A的响应值KA和周围六个光纤FBG传感器中最大的响应值Ki；根据如下选取准则，可以确定冲击点加载位置所属子区域：当KB为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别该冲击载荷位于I区域；当KC为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别冲击点位于II区域；当KD为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别冲击点位于III区域；当KE为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别冲击点位于IV区域；当KF为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别冲击点位于V区域；当KG为周围六个光纤FBG传感器中响应特征信号最大值时，则初步判别冲击点位于VI区域；(5‑2)、由(5‑1)可以确定监测子区域及其相应编号的两个光纤FBG传感器，再根据相关两个光纤FBG传感器对应的冲击响应拟合曲面函数FA，Fi进行联立求解；具体联立方式如下：I：II：III：IV：V：VI：其中，x，y是位置坐标；Ki是特征能量值；z0i，Pi，mi，ni，w1i，w2i是步骤四拟合所得到的每个光纤FBG传感器在监测区域内的类二维正态分布拟合曲面模型的参量，i为光纤FBG传感器编号；I‑VI为划分的子监测区域编号；由拟合曲面方程可知，所求得x，y有六组解，如果解是实数解，则保持不变，如果解是复数解，则舍去虚部保留其实部；将六组解都转化为实数之后，根据x和y坐标的正负值和所判定的子区域选取合适的解，此解即为冲击载荷的位置坐标；解的选取规则具体如下：如若初步判别该冲击载荷位于I区域，则选取x坐标为负值，y坐标绝对值最小的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标；如若初步判别该冲击载荷位于II区域，则选取x坐标为负值，y坐标为正值且y坐标值较大的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标；如若初步判别该冲击载荷位于III区域，则选取x坐标为正值，y坐标为正值且y坐标值较大的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标；如若初步判别该冲击载荷位于IV区域，则选取x坐标为正值，y坐标绝对值最小的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标；如若初步判别该冲击载荷位于V区域，则选取x坐标为正值，y坐标为负值且绝对值较大的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标；如若初步判别该冲击载荷位于VI区域，则选取x坐标为负值，y坐标为负值且绝对值较大的那组解作为所确定的冲击载荷位置坐标。