基于扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信方法

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基于扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信方法*

洪晓斌黄景晓许维蓥刘桂雄

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)

摘要：为满足特殊环境下结构健康监测多传感参量的通信需求，提出了一种基于扩频理论的多传感应力波通信方法.该方法以应力波为传感信息载体，将同一区域的传感器数据按重要程度分成多组双通道信号，并用m序列码作为扩频码展宽基带频谱以区别不同组间信号，采用Walsh码作为地址码以区别同组传感数据；利用信号前后码元间载波相对相位的变化来调制传递传感信息，同步处理后经载波同步解调，再与每组传感器的伪扩频码进行相关解扩处理，经判决处理后恢复原始各个通道的二进制传感信号.钢缆线水下环境的通信实验结果表明：发射速率为50b/s时的应力波通信效果(SWCE)值较速率为400b/s时提高了24%，在256位传感信息下仍可实现无误码通信；当发射端压电陶瓷浸入水中而接收端处于空气环境中时，单通道与双通道的接收信号幅值较空气环境下增加了20%，SWCE基本不变.

关键词：多传感信息；扩频；应力波通信；结构健康监测

收稿日期：2014-10-08

基金项目：* 国家自然科学基金资助项目(51305141);广东省自然科学基金资助项目(2014A030313248)

作者简介：洪晓斌(1979-),男,教授,硕士生导师,主要从事无损检测技术与装备、智能传感技术及应用研究.E-mail: mexbhong@scut.edu.cn

文章编号：1000-565X(2015)05-0008-09

中图分类号：TP212

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.05.002

面向大型工业结构的健康监测系统与安全评估是目前的研究热点之一[1-2].早期结构健康监测系统大多采用总线协议形成有线传感网络,常因承受过大外力而容易损坏,且需预先将通信电缆铺设在结构层中[3].由无线传感节点组成的无线传感器网络因具有维护方便、扩展性强、价格低等特点而被广泛用于大型结构健康监测中[4],但当应用到一些特殊结构(如水下海上平台、阀门等)时,由于无线电磁波信号在水(或土壤)中传播衰减严重,且存在电磁屏蔽现象,导致其传播距离非常短[5].在无线传感器网络未能很好传递结构状态信息情况下,研究新型结构状态监测信息通信方法显得尤为重要,基于应力波的结构健康监测信息通信是其中代表性新方法之一.Kokossalakis[6]设计了单通道声发射/接收装置,在石油管道中进行单一监测信息的应力波通信实验研究.Sakuma等[7]提出了以燃气管道作为数据通信介质用于监测燃气表数据的单传感信息应力波通信系统,可避免单通道中多路径导致的码间干扰.Jin等[8-10]研究了基于时间反演PPM调制的传感信息应力波通信方案,以克服应力波在管道介质中的频散、多路径问题.Kailaswar等[11]提出了应用于建筑结构健康监测的应力波通信方法,开发了用于混凝土中单一传感量不同调制方法的单发单收通信模块.闫向宏[12]对随钻测量数据应用一对压电片在钻柱信道中进行应力波传输数值模拟.然而,目前主要针对单传感量的应力波通信进行研究,较少涉及多传感量集成应力波通信.在现代大型结构健康监测中,常常需要部署多个传感器以提供结构完整性信息,如损伤、振动、应力、位移、倾斜等,因此迫切需要实现互不干扰的多传感信息集成通信技术.扩频通信是一种新型通信方式,具有抗多径干扰、易实现码分多址等优点,已成功应用于大型通信系统中[13-14].然而,当前扩频通信主要针对无线电通信和水声波通信领域进行研究,面向固体结构的应力波通信研究国内外尚未见报道.为满足特殊环境下结构健康监测多传感参量的通信需求,文中提出了一种新的基于扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信方法.

