复杂航空结构中损伤的空间-波数域滤波成像

Lamb wave propagting in real aerospace complex composite structure is of highly anisotropy and signal superposition, which makes it difficult to monitor damage in structure accurately. Aiming to solve this problem, a spatial-wavenumber filtering based damage imaging method is put forward. Based on directional filtering and propagation velocity independent feature of the spatial filter, this project will study five contents of piezoelectric sensor array configurations based modeling method of spatial filter, spatial-wavenumber filtering based Lamb wave signal processing method of multi-mode signal superposition inhibiting, methods of complex reflecting signal superposition inhibiting and propagation velocity independent damage imaging, method of hardware and software realization of spatial filter based damage imaging system and validation of spatial filter based damage imaging method on complex composite structure to build a three degrees of signal superposition inhibiting mechanism to solve the difficult issue of damage non-monitoring introduced by signal superposition and to put forward the propagation velocity independent damage imaging method of complex composite structure to solve the problem of low damage monitoring accuracy introduced by anisotropy. This research is of great significance to promote the practical application of structural health monitoring and management technology on real aerospace complex composite structures and support the key aircrafts development in our country.

针对真实复杂航空复合材料结构中，Lamb波各向异性明显和信号混叠严重，导致损伤难以准确监测这一难点问题，本项目提出研究一种损伤的空间-波数域滤波成像方法。利用空间滤波器定向扫描及波速无关的特点，通过研究多种压电传感器阵列构型的空间滤波器理论建模、抑制多模式信号混叠的Lamb波空间-波数域信号处理方法、复杂多反射信号混叠的抑制方法及损伤的波速无关的图像表征方法、结构损伤的空间-波数域滤波成像系统的软硬件实现方法以及信号易混叠复材结构中的空间-波数域滤波成像方法的验证，建立复杂航空复合材料结构中信号混叠的三级抑制机制，解决信号混叠造成损伤不易监测的难点问题，提出复杂航空复合材料结构中损伤的波速无关的图像表征方法，解决信号各向异性造成损伤监测准确性低的问题。本项目的研究对于将结构健康监测与管理技术进一步应用于真实复杂航空复合材料结构，为我国重点飞机型号工程提供技术支撑具有重要意义。

本项目针对真实复杂航空复合材料结构中，Lamb 波各向异性明显和信号混叠严重，导致损伤难以准确监测这一难点问题，开展了结构损伤的Lamb波信号空间-波数域滤波成像方法研究。取得的主要创新性成果总结如下：.1）针对现有空间-波数域滤波方法缺乏理论指导，存在近场和角度监测盲区问题，建立了线形和十字形压电传感器阵列构型的Lamb 波空间-波数域滤波理论模型，优化了空间滤波器的实现方法；通过对空间滤波器近远场和角度盲区的理论和实验研究，提出了基于十字阵的Lamb波全场空间-波数滤波理论模型；.2）针对Lamb波信号多模式易混叠的问题，提出了基于Shannon连续复数小波变换和空间滤波器的Lamb 波空间-波数域信号提取方法，能够抑制Lamb 波信号混叠及其它噪声干扰；.3）针对现有空间滤波器仅能离线应用，并且依赖Lamb波波数模型或依赖精确波数测量的问题，提出了基于波数搜索-匹配机制的Lamb波空间-波数域滤波结构损伤和冲击成像方法，解决了常规空间滤波器方法在应用于复杂结构时的波数依赖问题，发展了空间滤波器的在线应用；.4）针对复杂结构各向异性容易导致损伤和冲击监测误差大的问题，提出了基于多维压电传感器阵列组合监测的空间-波数域滤波角度-波数图像的融合增强机制，实现了损伤和冲击区域的图像增强及波速无关的位置判别；.5）面向工程应用，研制了系列线形、十字形和圆形的空间滤波器传感器阵列；优化了现有Lamb波结构健康监测系统软硬件模块，研制了一套集成化的结构损伤的空间-波数域滤波成像系统；.6）在加筋变厚度的真实复合材料机翼油箱结构上搭建了Lamb波空间-波数域滤波成像功能演示验证系统，实现了复杂航空结构损伤和冲击的准确监测。.发表文章12篇，其中SCI收录9篇，EI收录12篇，录用SCI源期刊文章1篇；发表国际会议文章6篇，其中ISTP收录2篇；申请国家发明专利4项，其中授权2项；国际会议邀请报告2次，分会场报告6次，担任分会场主席2次，受邀在国外大学讲学2次，邀请境外专家讲学2次，国内会议分会场报告1次；项目负责人获国防科技发明二等奖，排名2，获2014年香港香江学者奖，2篇文章获得国际会议最佳论文奖；项目负责人入选2014年香港香江学者，入选2015年德国洪堡学者，本项目培养博士生2名，已答辩，培养在读硕士生2名。