基于激光干涉测量的冲击损伤程度表征

王光瑞，鲍 峤，胡伟伟，王 强

(南京邮电大学 自动化学院、人工智能学院，江苏 南京 210023)

板结构在航空航天领域得到了快速发展和广泛应用。 然而板结构在使用过程中受到振动冲击作用会产生隐蔽性损伤，隐形的损伤在一定程度上降低了板结构的使用可靠性。 因此，对板结构的冲击损伤程度实时分析评价的研究非常必要。

压电传感器在板结构健康监测中应用广泛，张华等［1］使用压电传感器对复合材料的冲击损伤进行监测并对成像方法进行了优化，使得损伤定位精度达到了82%。 张倩昀等［2］研究了概率损伤成像优化方法，消除了压电传感网络布置对冲击损伤成像效果的影响。 然而传统的压电传感器由于其接触式、窄带宽的工作特性，使用场景受限。 因此，研究有效的激光测量方法对冲击损伤程度的表征具有重要意义。

激光测振技术采用非接触式的探测方式，可以更加直接地探测到物体表面的振动信息，避免了附加传感器对测量结果的影响［3］并且采集的数据的带宽也更高［4－6］，有利于提取到更多的损伤信号的特征，因此被广泛地应用到了板结构健康监测领域。近年来，国内外许多学者利用激光干涉的方法对板结构的冲击损伤进行了监测；Chiariotti 等［7］使用激光测振仪对复合板冲击损伤进行了试验研究，结合能量图法检测板中的损伤程度。 Wang 等［8］提出了一种基于扫描式激光多普勒测振仪（SLDV）的非接触式冲击损伤定位方法，将希尔伯特黄变换应用于信号处理中，极大提高了定位精度。 但是在现实的应用场景当中，因为冲击振动是一个复杂的过程，仅靠冲击损伤响应信号强度来评价损伤说服力不足，还需要从多个参数角度对冲击响应信号分析，从而能够准确地表征冲击损伤程度。

本文利用激光干涉测量系统，在板结构不同位置采集到冲击响应信号，使用快速傅里叶变换和小波分析对响应信号进行特征参数提取，研究不同位置所产生的冲击损伤程度和特征参数之间的关系，实现对板结构表面冲击损伤程度的精确表征，并给出实验验证。

1 板结构冲击监测分析

自然界当中的飞鸟、雷击和冰雹等这些瞬时冲击会出现在板结构的不同位置，且它们的能量不同造成的损伤程度也不同，这极大增加了对损伤程度评价的难度。 针对这一现象，需要在实验过程当中布置激光传感点与冲击损伤不在同一冲击面（钢板的正面或反面）上来模拟不同位置对瞬时冲击损伤响应信号的影响。 通过对瞬时冲击损伤响应信号进行损伤特征提取，分析损伤特征和损伤程度之间的关系，找到合适的特征参数来表征板结构的冲击损伤程度。

然而，传统的压电传感阵列［9］来监测板结构上的冲击损伤时有以下主要的问题：压电传感器采集的信号带宽较窄，不同结构的频率特性差异大，压电传感器谐振频率的选择受制于自身结构尺寸和参数，无法满足宽频带动态响应测量，为结构冲击等测量中多特征参数的分析和提取带来了限制。 外差干涉测振仪在进行结构损伤监测时，需要引入参考光频移系统，其光学系统的构成更加复杂，成本更高；外差干涉法在测量速度上受到频差的限制而降低了测量分辨能力。 而基于零差干涉的激光测振技术拥有非接触、高带宽、结构简单、低成本的特性，越来越广泛地应用在结构健康监测领域。 本文激光测量系统的优势如图1 所示。

图1 激光干涉测量的优势

2 冲击监测原理与方法

2.1 激光干涉测量原理

被测对象相对于激光源运动时，目标回波频率发生多普勒频移［10］，在此基础上由于目标自身的振动，会对信号波光频率附加频率调制，信号光和参考光发生干涉时会解调出目标对象的振动信息。

光电探测器将目标物体的振动信息通过光强信号的变化输出到数据采集卡，最终的干涉光光强可以表示为

式中：Am为测量光振幅，Ar为参考光振幅，ωc为载波圆频率，φ0为本振光与测量光初始相位差，φ（t）为多普勒项，携带了物体的振动信息。

2.2 冲击损伤机理分析

激光测振系统采集到冲击损伤数据，需要进行信号分析，推断产生的机理，然后再提取损伤特征，进行损伤的量化分析。 利用信息处理技术对损伤信号进行分析不依赖于力学模型［11－13］。

在实际的实验过程中，给垂直于板结构的外部冲击时会在应变力的作用下产生声发射信号，声发射信号在传播过程中形成导波信号，导波的传播会引起板结构表面的振动［14］。 结合2.1 节的分析，如果板结构遭受的冲击程度越大损伤信号的峰峰值也越大，那么可以根据损伤信号的峰峰值来作为板结构受到的损伤程度的一个基准特征，记为冲击损伤－i。 但仅以信号强度来评价损伤说服力不足，后文又提取其他特征参数来对损伤程度进行精确的表征。 以钢板为例，首先固定其安装的位置，然后确定激光探照点的位置，使用同一个冲击锤在不同位置用不同的能量冲击钢板表面，钢板在受到外部冲击之后会在其表面激发出冲击损伤信号，激光测量系统采集到数据后上传至上位机，进行下一步的损伤特征提取。 具体的实施方式如图2 所示。