1应用扩频理论的多传感应力波通信方法

当前单个传感信息应力波通信对应一对压电换能器(用于发射端激励和接收端接收),面向实际的结构健康监测系统存在大量的传感器,故需要大量的压电换能器对,这将给系统布置带来极大的困难;同时,如果离接收端较远的传感器和较近的传感器同时发出信号,多路传感器信号混合叠加后,强度较小的信号极易被强度较大的信号所干扰,难以获得准确的独立传感信息.图1所示的结构健康监测多传感应力波通信系统包括传感器、传感信号处理模块、信号放大模块、压电换能器、上位机等.系统采用了分区域的思想,即将近距离的多个传感器划分在同一个区域,同一个区域内的所有传感器集成对应一个压电换能器集中发射,可大大减少压电换能器的数量;通过控制不同区域传感参量的信号发射间隔时间,可实现对各个区域的传感信息分时发射,避免不同区域传感信号之间的干扰.信号处理模块对同一区域中不同传感器信号进行集成发射预处理.压电换能器既可作为执行器也可作为传感器,上位机系统可获取所有传感器所携带的数据信息.

图2给出了应用扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信框架.在被监测对象结构中,同一区域中所有传感器数据被编码为二进制信号,根据不同传感参量重要程度以两路传感信息为基准进行分组,成为多组双通道信号,预先设置分组后信号之间的时间间隔以便控制不同传感参量的采样间隔.采用扩频码发生器可产生不同伪扩展码展宽不同传感信号频谱.需事先根据传感器分组后的组数来确定对应的扩频码数量和类型.接着对扩频后信号进行调制并放大,再激励发射端压电换能器产生应力波,并通过固体结构介质发送出去.应力波在介质传输过程中一般均存在噪声和外部干扰等因素.当应力波到达接收端时,压电换能器产生对应的电信号.上位机系统将接收到的信号进行同步处理,即找到信息组的起止时刻,使原发射信号与接收信号对齐,再经与发射端同步的载波解调,解调后信号与每组传感器对应的伪扩频码进行相关解扩处理.在此需要保证扩频和解扩频之间的伪码同步来最大限度地降低误码率.经过解调解扩频后,即可恢复出原始基带二进制信号对应的传感器数据.

要实现多传感应力波信号的互不干扰通信,多传感信息扩频和调制、接收到的多传感应力波混合信号解调和解扩是核心关键问题,下面对这些关键问题的具体实现方法进行理论分析.

图1面向固体结构健康监测的多传感应力波通信集成系统

Fig.1Integrated multi-sensor stress wave communication system for solid structural health monitoring

图2基于扩频理论的多传感应力波通信框架

Fig.2Multi-sensor stress wave communication scheme based on spreading spectrum technology

2应用扩频理论的多传感应力波通信方法的实现

2.1基于PN码序列和载波相对相位变化的扩频调制

假设第i个传感器输出码元宽度为Tb的二进制信号bi(t)(即基带信号)为

(1)

式中:N为二进制传感信息的长度；b[n]为第n个二进制传感信息，取值为1或-1；门函数

则码片长度为Tm的伪随机序列m(t)为

(2)

式中:m[n]为第n个扩频码码元,取值为1或-1.扩频过程是将传感信息序列bi(t)与伪随机序列m(t)进行相乘运算,产生一个速率与伪随机序列m(t)相同的序列c(t),

(3)

本系统伪随机序列码选用m序列码作为扩频码,展宽传感信息bi(t)频谱,以区别不同组间传感信号.文中采用Walsh码作为地址码以区别同组中的不同传感器信息,实现多传感信息的互不干扰独立通信.图3为多传感信息互不干扰通信扩频方法的实现过程.

图3　多传感信息互不干扰通信扩频方法的实现过程 Fig.3　Realization of multi-sensor communication spreading spectrum method without interference

假设多传感应力波通信系统有k个传感器,则第i个传感器的PN码(即伪噪声码)假设为

PNi[n]=m[n]*walshi[n]

(4)

式中:n=1,2,…,N;walshi[n]为第i个传感器的Walsh码.

将不同区域传感器分组后,每组中不同的传感器信息分别与不同的Walsh码进行卷积.每组传感器信息采用不同m序列码进行信号扩频处理,组间扩频码不需要保证正交性,只需同组发射端与接收端的m序列码同步,其中第i个传感器信息扩频后的输出信号Si(t)为

(5)

式中，Tw为Walsh码的码片长度.

