采用幅度譜索引法的航天器密封結構泄漏點定位方法

芮小博 李一博 劉圓圓 綦磊,2 曾周末

(1 天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072)(2 北京衛星環境工程研究所，北京 100094)

隨著航天技術的發展，航天器的安全性問題得到了越來越多的重視[1]。在軌航天器所處的太空存在著大量的太空垃圾與微流星體，對航天器的安全運行產生威脅。一旦發生碰撞，容易對航天器的艙體產生破壞進而造成泄漏，影響艙體內部的氣體壓力平衡，直接影響宇航員的安全及設備的正常運行[2]。

為了能夠及時發現航天器泄漏從而實施修補，需要開發一種在軌航天器的結構健康在線監測系統。目前，國內外開展的相關研究主要基于紅外成像技術、光纖檢測技術、聲學檢測技術等[3]，大部分還在研究與試驗過程中。其中，聲學檢測技術因為靈敏度高、易于實現而獲得了大量關注[4]。

航天器外殼結構屬于金屬薄板結構，其泄漏以連續信號的形式進行傳播。其定位的難點主要體現在信號的連續性及板型的復雜性。泄漏信號不屬于突發聲信號，無法準確獲取其開始時間，因此難以使用傳統的聲達時間差方法。為了增強結構強度，航天器外殼常用加強筋結構，對信號的傳播特性造成影響，進一步對泄漏信號的定位造成困難[5]。

為了解決以上問題，國內外研究人員提供了多種思路。劉治東等人[6]開展了基于模態的分離對撞擊信號進行了定位及損傷評估，但也無法對連續泄漏進行定位。Reusser等人[7]對陣列式傳感方法進行了研究，開發了64元傳感器陣列，結合空間傅里葉變換及三角法對連續泄漏信號進行定位，但該方法所需傳感器數量多、計算量大，且定位精度難以達到應用需求。Mclaskey等人[8]基于波束形成原理，對連續聲源信號實現了準確的定位，但無法應用在復雜加筋板結構中。李一博等人[9-10]利用聲傳感器陣列和頻速加權波束形成算法，可實現簡單平板上的連續泄漏精確定位，但在加筋板結構上的應用存在明顯局限性。

Al-Jumaili等人[11]于2016年提出了一種針對復雜幾何形狀和復雜材料聲發射定位問題的時延映射法。該方法通過劃分網格并建立時延數據表，在檢測時參照該矩陣結合聚類算法自動識別信號源的位置，但該方法只適用于具有明顯時間起點的聲發射信號。

針對航天器復雜加筋板結構連續泄漏的準確定位問題，本文提出了一種幅度譜索引法，該方法將時延映射法的特征值拓展到幅度譜上，以應用于連續信號的定位問題。該方法需要預先在需要檢測的加筋板上劃分網格與布放傳感器網絡，通過在每個網格激發泄漏聲源信號，提取信號的幅度譜特征量，形成索引矩陣。在應用時，可以通過與表格進行匹配索引，得到其位置信息。該方法為航天器復雜加筋板結構的準確定位問題提供了思路與具體的實現方法，可為航天器的在軌檢漏設備設計提供參考。

1 幅度譜索引法原理

泄漏點激發出的連續聲信號以式(1)的形式表達

S0(f)=A(f)exp(jφ(f))

(1)

式中：A(f)是聲信號的幅頻譜，φ(f)是相位譜。

該連續信號將以板波的形式傳播，并被分布式傳感網絡接收。其中某一個傳感器所接收的信號為

Sn(f)=Gn(f)En(f)A(f)exp(jφ(f)-

jk(f)dn)

(2)

式中：n表示分布式傳感網絡中第n個傳感器，Gn(f)En(f)表示從泄漏點到傳感器的幅值系統傳遞函數，Gn(f)表示在板子中傳播的衰減，En(f)是傳感器的幅頻響應因子。k(f)代表A0模態蘭姆波的波數，dn表示傳感器與泄漏點的距離。

幅度譜索引法不以相位為特征值，因此在后文中以幅值進行討論。編號為m和k的兩個傳感器幅值的比值為

(3)

傳感器之間的比值與泄漏源的頻譜響應無關，因此該方法適用于多種泄漏。在工作中，分布式傳感器網絡系統一旦確定，傳感器的幅頻響應比Ek(f)/Em(f)將保持不變。因此，比值只與泄漏點的位置有關系。可將所有的傳感器與同一個傳感器進行比較，產生特征值Q。

可通過將平板劃分成均勻的網格，并在每個網格進行信號激發模擬泄漏，得到各個點的Q值，并制作成索引矩陣。當某一個位置發生損傷產生泄漏時，可與索引矩陣進行對比，最接近的一個點即被認為是泄漏點。匹配算法使用最小方差法

(4)

其方差最小網格即為定位結果。從原理中可以看出，該方法將傳統的時延映射法中的特征值拓展到幅度譜上，以幅度譜的比值代替時延作為特征值，可以克服信號傳播特性及激發信號頻譜特性的影響，從而可實現對航天器復雜加筋板結構進行連續泄漏聲信號定位。

2 實驗系統搭建

2.1 實驗平臺

針對幅度譜索引定位法，本節進行了實驗平臺的設計，如圖1所示。該平臺主要由激光多普勒測振儀(POLYTEC：PSC-500V)，電壓放大器(TEGAM：Model2350)，激勵換能器(PAC：Nano30)組成。實驗所用金屬板如圖2所示，其材料為鋁合金5A06，尺寸為400 mm×200 mm×2.5 mm，金屬薄板具有高為20 mm，厚為4 mm的加強筋，加強筋縱橫交錯且間隔100 mm。

