本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，尤其涉及一種基于lamb波溫度補(bǔ)償?shù)膿p傷定位方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛采用lamb波技術(shù)，其工作原理是通過壓電傳感器陣列采集lamb波信號(hào)，分析信號(hào)特征以實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)與定位。然而，lamb波在結(jié)構(gòu)中的傳播特性易受環(huán)境溫度變化影響，具體表現(xiàn)為波速波動(dòng)和信號(hào)時(shí)域形變，導(dǎo)致相同損傷在不同溫度下的信號(hào)響應(yīng)差異顯著。傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償定位方法主要包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償方法和分段線性補(bǔ)償方法。

2、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償方法主要通過采集不同溫度下的lamb波信號(hào)（如波速、飛行時(shí)間、振幅、頻散特征等）及其對(duì)應(yīng)的溫度值，構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如bp、lmbp、cnn等）以溫度或溫度相關(guān)的信號(hào)特征為輸入，以補(bǔ)償后的信號(hào)參數(shù)（如校正后的波速、時(shí)域信號(hào)）為輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以自動(dòng)捕捉非線性關(guān)系，適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景，但存在以下局限性：數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)與泛化能力不足：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法需依賴大量溫度與信號(hào)響應(yīng)的訓(xùn)練樣本，而實(shí)際工程中獲取全溫度范圍的高質(zhì)量數(shù)據(jù)成本較高，且待測(cè)結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理復(fù)雜，導(dǎo)致模型泛化能力受限。尤其在極端溫度或未訓(xùn)練溫度區(qū)間，補(bǔ)償效果可能顯著下降；計(jì)算復(fù)雜度高與實(shí)時(shí)性差：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程涉及大量迭代計(jì)算（如lm算法優(yōu)化權(quán)值），尤其在隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，訓(xùn)練時(shí)間顯著增加。對(duì)于需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景（如航空結(jié)構(gòu)），難以滿足快速響應(yīng)需求；局部極小值與過擬合風(fēng)險(xiǎn)：傳統(tǒng)bp網(wǎng)絡(luò)易陷入局部極小值，導(dǎo)致補(bǔ)償結(jié)果不穩(wěn)定。且網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)參數(shù)初始值敏感，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)）需反復(fù)試錯(cuò)，可能引入過擬合問題。

3、分段線性補(bǔ)償方法的工作原理是預(yù)先將環(huán)境溫度范圍劃分為多個(gè)相鄰子區(qū)間（如每10℃一段），并基于采集的區(qū)間邊界溫度下的信號(hào)，建立信號(hào)參數(shù)與溫度之間的線性映射模型。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過預(yù)估當(dāng)前檢測(cè)溫度所在區(qū)間范圍，進(jìn)行線性補(bǔ)償。該方法基于物理假設(shè)簡(jiǎn)化模型，計(jì)算高效，但存在以下局限性：模型簡(jiǎn)化導(dǎo)致的精度不足：分段線性補(bǔ)償通常將溫度區(qū)間劃分為若干段并建立線性關(guān)系，但lamb波傳播特性（如波速、頻散）與溫度呈非線性關(guān)系，尤其在變溫環(huán)境下（如-20℃至50℃），簡(jiǎn)單線性模型難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜溫度效應(yīng)，導(dǎo)致補(bǔ)償殘差較大；依賴先驗(yàn)溫度分段與標(biāo)定：分段需預(yù)先確定溫度區(qū)間邊界和標(biāo)定點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中溫度變化可能跨越多個(gè)區(qū)間或呈現(xiàn)非均勻分布，需頻繁調(diào)整分段策略，增加了系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜度；魯棒性與適應(yīng)性差：分段模型對(duì)傳感器漂移、材料老化等長(zhǎng)期因素敏感，需定期重新標(biāo)定。此外，在復(fù)合材料等各向異性結(jié)構(gòu)中，溫度對(duì)波傳播的影響具有方向依賴性，分段線性難以自適應(yīng)多維非線性變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于lamb波溫度補(bǔ)償?shù)膿p傷定位方法，在損傷定位過程中，用以降低lamb波對(duì)溫度的依賴，實(shí)現(xiàn)損傷位置的快速和同步定位，提高廣泛適用性。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種基于lamb波溫度補(bǔ)償?shù)膿p傷定位方法，所述方法包括：

3、步驟1、搭建基于lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感路徑進(jìn)行分組；

4、步驟2、利用步驟1中的系統(tǒng)和傳感路徑分組，對(duì)參考溫度下健康lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，獲得參考信號(hào)，并構(gòu)建參考映射矩陣；

5、步驟3、通過步驟1中的系統(tǒng)、傳感路徑分組和步驟2，對(duì)目標(biāo)溫度下?lián)p傷lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，獲得目標(biāo)信號(hào)，并構(gòu)建目標(biāo)映射矩陣；