经过扩频后包含有k个传感器信息的混合信号S(t)为

(6)

d(t)=S(t)d(t-Tm)

(7)

将差分后的信号d(t)经载波调制为S′(t),

S′(t)=d(t)cos(ωt)

(8)

式中,ω为发射载波角频率,S′(t)为扩频调制后的发射信号.由此可完成多传感信息应力波信号的扩频调制过程.

2.2基于载波和PN码同步的多传感应力波信号的解调解扩

下面对扩频调制后的多传感信息应力波信号S′(t)进行解调解扩处理以恢复传感基带信号.S′(t)被放大激励后通过固体介质进行传播,由于受到外界噪声信号e(t)的干扰,接收端信号S″(t)为

S″(t)=S′(t)+e(t)

(9)

将接收到的应力波信号S″(t)也延迟一个扩频码片时间长度Tm,则S″(t)变为S″(t-Tm),再与S″(t)相乘,得到R(t),

R(t)=[S′(t)+e(t)][S′(t-Tm)+e(t-Tm)]

(10)

代入式(8)并逐项展开:

R(t)=d(t)d(t-Tm)cos(ωt)cos(ω(t-Tm))+

d(t)cos(ωt)e(t-Tm)+d(t-Tm)·

cos(ω(t-Tm))e(t)+e(t)e(t-Tm)

(11)

再将式(7)代入式(11),可得

R(t)=S(t)d2(t-Tm)cos(ωt)cos(ω(t-Tm))+E(t)

(12)

式中,E(t)为接收端信号解调后噪声e(t)导致的噪声干扰分量,为式(11)展开后所有含e(t)项之和,

E(t)=d(t)cos(ωt)e(t-Tm)+d(t-Tm)·

cos(ω(t-Tm))e(t)+e(t)e(t-Tm)

(13)

当延迟的扩频码片时间长度Tm正好是应力波信号载波周期的整数倍时,式(12)转化为

(14)

式(14)中等号右边第2项为应力波载波同步解调后的高频分量信号.通过低通滤波后R(t)为

(15)

为了还原第i个传感器信息,用本地相同PN码进行解扩,可得

(16)

式中,E(t)与接收端产生的伪随机码m′(t)是不相关的,因此可减小解扩后信号带宽内的干扰,提高信噪比.如果m′(t)与发射伪随机码m(t)同步,则有m(t)=m′(t),即m(t)m′(t)=1,因此式(16)可简化为

(17)

由地址码相关性可知,当解扩所用的本地码与第i个传感器地址码walshi[n]的码型完全相同,并且前码位完全对准时,信号才能被正确解扩.即在系统同步后,由于Walsh序列具有理想的同步正交性:

walshi[n]*walshj[n]=0,i≠j

(18)

故可以很好地消除其他传感器的干扰;当i=j时,walshi[n]*walshj[n]=1，可实现自相关解调,恢复第i个传感器的初始传输信息bi(t):

R′(t)=bi(t)

(19)

3实验及结果分析

3.1多传感信息应力波通信实验平台

钢缆线结构广泛应用于海上作业平台等领域,可作为水下状态信息应力波传播介质[15].为验证文中方法在水环境特殊结构中的应用可行性,建立图4所示水环境下多传感信息应力波通信实验平台,包括压电陶瓷换能器(PZT)、钢缆线、PVC管(内径10cm)、Agilent 33522B信号发生器、Trek 2205压电驱动器/功率放大器、NI PCI 6259数据采集卡、负责对信号进行扩频调制和信息恢复处理的上位机等,其中上位机分别与信号发生器、数据采集卡相连.上位机将激励信号和调制信号输送到信号发生器,并接收数据采集卡采集到的接收信号.压电放大器与信号发生器连接,可将激励信号放大50倍.钢缆线为应力波传播介质.所用PZT规格为5mm×8mm,PZT粘贴于钢缆线结构表面,发射端与接收端相距80cm.

