声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法与流程

1.本发明属于航天器结构健康检测技术领域，具体涉及一种声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法。


背景技术：

2.空间碎片是影响人类航天活动长期可持续发展的重要因素之一。太空中不可避免的意外事件，如流星体带来的爆炸或碰撞以及废弃航天设施均会产生大量的太空碎片，这些太空碎屑对航天器的正常运行带来安全隐患。为减小空间碎片对航天器的威胁，对碎片碰撞航天器位置进行快速、准确定位，检测碰撞程度并视情进行修复是重要手段。
3.在各向同性结构中，基于信号到达给定传感器的时间差来定位声发射源(tdoa 法)已被广泛应用，该方法基于各向同性的波速假设和不间断的传播路径。航天器结构复杂，存在舷窗、舱门、贯穿件等非连续结构，声波在其中传播受限，传统的tdoa 法不再适应。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法，可实现航天器非连续结构的碎片碰撞精确定位。
5.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
6.一种声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
7.1)搭建检测系统：所述定位方法所用的检测系统包括压电传感器、信号放大器、信号采集卡及计算机，所述压电传感器与待测金属件通过支架安装在一起，以待测金属件的贯穿部位为圆心，在圆心的同一半径位置处圆周均匀分布4个所述压电传感器，4个所述压电传感器共同连接至信号放大器，所述信号放大器将采集的信号传输至信号采集卡，所述信号采集卡将信号传输至计算机；
8.2)设定航天器特殊部分的贯穿形结构类似于带洞平板，并将该平板利用网格划分为多个区域，建立与网格匹配的矩阵，设网格的每个交点为矩阵节点(i，j)，假设信号的激励源为网格节点，也就是矩阵节点(i，j)，可通过路径分析得到该节点到第k个传感器的理论最短距离该节点到第k个传感器的传播时间为：
[0009][0010]
其中：v为波速；
[0011]
由于该阵列选择使用四个压电传感器，可通过路径处理求得的节点(i，j)到两个不同的传感器l和m的传播时间之差为：
[0012][0013]
此外，通过实际的信号分析可以得到四个传感器接收到s0模态兰姆波的初始时
间，计算两个不同的传感器l和m接收到信号的时间差
[0014][0015][0016]
通过计算d
xy
可以得到每一个节点(i，j)，也就是位置点(x，y)的时间偏差程度，每个网格节点均会得到相应的d
xy
值，位置点(x，y)与真实的信号产生点(x0,y0) 的距离越近，d
xy
值就越小；对于所有的位置点(x，y)而言，最小d
xy
对应的位置即为信号发生点，故可以实现碰撞的定位；
[0017]
3)若网格节点的时间偏差度d
xy
不满足阈值要求，可在初次定位结果的基础上进行二次网格划分以建立更密集的网格，或者利用插值进行时间估计计算网格节点之间的部分来提高精确度；
[0018]
4)利用comsol软件对待测平板进行仿真分析，兰姆波的传播遵守惠更斯菲涅尔定理，当兰姆波经过阻碍时会绕过障碍并形成新的波面，信号源产生的信号经过最短路径到达传感器，也就是分别做信号源与传感器对圆洞的切线，切线长度与切点对应的弧长之和为兰姆波传播路径，假设四个传感器阵列的位置为(-40，40)、(-40，
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40)、(40，40)、(40，-40)，求出四个传感器与圆洞的切线，若信号源在图示区域内，则四个传感器接收兰姆波信号时，至少有一个传感器的信号接收路径将不沿直线，需要重新规划路线；
[0019]
5)做信号源、传感器与圆的切线并记录其长度，该长度与切点对应弧长之和为信号传播路径若信号源在图示区域之外，则信号的传播不受阻碍，传播路径为直线，在确定路径后按照步骤3)的算法流程即可确定碰撞点。
[0020]
本发明的优点和有益效果为：
[0021]
本发明提出的一种声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法，可实现航天器非连续结构的碎片碰撞精确定位，提高定位精度，利于对空间碎片碰撞导致航天器损伤的及时修复。
附图说明
[0022]
图1为本发明的系统结构示意图：