6、步驟4、利用步驟3，確定目標(biāo)溫度下的損傷散射信號(hào)；

7、步驟5、根據(jù)步驟4，提取損傷位置特征，并計(jì)算路徑損傷概率，確定損傷位置。

8、可選地，所述步驟1包括：

9、利用壓電傳感陣列、lamb波檢測(cè)儀、上位機(jī)、待測(cè)結(jié)構(gòu)搭建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中，壓電傳感陣列由l個(gè)壓電傳感器構(gòu)成，等間距呈圓形或方形均勻粘貼在待測(cè)結(jié)構(gòu)表面上，用于發(fā)射與接收待測(cè)結(jié)構(gòu)中的lamb波信號(hào)，lamb波檢測(cè)儀獲取信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)用m來表示；lamb波檢測(cè)儀一端與傳感器相連，另一端與上位機(jī)相連，用于負(fù)責(zé)傳輸激勵(lì)與采集的lamb波信號(hào)；上位機(jī)用于負(fù)責(zé)激勵(lì)信號(hào)參數(shù)的設(shè)置與采集信號(hào)的顯示和存儲(chǔ)；待測(cè)結(jié)構(gòu)為鋁合金或碳纖維制成的平板或圓管狀結(jié)構(gòu)；

10、對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感路徑進(jìn)行分組：a、不相同的兩個(gè)傳感器之間的直線連接路徑被稱為傳感路徑，對(duì)于由l個(gè)壓電傳感器構(gòu)成的壓電傳感陣列，其傳感路徑的數(shù)量為；b、根據(jù)傳感路徑方向，將所有的傳感路徑分成n個(gè)組別：path1至pathn；同組內(nèi)各傳感路徑的方向一致，不同組間的傳感路徑方向不同；對(duì)于第k個(gè)路徑組，若用表示其內(nèi)部包含的傳感路徑數(shù)量，則傳感路徑的總數(shù)量為，1≤k≤n。

11、可選地，所述步驟2包括：

12、參考溫度下，對(duì)健康lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，以室溫作為參考溫度tr，利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集tr溫度下、待測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)時(shí)的lamb波信號(hào)，記為參考信號(hào)sr；根據(jù)傳感路徑分組，將參考信號(hào)sr分為n組，分別記為至；對(duì)于第k組參考信號(hào)，其內(nèi)部包含個(gè)維度為m×1的列向量，用表示，即，的維度為m×1；；1≤k≤n；

13、參考溫度下，傳感路徑組內(nèi)參考映射矩陣的構(gòu)建，對(duì)于參考信號(hào)sr，利用動(dòng)態(tài)時(shí)域彎折dtw算法，計(jì)算各路徑組內(nèi)參考信號(hào)之間的映射矩陣，記為參考映射矩陣；參考映射矩陣用表示，其中表示第k個(gè)路徑組內(nèi)參考信號(hào)間的映射矩陣。

14、可選地，取第k個(gè)路徑組的參考信號(hào)，具體介紹基于dtw算法，第k個(gè)路徑組內(nèi)參考信號(hào)間的映射矩陣的構(gòu)建過程：

15、①對(duì)于信號(hào)和，首先，構(gòu)建一個(gè)m×m維的矩陣d來表示和的歐氏距離，矩陣中任一元素，1≤i≤m，1≤j≤m；然后，根據(jù)式（1）計(jì)算累積距離矩陣cm×m，其中，參數(shù)β?≥?1，參數(shù)β是為避免信號(hào)過補(bǔ)償而引入的彎折系數(shù)，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性約束：

16、（1）；

17、②在得到累積距離矩陣c后，從矩陣最后一個(gè)元素cmm開始沿最小路徑反向回溯到c11，最小路徑上每個(gè)元素的選取原則為：若cij為最小路徑上的元素，則路徑上下一個(gè)元素為中最小的一個(gè)，依此類推，得到累積距離矩陣c中元素cmm到c11的最小路徑p；

18、③根據(jù)最小路徑p上各元素的行列編號(hào)集，即得到信號(hào)到信號(hào)的映射矩陣，m?≤?q?≤?2m+1；映射矩陣是一個(gè)行數(shù)為2的二維矩陣，其中第o列的數(shù)據(jù)[io，jo]t表示中的第io個(gè)元素與中的第jo個(gè)元素相匹配，即若將中的第io個(gè)元素指派為中的第jo個(gè)元素，得到與信號(hào)匹配的估計(jì)信號(hào)；

19、④重復(fù)步驟①-③得到任意路徑f上的參考信號(hào)到路徑u上的參考信號(hào)之間映射矩陣，進(jìn)而得到參考信號(hào)的映射矩陣，其表達(dá)式為：