图4　钢缆线水下环境应力波通信实验平台

Fig.4Stress wave communication experimental platform for steel strand in underwater environment

3.2多传感应力波通信实验及结果分析

以五峰值信号作为探测信号,频率范围为1～100kHz,平均分为4组,选取5、15、45、100kHz频率探测钢缆线结构的多径效应现象,结果如图5所示.由图可知,随着频率的增大,多径效应越大,信号失真度越大,而多径效应产生的符号间干扰(ISI)会影响到信号传输的质量,出现通信误码情况,故低频段(15kHz以下)信号有利于钢缆线结构中应力波通信.为了在低频段选取合适的载波频率,对水下环境钢缆线结构进行扫频测试,扫频信号是幅值为2V的正弦波信号,扫频范围和周期分别是10Hz～10kHz、2s,获得钢缆线的频率响应特性曲线,发现在3.1、3.7、7.2kHz处出现波峰,因此,为达到最强的探测效果,文中选用3.7kHz作为载波频率.

由图2可知,同一区域中所有传感器数据被编码为二进制信号后,根据不同传感参量的重要程度以两路传感信息为基准进行分组,成为多组双通道信号,故双通道信号互不干扰通信是其关键技术.当传感器参量标准输出范围为a时,4位可以达到分辨率1/16,能分辨输入变化最小值为a/16的信号.如果各个传感器的检测数据范围不大(如温度、流量传感器的测量数据),则4位就可以保证精度.二进制相邻码元具有4种不同的组合,即“11”、“10”、“01”、“00”,选取囊括这4种不同组合二进制信息进行应力波通信实验,通道1、2的四位传感信息分别选用[1,1,1,0]、[0,1,0,0]二进制信息.采用互相正交的Walsh序列[1,-1,1,-1]、[1,-1,-1,1]作为地址码进行实验.双通道传感信息与其Walsh序列分别做卷积后再叠加,用m序列码作为扩频码对叠加信号进行扩频处理,结果如图6所示.对展宽频谱后的信号进行差分移相键控调制,将基带信号搬移到信道损耗较小的指定高频处进行传输,以满足应力波的长距离传输.选取水深为发射端与接收端的中点位置,即浸入水下40cm深度的PZT作为发射端,以100b/s速率发射信号(如图7(a)所示)进行钢缆线水下环境应力波多传感信息通信实验,噪声干扰信号频率为50Hz,扩频增益为11.76dB.

图5钢缆线在不同频率五峰值信号下的频散测试结果

Fig.5Test results of dispersion for steel strand with five peak signals of different frequencies

图6经扩频处理后的双通道信号

Fig.6Dual channel signals after spreading

图7双通道的发射与接收信号

Fig.7Emission and reception signals of dual channels

携带双通道信号的应力波沿着钢缆线介质进行传播,处于水面上方的PZT接收信号(如图7(b)所示),经同步处理(即找到每个信息组的起止时刻)后对信号进行载波同步解调,结果如图8(a)所示.在保证扩频和解扩频之间伪码同步下,将解调后信号与每个传感器的伪扩频码进行相关解扩处理,恢复出原始信息,如图8(b)所示,双通道信号经载波解调和解扩处理后成功恢复出原始传感信息[1,1,1,0]和[0,1,0,0].

图8　双通道信号的解调、解扩处理结果

Fig.8Demodulation and despreading results of dual channel signals

进一步对四通道传感信号[1，0，0，0]、[0，1，0，0]、[1，0，1，1]和[0，1，0，1](经分组处理后为两组双通道信号),采用基于双通道信号互不干扰通信的方法进行处理.图9(a)所示的四通道信号同步后经载波同步解调,再与每组传感器的伪扩频码进行相关解扩处理,最后经判决处理恢复出各个通道原始的二进制信号(如图9(b)所示),从而得到对应的传感器数据.因此,四通道传感信号同样可以准确进行通信.综上所述，基于扩频理论,所有相邻码元组合的双通道信号均可以实现水环境下多传感信息互不干扰的独立通信.同样地,多传感信息经分组后成为多组双通道信号,也可以实现信息的独立通信.