图2 激光传感点布置图

2.3 激光测量的损伤特征提取方法

采用小波分解的方法对冲击损伤信号进行降噪处理，基于其母函数可以对所处理的信号进行时间和尺度上的平移，能自动适应各频率成分。 小波就是小区域的、有限长的、均值为0 的波，不仅能够获取频率，还可以定位到时间。 小波定义如下，设ψ（t）为一平方可积函数，即ψ（t）∈L2（R），若ψ（w）满足条件：

式中：v（t）为传感信号；ψ∗（t）为母小波函数的复共轭形式；a为尺度因子；b为时间因子。 通过调整伸缩因子a和平移因子b，可得到具有不同时频宽度的小波以匹配原始信号的任意位置，达到对信号局部化分析的目的［15］。 尺度a对应于频率，成反比关系，平移量b对应于时间。

板结构在受到振动冲击之后，造成的冲击响应信号频率成分复杂，因此需要找出信号的特征频率，基于此分析其他的特征参数来表征冲击损伤。 小波分解方法具有不同尺度的小波母函数，能根据信号特征频率选择相应的频带以提高时频分辨率，文中采用db5 母小波函数。

对滤波后的信号进行傅里叶变换，可以描述损伤振动波在频域和时域上的关系为

采用时域信号分析法和频域信号分析法对需要的损伤特征进行提取，根据式（1）取得时域上的损伤信号的峰峰值Vpp，根据式（6），（7）取得频域上的中心频率fc、中心频率对应的相位αp。

2.4 基于激光测量的损伤程度表征

首先，在距离激光探照点的水平直线方向L上布置n（正反两面相同位置）个模拟冲击损伤点，在保证L不变的情况下，分别在钢板正反两面用不同的能量冲击其表面，采集到n／2 组损伤信号。 记冲击损伤程度为Ed。 确定峰峰值Vpp较大，那么对应的损伤程度Ed也较大。

下一步分析在不同区域位置采集到的损伤程度不同的信号对应的中心频率fc，如果fc与峰峰值Vpp呈正相关关系，接下来就去分析损伤信号中心频率fc对应的相位αp，如果相位α和峰峰值Vpp呈正相关关系，那么将其和中心频率fc纳入相关损伤特征，记作Ed∝｛Vpp，fc，αp｝。

如果fc保持不变，接下来去分析损伤信号中心频率fc对应的相位αp与峰峰值Vpp的关系，如果相位αp和峰峰值Vpp呈正相关关系，这进一步说明了中心频率fc对应的相位αp与峰峰值Vpp能较强地表征损伤程度Ed，将其纳入相关损伤特征，记作Ed∝｛Vpp，αp｝。 具体的流程如图3 所示。

图3 损伤特征分析方法流程图

3 激光干涉测量系统

根据零差干涉光路［16］设计了零差激光干涉光学测量系统，设计的原理图如图4 所示。

图4 激光测振系统原理图

光源使用波长532 nm 、功率80 mW 的单纵模连续固体激光器。 单频固体激光器发出的激光频率为f0，透过半波片被偏振分光棱镜（PBS）分为两束光，它们的偏振态互相垂直，一路为信号光另一路为参考光。 PBS 前面的半波片能够旋转出激光的偏振态，与PBS 结合在一起可以改变信号光和参考光的光强比。 信号光先经过一个四分之一波片，被凸透镜聚焦到被测物体表面形成一个很小的光斑并发生反射，其相位和频率被振动目标调制后包含振动目标的被测相位信息。 信号光再次通过四分之一波片后照射到分光棱镜上。 由于来回两次经过四分之一波片，可使信号光偏振态发生改变。 旋转四分之一波片使偏振态恰好偏转90°，这时信号光和参考光的偏振态一致可以发生干涉。 而参考光经反射镜后在分光棱镜与信号光汇合，并最终在探测器上充分干涉。 被测物体的表面并不是绝对的镜面，因此反射回来的信号光还包含了其他的杂散光，这时在凸透镜前加装一块针孔光阑，会极大减少杂散光的干扰。 干涉信号再经过数据采集与处理，最终提取出振动目标的实时位移、速度、加速度以及振动频率等信息。

该装置利用了激光的线偏振光，能有效地防止回射光对光源的干扰；波片、偏振分光镜的引入，能更好地滤除杂散光对信号光的影响，且收集光强的能力也更高，极大提高了系统的灵敏度。

4 实验验证

先检测激光测量系统运行的准确性，再分析用其采集的损伤信号。 实验的被测对象使用一块尺寸为20 mm×10 mm×2 mm 的钢板，使用自研的激光测量系统对损伤信号进行数据采集，并实时将信号交由上位机进行数据处理。