圖1 實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

圖2 加筋板示意圖Fig.2 Schematic diagram of stiffened plate

2.2 實驗步驟

首先需要在加筋金屬薄板上均勻劃分網格。從原理上可知，網格的數量將決定該方法的定位精度。網格數量的增加課題提高系統的定位精度，但同時也大量的提高了前期的工作量。因此應該通過航天器不同位置的不同定位精度需求進行網格劃分確定。實驗加筋板上網格設置為10 mm×10 mm大小，因此共劃分出800個網格。

在索引矩陣準備階段，使用信號發生器產生100～400 kHz的掃頻信號來模擬泄漏信號，該信號根據泄漏頻譜特征進行選取，信號時間長度選為8 ms。信號發生器的激發信號經過電壓放大器驅動Nano30換能器，以激發模擬的泄漏聲信號。模擬激勵源被依次放置在網格中，在每個激發的同時使用激光多普勒測振儀替代分布式傳感器采集振動信號，本實驗中計劃采集7個點的信號，位置如圖3所示。理論上只需要兩個傳感器即可定位，但是為了提高定位的準確性及魯棒性，需要采用多個傳感器。使用采集點1作為參考點，因此將其設置在板中心位置，其余6個點將在覆蓋整個板的情況下隨機選取。信號的采樣率為3.125 M，對每個采樣點實現100次平均值采樣，計算特征值建立索引矩陣。

圖3 網格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

使用白噪聲疊加激勵信號作為泄漏聲源進行定位測試，將其分為3種情況進行討論，分別為網格中心、1/2網格、1/4網格，如圖4所示。每種情況隨機選取了45個點進行測試，共135個測試點。

圖4 3種泄漏源實驗條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of three types of leakage sources for experiment

3 實驗結果及討論

3.1 實驗結果

圖5展示了本方法的定位結果, 圖中色塊數值大小表示歸一化方差值，選取方差最小的網格作為定位結果。白色方框為傳感點所在網格位置，綠色圓圈表示泄漏信號真實位置，紅色圓圈表示泄漏源定位結果所在位置，其中(a)～(c)分別表示了3種情況的定位示例圖。x、y代表加筋板尺寸。

從圖5中可以看出，該方法可以有效對加筋板結構的泄漏聲源進行定位，當實際聲源位置和網格中心位置重合時，定位效果最好。當泄漏源只占有1/4網格時，出現了明顯的定位誤差。對上述135個泄漏聲源進行定位，并求每種類型的平均定位誤差，可以得到表1的結果，與圖5中的結果一致。當實際位置離網格中心點越遠時，定位誤差越大。經計算，對于135個未知聲源，在上述的實驗條件下，應用幅度譜索引法，其平均定位誤差為21.7 mm。

圖5 3種泄漏源定位效果圖Fig.5 Positioning results of three types of leakage sources

情況網格中心1/2網格1/4網格平均定位誤差/mm4.320.140.8

3.2 討論

幅度譜索引法對傳播特性及激發信號頻譜特性的影響不敏感，只需要對參考傳感器信號做比值處理，因此很適合于復雜結構的定位檢測。而由于測試信號無需獲知時間信息，因此可以對連續泄漏信號進行檢測。對于航天器來說，不僅可以對加筋結構進行檢測，對于不連續或邊界彎曲的結構也可以進行檢測，例如舷窗、艙門附近等。由于幅度譜索引表是在檢測前期完成，在檢測過程中已經內置進入結構健康監測的嵌入式系統，因此在實際應用的過程中運算量小，可實時定位。該方法也有一定的局限性，在建立特征值索引矩陣表的過程中需要花費較多時間，尤其是待測材料面積較大時；該方法的定位精度與網格劃分的關系很大，網格劃分越細致得到的定位精度越高，網格劃分的主要限制因素在傳感器尺寸與工作量上。從以上實驗結果可以看出，在網格劃分不夠細時，泄漏與網格中心位置產生偏離，定位誤差明顯變大。

本文的研究重點在于驗證該方法的有效性及研究不同密度網格劃分方法的影響，得到了具有前景的試驗結果，但實際應用還有一定的差距。為了進一步驗證該方法針對在軌飛行的航天器復雜密封加筋板結構的定位效果，下一步計劃針對具有熱控涂層等材料的加筋板結構進行試驗研究，對于不同材料及不同厚度開展檢漏靈敏度及定位精度的評估，并進一步改良索引矩陣方程算法，以推動幅度譜索引法在在軌航天器上的實現。

4 結束語

本文提出了一種幅度譜索引法，可以應用于航天器復雜加筋板結構的泄漏定位，具有對信號源頻域特征分布不敏感和可以在復雜結構中對連續信號源實現快速定位的優點。在400 mm×200 mm×2.5 mm的鋁板上劃分800個網格、應用7個傳感點的條件下，對3個種類共135個信號進行測試，可得到21.7 mm的平均定位誤差。在網格中心對齊的情況下，可得到4.3 mm的定位精度。幅度譜索引法可對未來我國在軌航天器的泄漏監測系統的布局設計提供參考，為航天器的在軌穩定運行保駕護航。