图9　四通道传感信号的通信实验结果

Fig.9Communication experimental results of four-channel sensor signals

3.3发射速率、载波频率与水深度对多传感应力波通信的影响

一般情况下,将误码率作为衡量通信系统的指标,然而，上述4位传感信息位数下应力波通信实验在比特信噪比为15.09dB环境下均未出现误码.为比较误码率为0时应力波的不同通信效果,文中定义应力波通信效果衡量值(SWCE).假设传感信息为W位,构成一个码元点数为U,携带传感信息的信号经解调解扩后在波形时域图中共有WU个点,信号采样率为f,则码元长度为U/f.对于某个码元,如果U个点数中数值大于0的点数多于数值小于0的点数,则此码元判定为“1”码,反之,则判定为“0”码.经解调解扩后码元点数为U的“1”(或“0”)码元,数值大于(或小于)0的点数U′所占的比例U′/U即为SWCE.当传感信息为W位时,SWCE值为各个码元SWCEi值的平均数,即

SWCE=(SWCE1+SWCE2+…+SWCEW)/W

(20)

SWCE值越大,表明应力波通信效果越好.同时,根据SWCE值可选取最佳的应力波通信参数,改善应力波通信系统的性能.因解调时SWCE值会随着码元起始点变化而变化,故SWCE最大值对应的码元起始点可作为最佳通信效果起始点.

首先选定发射速率在4～400b/s的10组数据进行4位传感信息应力波通信影响实验.10b/s发射速率下信号解调时域如图10(a)所示,起始点均选取最佳通信点,即SWCE值对应此次实验通信效果衡量最大值.当U=2500、传输[1，0，1，0]信息数据时,SWCE1和SWCE3均为2500个点中数值大于0的点数所占的比例,SWCE2和SWCE4均为2500个点中数值小于0的点数所占的比例,则10b/s速率下的SWCE为

SWCE=(SWCE1+SWCE2+SWCE3+SWCE4)/4=(0.8992+0.8946+0.8875+0.8929)/4=0.8935.

图10不同发射速率下4位传感信息的应力波通信实验结果

Fig.10Experimental results of stress wave communication for 4b sensor message under different emission rates

依此得到发射速率在4～400b/s的应力波通信效果比较,如图10(b)所示.接收信号幅值和通信效果与发射速率均不呈线性关系,发射速率为50b/s时的SWCE最大,较发射速率为400b/s时的SWCE提高了24%.当传感器的测量范围较大时,为提高分辨率,需要增加传感信息位数以确保应用要求.当发射速率为50b/s、位数增加到256、传感信息为[1，1，0，1，0，0，1，0]循环组合时,传感信息判决恢复与原始传感信息码型完全一致,仍然可以实现误码率为0的有效信息传输,前50位对比结果如图11(a)所示.然而,发射速率提高到400b/s时,SWCE值相对较低，发生误码的概率为1.17%,如图11(b)所示,在第251位中“0”码被误判为“1”码,第254、255位也分别出现了误码.

因此,为提高应力波通信可靠性,钢缆线水下环境应力波通信发射速率宜为10～200b/s.

选取载波频率范围为0.9～44.50kHz的7组数据(发射速率50b/s)进行256位传感信息的应力波通信效果比较实验,结果如图12所示.图12表明:载波频率低于7.4kHz时,SWCE维持在0.95左右,信噪比为20.13dB时可实现误码率为0的有效通信,误码率比高载频频率(15～45kHz)时平均提高了15%左右;随着载波频率的增大(大于7.4kHz),SWCE呈下降趋势,应力波通信效果逐渐变差,出现误码情况.综上考虑,选定SWCE较高的发射速率为50b/s、载波频率为3.7kHz的4位传感信息进行不同水深下钢缆线单通道与双通道传感信息应力波通信实验.发射端与接收端相距80cm,通过定滑轮装置可将钢缆线慢慢放入盛有水的PVC管中,并记录发射端浸入水中不同深度(即水面超过发射端的高度为x)时的实验结果,深度变化范围为0～110cm.当x=0cm时为无水环境(即空气媒介中),当x=1cm时发射端压电片正好完全浸入水中,当x=110cm时水面高过接收端30cm.为更好地表现出曲线特点,以lnx为横坐标,取-1作为起始点代替无意义值ln0.图13为单、双通道应力波通信实验结果.