激光源、半波片处于同一水平线上，在它们的垂直方向上为信号光光路，依次为凸透镜、四分之一波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、凸透镜，可变光阑、光电探测器，它们处于同一水平线上；在平行于信号光光路上的为参考光光路，依次放置了两块反光平面镜。 需要注意的是，要调整所有的光学器件保持同心，确保参考光和信号光在透射过分光棱镜时保持严格的平行。 激光测量系统实物如图5 所示。

图5 激光干涉测量系统实物图

4.1 系统精度分析

在离激光传感点最近的一处位置布置一块压电传感器，用冲击锤冲击钢板，分别采集到压电片和激光测量系统采集到的冲击损伤信号。 从图6 可以清晰地看出激光测振仪和压电片采集到的冲击损伤信号波形走势和形状基本一致，这也验证了本测量系统对冲击信号采集的准确性。

图6 激光测量系统和压电片采集到的时域信号对比

在压电片和激光干涉测量系统接收冲击损伤而形成的损伤响应信号对比中，可以发现：在图7 的频域对比中，在同一频段，激光干涉测量系统接收到的响应信号的幅值要明显高于压电片，且幅值变化也更明显。 也就是说，当横坐标表示的参数越小时，压电片的响应越不能明显地观察到，而激光干涉测量系统的响应相对明显。 但是，两者采集到的响应信号的频率完全一致。 因此，激光干涉测量系统不仅能进行非接触式测量并且有更宽的频率响应范围。

图7 激光测量系统和压电片采集到的频域信号对比

4.2 损伤监测方案

布置好传感点之后将光电信号接入数据采集卡PicoScope⁃4824，只保留B 通道的数据采集功能，在距离激光探照点的水平直线方向L为7、8、9、10 cm处布置8（正反两面相同位置）个模拟冲击损伤点，每一组冲击实验的冲击状况描述如表1 所示，再整理8 处位置所遭受的冲击能量不同所形成的冲击损伤，根据3.1 节的分析，按照损伤程度由小到大依次排列，记为冲击损伤－1～－8。 在保证距离不变的情况下，分别在钢板正反两面用不同的能量冲击其表面，采集到4 组损伤信号；更换一块粘贴压电片的钢板重复上述的步骤，分别采集4 组数据。 其模拟损伤位置如图8 所示。

表1 冲击状况描述

图8 实验用钢板及模拟损伤位置

4.3 小波分解信号滤波

对激光干涉测量系统采集的信号进行小波分解处理［17－18］，对降噪处理后的损伤信号数据进行时域和频域上的分析，分别提取峰峰值Vpp、中心频率fc和中心频率fc对应的相位αp三个损伤特征，其数据结果如图9 所示。 从小波分解信号频谱图可以看出，冲击损伤信号的中心频率为112 Hz，与原始信号分析所得结果保持一致，可以基于中心频率对其对应的相位进行进一步分析。

图9 不同位置提取的损伤信号特征

4.4 结果分析

钢板在受到外部冲击时，由图9 提取的损伤信号特征参数可知，其信号中心频率fc保持不变，不需要将其纳入相关损伤特征。 随后，分别分析了激光测量系统和压电传感器采集的损伤信号从中提取的损伤特征参数，峰峰值Vpp和相位αp，两者之间的关系如图10 所示。

图10 损伤特征关系比较

通过图10 对峰峰值Vpp和相位αp两个损伤特征参数分析，当传感点与冲击损伤不在同一冲击面时，相位αp和峰峰值Vpp呈正相关关系，当峰峰值较大时对应的相位数值也越大，将两者一起纳入相关损伤特征。

在消除了位置因素对损伤信号的影响之后，进一步研究了损伤程度和损伤特征参数之间的关系如表2 所示。 根据4.2 节的描述，冲击损伤－1～－8 的损伤程度依次增加，其中：随着钢板受到外部冲击能量的增加，峰峰值Vpp和中心频率对应的相位αp也在相应地增加，而其损伤信号的中心频率保持不变。

表2 损伤程度和损伤特征的关系

在激光干涉测量系统与压电传感器的对比实验中可以得出：两者监测效果一致，但是由于压电片带宽较窄，其峰峰值变化要明显小于激光测量系统，更加突出了激光测量系统替代压电传感器进行板结构健康监测的优势。 实验结果表明，冲击损伤程度与其损伤信号的损伤特征存在一定的对应关系。 峰峰值Vpp、中心频率fc、中心频率对应的相位αp能从不同的角度反映冲击损伤的程度，消除了仅靠信号强度来单一判定损伤的局限性，可为后期损伤的分析提供评价参数，其中峰峰值Vpp、中心频率对应的相位αp能明显表征冲击损伤程度。

5 结束语

分析了激光零差干涉测振方法原理，研究了冲击损伤机理和损伤程度表征方法，在板结构上进行了实验验证。 通过激光测量系统和压电传感器接收响应信号的直观对比和结果分析，证明了激光测量系统更宽的频响范围的优势和对损伤响应信号采集的准确性。 实验结果表明，该监测方法提取的损伤特征参数能从不同的角度表征冲击损伤程度，消除了仅靠信号强度单一判断损伤的局限性。