玻璃钢雷达罩结构健康监测关键技术研究

一、项目背景与需求

雷达罩作为雷达系统的保护结构，需在恶劣环境中长期服役，其损坏可能导致雷达性能下降甚至损毁。然而，雷达罩多分布于野外且无人值守，难以及时发现损伤。现有结构健康监测技术虽成熟，但在雷达罩领域的应用较少。因此，本研究针对玻璃钢雷达罩的结构特点，开发实时健康监测系统，重点解决传感器优化布置与损伤识别两大关键技术，旨在实现结构损伤的及时预警与评估，保障雷达系统的可靠运行。

a) 气象雷达罩 b) 国防雷达罩

二、监测系统设计

（1）可靠性原则：雷达罩在军事中应用广泛，在军事雷达的使用过程中，需要及时精准的实现各种战略目的，雷达罩的损坏威胁到雷达的安全，且会影响雷达的性能，因此要求雷达罩健康监测系统及时、准确的对雷达罩损伤做出预警，误报、漏报都会对军事战略造成很大的影响，且雷达罩服役期很长，系统应能保持长时间的可靠性。

（2）简洁性原则：雷达罩的健康监测系统不能过于复杂。该系统主要关注点在雷达罩的损伤识别与预警，若监测项目过多、监测环节过于繁琐、评价指标过于复杂，那么会弱化及时、精准的损伤识别能力，降低系统的有效性。以加速度监测为核心，减少冗余数据。

（3）整体监测策略：通过动力响应（加速度）反映结构整体状态，避免局部监测的局限性。

基于监测系统设计思路，在实验室条件下为某直径2.8米雷达罩设计了监测系统，进行监测系统有效性进行验证。

图2.1 检测用雷达罩外观图

2.1系统架构

监测系统由传感器、数据采集仪和软件平台组成，其系统架构如下图所示：

图2.2 监测系统架构图

传感器：布置于雷达罩关键位置，采集振动加速度数据。

采集仪：INV3092A网络分布式多功能监测仪，支持多通道数据同步采集。

北京东方所研制的INV3092A 网络分布式多功能监测仪，不但可以采集加速度传感器的数据，还可以同时对多种传感器的数据进行采集。它采用一体化设计方法，因此具有较好的防风、防电磁干扰的能力，在恶劣环境中仍可达到很好的采集效果。内存为16GB，可外接USB增大内存，该采集仪支持以太网口数据传输，可选择内置4G上网模块，支持其在计算机、手机上进行操作。

软件：DASP-V11数据采集与分析软件，实现数据预处理、存储及频率识别。

软件选用北京东方所自主开发的DASPV11软件，该软件在此项目中完成对数据采集仪的控制、参数设置、定时自动采集、数据存储、数据滤波处理、数据格式转换等功能。

2.2 监测实施整体方案

由于本系统振动监测的主要目的是识别结构的关键频率，不需识别振型；因此，并不需要布置过多的传感器。理想情况下，某一个位置的传感器是可以感知拾取到结构的多阶固有频率，但在实际情况下，需注意传感器布置要避开振幅振型节点位置和监测系统的分析带宽影响。

在便于安装的情况下，尽可能将传感器布置在雷达罩振幅较大的位置。结合有限元分析结果，本系统选择4个可覆盖多阶关键频率的位置安装加速度传感器，其布置方式如图2.3所示。

图2.3 传感器布置方式

布置在结构内壁上的IEPE 型压电传感器通过 10米长的传输线与东方所自研的INV3092A 数据采集分析仪连接。并在传输线的采集仪端和传感器端分别标记序号，对应进行连接，现场调试时的采集仪和测试软件分别如图2.4和图2.5所示。

图2.4 采集仪图示 图2.5 示波采样过程

三、频率识别试验与结果验证

3.1 数据采集试验过程

试验采用随机锤击的方式来模拟环境荷载对结构的作用。具体的操作方式为，采用力锤随机方向、随机位置、随机力度的敲击雷达罩，同时控制软件采集结构的振动响应数据。

现场预试验并经过初步的结构模态分析，确定关注200Hz以内的结构频率。因此确定系统采样频率为1000Hz，采集一次的时间长度设为 3 分钟，则一组数据180000个采样点。

测试完成后对数据进行预处理，由于主要关注200Hz以内的频率信息，因此采用低通滤波滤滤除高于200Hz以上频率成分，采用IIR滤波器，类型选定巴特沃斯滤波。对于随机锤击法测定的数据，部分原始数据以及滤波效果如图2.6示

a)传感器1滤波前 b)传感器1滤波后

c)传感器2滤波前 d)传感器2滤波后

e)传感器3滤波前 f)传感器3滤波后

图2.6 实测振动响应与滤波后结果

3.2 频率识别分析与验证

数据预处理完之后，即可对雷达罩进行结构频率识别分析操作。首先用在工程上有着广泛的应用的频域分解法(FDD）进行识别，其原理为利用采集到信号计算功率谱密度函数矩阵，之后进行SVD分解，第一个奇异值有着与功率谱密度矩阵相同的特性。奇异值峰值对应的横坐标即为结构的频率，这个奇异值是多个功率谱密度平均后的提取的结果，这样做起到了降噪的作用。对横纵坐标取对数，即可得到如图2.7的结果。图中红点即为拾取的峰值，横坐标对应的值即为结构的频率，手动拾取峰值。