图11不同发射速率下256位传感信息的应力波通信实验结果

Fig.11Experimental results of stress wave communication for 256 bit sensor message under different rates

图12　不同载波频率下的SWCE值与误码率

Fig.12SWCE values and bit error rates under different carrier frequencies

图13　单、双通道水下环境的应力波通信实验结果

Fig.13Stress wave communication experimental results of single and double channel in underwater environment

单、双通道信号的通信系统性能的变化规律基本相同,均可以实现无误码通信.发射端PZT浸入水中,单通道与双通道接收信号幅值较空气媒介下增加了20%,接收信号幅值增大更有利于收发信号的同步.在水深尚未达到79cm,即接收端未浸入水中时,水深的变化对SWCE无明显的影响,单通道信号的SWCE维持在0.98左右,双通道信号的SWCE维持在0.87左右,这表明通信效果随着发射端水深的增加基本上不受影响,可保证水中环境多传感应力波通信的可靠性.水下环境下单、双通道信号的SWCE与钢缆线空气媒介下信号的SWCE非常接近,只要接收端PZT未浸入水中,两种不同媒介(空气与水中)下的应力波通信特性基本相同.当接收端PZT一半浸入水中时通信效果明显受到影响(见图13波谷值,单通道信号SWCE值下降了7.4%,双通道信号SWCE值下降了11%,然而接收端完全浸入水中后,水深超过接收端PZT在0～10cm范围内时,通信效果逐渐改善接近至原始维持值,通信效果达到最高值.

5结论

文中提出了一种新的基于扩频理论的结构健康监测多传感应力波通信方法,以PZT作为执行器和传感器,m序列码用作扩频码,展宽基带频谱,区别不同组间信号,采用Walsh编码作为地址码以区别同组中的不同传感器数据,不必考虑信号碰撞问题,可实现多通道传感数据的同步独立通信.随着发射速率的增加,应力波通信质量呈现了非单调变化趋势.4位传感信息在发射速率为50b/s时的SWCE值较发射速率为400b/s时提高了24%,同时在高传感信息位数时采用SWCE较大的发射速率可有效降低应力波通信系统的误码率,且低频段载波信号更有利于钢缆线结构中的应力波通信,因此,选择合适的发射速率、载波频率和传感信息位数有利于应力波通信系统性能的提高.发射端PZT浸入水中、接收端处于空气环境中时,接收信号幅值较空气环境下增加了20%,通信效果基本上不受影响,这表明水中环境多传感应力波通信的高可靠性.应力波作为载体实现多传感信息通信,可以提供海下作业平台、管道等结构健康监测多传感信息通信方式,文中方法还可以推广到土壤、密封容器等特殊环境中的数据通信,有效弥补了基于电磁波的无线传感器网络不能正常工作的一些应用场合.

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Spread Spectrum-Based Multi-Sensor Communication Using Stress

Wave for Structural Health Monitoring

HongXiao-binHuangJing-xiaoXuWei-yingLiuGui-xiong

(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

Abstract:In order to meet the requirements of multi-sensor communication for structural health monitoring in special environments, a new communication method using multi-sensing stress wave,which is on the basis of spread spectrum, is proposed. In this method, stress wave is utilized as a message carrier,all sensor data in the same area are grouped into some sets of dual-channel signals according to their importance,m sequence code is used as a spread spectrum code to broaden the baseband spectrum for distinguishing signals between two different groups, and Walsh code is used as an address code to distinguish different sensors in the same group. Moreover, the change of carrier’s relative phase between neighboring symbols is utilized to modulate transporting information, and the received signal is synchronized before the synchronous demodulation of the carrier.Then, the correlation disprea-ding of demodulated signal is executed by the pseudo-noise code of each sensor group. Finally,the original binary signal is recovered after the judgment of each channel to gain the corresponding sensor data. The proposed method is applied to the communication of underwater steel strands. The results show that, when the emission rate changes from 400b/s to 50b/s,the stress wave communication effectiveness(SWCE) increases by 24%,and error-free communication can be realized for 256-bit sensor information; and that, when the PZT transmitter is put in the water instead of in the air, the received signal amplitudes of single and double channels both increase by 20%, while the SWCE keeps almost invariant.

Key words: multi-sensor information;spread spectrum;stress wave communication;structural health monitoring