20、。

21、可選地，所述步驟3包括：

22、目標(biāo)溫度下，對(duì)損傷lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，將待測(cè)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度記為目標(biāo)溫度to，且；利用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集to溫度下、待測(cè)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)時(shí)的lamb波信號(hào)，記為目標(biāo)信號(hào)so；根據(jù)傳感路徑分組，將目標(biāo)信號(hào)so分為n組，分別記為至；對(duì)于第k組參考信號(hào)，其內(nèi)部包含個(gè)維度為m×1的列向量，用表示，即，的維度為m×1；；1≤k≤n；

23、目標(biāo)溫度下，傳感路徑組內(nèi)目標(biāo)映射矩陣的構(gòu)建，將目標(biāo)溫度to下、待測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)時(shí)各路徑組內(nèi)lamb波信號(hào)間的映射矩陣，記為目標(biāo)映射矩陣，其中表示第k個(gè)路徑組的目標(biāo)映射矩陣，其表達(dá)式為：

24、；

25、其中，表示目標(biāo)溫度下，路徑i的lamb波信號(hào)到路徑j(luò)的lamb波信號(hào)的映射矩陣，1≤i≤nk，1≤j≤nk；

26、當(dāng)檢測(cè)環(huán)境溫度變化時(shí)，參考映射矩陣和目標(biāo)映射矩陣不相等，即；將目標(biāo)映射矩陣wo與參考映射矩陣wr之間的偏差，記為修正矩陣，其表達(dá)式為：；

27、其中，，表示第k個(gè)路徑組，目標(biāo)映射矩陣與參考映射矩陣之間的偏差，即；表示目標(biāo)映射矩陣與參考映射矩陣之間的偏差；

28、基于修正矩陣和參考映射矩陣，計(jì)算得到目標(biāo)映射矩陣，即。

29、可選地，取第k個(gè)路徑組內(nèi)路徑1和路徑2，具體介紹修正矩陣的計(jì)算過程：

30、對(duì)于信號(hào)和，將基于dtw算法，得到到的映射矩陣，其表達(dá)式為：，m?≤?q?≤?2m+1；根據(jù)式（2）得到修正矩陣，即修正矩陣的第一行在數(shù)值上等于矩陣第二行與第一行的差值，的第二行在數(shù)值上等于與路徑比的乘積，其表達(dá)式為：

31、（2）；

32、其中，路徑比為路徑2的長(zhǎng)度與路徑1的長(zhǎng)度的比值；

33、重復(fù)上述過程，得到第k個(gè)路徑組的修正矩陣，進(jìn)而得到修正矩陣。

34、可選地，所述步驟4包括：

35、計(jì)算目標(biāo)估計(jì)信號(hào)，基于目標(biāo)映射矩陣和目標(biāo)信號(hào)，計(jì)算目標(biāo)估計(jì)信號(hào)，其中，表示第k個(gè)路徑組的目標(biāo)估計(jì)信號(hào)，其表達(dá)式為：

36、；

37、其中，表示基于第f條路徑上目標(biāo)信號(hào)與目標(biāo)映射矩陣得到的第u條路徑上的目標(biāo)估計(jì)信號(hào)，1≤f≤nk，1≤u≤nk；1≤k≤n；

38、確定目標(biāo)溫度下的損傷散射信號(hào)，基于目標(biāo)信號(hào)和目標(biāo)估計(jì)信號(hào)，計(jì)算損傷散射信號(hào)，其中，表示第k個(gè)路徑組的損傷散射信號(hào)，其表達(dá)式為：

39、；

40、其中，1≤k≤n。

41、可選地，取第k個(gè)路徑組內(nèi)路徑f和路徑u，具體介紹目標(biāo)估計(jì)信號(hào)計(jì)算過程：

42、對(duì)于目標(biāo)映射矩陣，其中第o列數(shù)據(jù)[io，jo]t表示路徑f上目標(biāo)信號(hào)的第io個(gè)元素與路徑u上目標(biāo)信號(hào)的第jo個(gè)元素在時(shí)間域上相匹配；將路徑f上目標(biāo)信號(hào)中的第io個(gè)元素指派為信號(hào)的第jo個(gè)元素，即得到與路徑u上目標(biāo)信號(hào)在時(shí)域上匹配的目標(biāo)估計(jì)信號(hào)。

43、可選地，所述步驟5包括：

44、h、基于正交匹配追蹤omp算法對(duì)損傷位置特征進(jìn)行提取，根據(jù)損傷散射信號(hào)，計(jì)算損傷特征矩陣，其中，表示第k個(gè)路徑組的損傷特征，其表達(dá)式為：