[0023]
图2为本发明的兰姆波频散曲线示意图：
[0024]
图3为本发明的兰姆波s0波起始时刻求取示意图；
[0025]
图4为本发明的定位算法结构网格划分示意图；
[0026]
图5为本发明的算法流程示意图；
[0027]
图6为本发明的波面仿真示意图；
[0028]
图7为本发明的区域划分示意图。
具体实施方式
[0029]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0030]
一种声波传播路径修正的航天器非连续结构碎片碰撞定位方法，其创新之处在
于：所述方法的步骤为：
[0031]
1)搭建检测系统：所述定位方法所用的检测系统包括压电传感器、信号放大器、信号采集卡及计算机，所述压电传感器与待测金属件通过支架安装在一起，以待测金属件的贯穿部位为圆心，在圆心的同一半径位置处圆周均匀分布4个所述压电传感器，4个所述压电传感器共同连接至信号放大器，所述信号放大器将采集的信号传输至信号采集卡，所述信号采集卡将信号传输至计算机；
[0032]
2)当太空碎片碰撞到检测系统时会产生弹性波，该弹性波传播到传感器会产生电信号，当任何一个传感器电信号幅值大于预设阈值时，可以认为发生了碎片碰撞。
[0033]
根据质点的振动位移方向，将兰姆波分为对称模态和反对称模态，分别表示为si和ai(i＝1，2，
…
)，兰姆波的传播特性随入射角度、频率和结构几何形状的变化而变化，因此在有限物体中存在无限的si和ai波模态，如图2所示。
[0034]
由于兰姆波信号在传播中会发生频散现象，采集到的信号会发生模态分离，其中传播速度最快的模态为s0模态，故将采集得到兰姆波信号中的模态的时刻作s0为计算基准，如图3所示。
[0035]
许多结构可以简化为板状结构，因为大多数实际结构的一维尺寸比其他二维尺寸小得多。为方便分析，可认为航天器特殊部分的贯穿形结构类似于带洞平板。并将该平板利用网格划分为多个区域，如图4所示。
[0036]
建立与网格匹配的矩阵，设网格的每个交点为矩阵节点(i,j)，假设信号的激励源为网格节点，也就是矩阵节点(i,j)，可通过路径分析得到该节点到第k个传感器的理论最短距离该节点到第k个传感器的传播时间为：
[0037][0038]
其中v为波速，由于该阵列选择使用四个压电传感器，可通过路径处理求得的节点(i,j)到两个不同的传感器l和m的传播时间之差为：
[0039][0040]
此外，通过实际的信号分析可以得到四个传感器接收到s0模态兰姆波的初始时间，计算两个不同的传感器l和m接收到信号的时间差
[0041][0042][0043]
通过计算d
xy
可以得到每一个节点(i,j)，也就是位置点(x,y)的时间偏差程度，每个网格节点均会得到相应的d
xy
值，位置点(x,y)与真实的信号产生点(x0,y0)的距离越近，d
xy
值就越小。所以对于所有的位置点(x,y)而言，最小d
xy
对应的位置即为信号发生点，故可以实现碰撞的定位。
[0044]
网格节点的疏密程度决定了定位的精确度，故理论上网格节点的划分越密，定位精度越高。但过分密集的网格会带来运算量的大幅增加，运算时间会变多，所以网格不应过分密集。此外，若网格节点的时间偏差度d
xy
不满足阈值要求，可在初次定位结果的基础上进
行二次网格划分以建立更密集的网格。或者利用插值进行时间估计计算网格节点之间的部分来提高精确度，具体运算流程图见图5。
[0045]
利用comsol软件对待测平板进行仿真分析，其兰姆波在经过空洞时的波面图见图6，由图可知兰姆波的传播遵循惠更斯菲涅尔定理，当兰姆波经过阻碍时会绕过障碍并形成新的波面。从图6(d)中可以清晰的看到兰姆波在过洞后的波面是由一系列小波源叠加而成，且存在时延情况。故可认为信号源产生的信号经过最短路径到达传感器，也就是分别做信号源与传感器对圆洞的切线，切线长度与切点对应的弧长之和为兰姆波传播路径。
[0046]
假设四个传感器阵列的位置为(-40，40)、(-40，-40)、(40，40)、(40，-40)，求出四个传感器与圆洞的切线，如图7。若信号源在图示区域内，则四个传感器接收兰姆波信号时，至少有一个传感器的信号接收路径将不沿直线，需要重新规划路线。做信号源、传感器与圆的切线并记录其长度，该长度与切点对应弧长之和为信号传播路径若信号源在图示区域之外，则信号的传播不受阻碍，传播路径为直线。在确定路径后按照上文算法流程即可确定碰撞点。
[0047]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。