45、；

46、其中，1?≤?k?≤?n；

47、對(duì)于第k個(gè)路徑組，表示基于omp算法對(duì)散射信號(hào)進(jìn)行稀疏分解得到的損傷特征，具體計(jì)算過程如下：

48、ⅰ、構(gòu)造過完備字典d，其原子對(duì)應(yīng)不同時(shí)延的波包基函數(shù)，表達(dá)式為：

49、（3）

50、其中，t為lamb波信號(hào)時(shí)長(zhǎng)；m1為原子個(gè)數(shù)，在數(shù)值上等于lamb波檢測(cè)儀獲取信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)；為lamb波基函數(shù)；

51、ⅱ、參數(shù)初始化：當(dāng)前迭代次數(shù)u=0，初始?xì)埐?，支撐集?/p>

52、ⅲ、計(jì)算當(dāng)前殘差與字典d內(nèi)所有原子的內(nèi)積，根據(jù)式（4）的最相關(guān)的原子索引，并更新支撐集：；的表達(dá)式為：

53、（4）；

54、其中，為字典d的第v列，即第v個(gè)原子；

55、ⅳ、更新稀疏系數(shù)向量：，為字典中由索引的列構(gòu)成的子矩陣，更新殘差：；

56、ⅴ、令，若u=4，則過程結(jié)束，否則執(zhí)行步驟ⅲ；

57、根據(jù)上述過程，得到支撐集中包含四個(gè)元素，分別賦值于，稀疏系數(shù)向量中存在四個(gè)非零元素，分別賦值于；

58、i、構(gòu)建監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)搜索點(diǎn)位置特征矩陣，根據(jù)損傷識(shí)別精度要求，將待測(cè)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)區(qū)域等間距離散成r×g個(gè)搜索點(diǎn)，搜索點(diǎn)的位置坐標(biāo)矩陣ps，其表達(dá)式為：

59、；

60、其中，表示第個(gè)搜索點(diǎn)的位置坐標(biāo)，1?≤?i?≤?r，1?≤?j≤?g；

61、計(jì)算傳感路徑上搜索點(diǎn)位置特征矩陣，其中，表示第k個(gè)路徑組內(nèi)，路徑上搜索點(diǎn)的位置特征矩陣，即，表示第k個(gè)路徑組內(nèi)傳感路徑數(shù)量；表示第k個(gè)路徑組內(nèi)第j條路徑上搜索點(diǎn)的位置特征，是維度為r×g的二維矩陣，其表達(dá)式為：

62、（5）

63、其中，1?≤?k?≤?n；?1?≤?j?≤，表示第j個(gè)路徑上激勵(lì)傳感器的坐標(biāo)；表示第j個(gè)路徑上接收傳感器的坐標(biāo)；表示搜索點(diǎn)坐標(biāo)ps與的歐式距離，維度為r×g；表示搜索點(diǎn)坐標(biāo)ps與的歐式距離，維度為r×g；表示lamb波在待測(cè)結(jié)構(gòu)中的傳播速度；

64、j、計(jì)算路徑損傷概率并確定損傷位置，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)總的損傷概率為：，其中，n為傳感路徑的分組數(shù)量；pdk為第k個(gè)路徑組的損傷概率，根據(jù)式（6）計(jì)算得到pdk：

65、（6）

66、其中，為第k個(gè)路徑組中傳感路徑的數(shù)量；為根據(jù)損傷位置特征與搜索點(diǎn)位置特征得到的第k個(gè)路徑組內(nèi)傳感路徑j(luò)的損傷概率，根據(jù)式（7）計(jì)算得到：

67、（7）

68、其中，為時(shí)間閾值，設(shè)置為lamb波激勵(lì)周期的1.5倍；

69、總損傷概率是一個(gè)維度為r×g的二維矩陣，表示第個(gè)搜索點(diǎn)位置處出現(xiàn)損傷的概率，最大損傷概率集中區(qū)域即為損傷位置；其中，r和g分別為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)離散點(diǎn)的行數(shù)與列數(shù)。

70、本發(fā)明提供的技術(shù)方案中，該方法包括搭建基于lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感路徑進(jìn)行分組；對(duì)參考溫度下健康lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，獲得參考信號(hào)，并構(gòu)建參考映射矩陣；對(duì)目標(biāo)溫度下?lián)p傷lamb波信號(hào)進(jìn)行采集、分組，獲得目標(biāo)信號(hào)，并構(gòu)建目標(biāo)映射矩陣；確定目標(biāo)溫度下的損傷散射信號(hào)；提取損傷位置特征，并計(jì)算路徑損傷概率，確定損傷位置；在損傷定位過程中，該方法降低了lamb波對(duì)溫度的依賴，實(shí)現(xiàn)了損傷位置的快速和同步定位，提高了廣泛適用性。