基于小波分析的直升機飛行載荷監控技術

摘要：飛行載荷實時監控是直升機新機研制試飛中飛行安全保障的必要手段。利用小波分析在時頻兩域都具有表征信號局部特征的特點，提取載荷數據中的特征信息，通過相關性分析可以實時檢判試飛中關鍵部件載荷數據的異常現象，排除外界干擾影響，提高安全監控的準確性。

關鍵詞：飛行載荷；實時監控；小波分析；實時檢判；直升機 文獻標識碼：A

中圖分類號：V212 文章編號：1009-2374（2017）11-0023-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.012

1 概述

新研制的直升機在原型機階段都要開展性能、載荷等相關的飛行試驗，以驗證直升機是否滿足研制要求規定的各項技術指標。新機在拓展性能包線及載荷測量的試飛過程中，存在著諸多不確定的風險因素，而與這些風險因素相關聯的直升機配置、飛行狀態、試飛環境、試飛員操縱等都會直接反映在直升機結構載荷水平的變化上。直升機部件的載荷大小直接影響到結構壽命的長短，對這些部件未知的載荷水平進行實時監控是保障新機飛行安全的重要手段之一。

實時監控的效果直接影響到對飛行安全的評判。現階段常用的飛行載荷監控多采用監控載荷時域的方式，即在坐標系上預先設置1小時、5小時壽命等限制線，將飛行載荷中的靜態量剔除后，以曲線的形式顯示在坐標系內，這種以載荷波動是否超出預設限制值的監控方式，當信號存在突然而急劇的變化時，監控人員很難識別出信號異常的真實原因，這種信號突變的情況在試飛中一旦頻繁發生，將大幅降低載荷監控的實時性和準確性。

將小波分析引入飛行載荷監控，結合直升機載荷的特性，從多方面解析飛行載荷時頻特性，可以提高載荷實時監控的效果。

2 小波分析在載荷監控中的優勢

直升機飛行時，旋翼系統槳葉在每轉變化一次的氣動環境中工作，由于旋翼工作轉速Ω基本恒定，因而在槳葉上產生的持續啟動激振力頻率1Ω、2Ω、3Ω……（為旋翼轉速的整數倍）基本恒定。正常情況下，槳葉上的響應載荷頻率一般以前幾階為主，其他各階諧波分量較小。如某型機旋翼的轉速為A轉/分，尾槳的轉速為B轉/分，其主槳葉對應的載荷頻率一般以n*A/60Hz為主，尾槳葉的則以n*B/60Hz為主。

根據此類特征，載荷監控并不關注靜載荷力，基于此目前監控方法多采用拓撲運算將靜態量統一濾除，再進行載荷時域監控。但從實際應用情況看，載荷監控信號中經常存在各種未知因素導致的時域信號異常情況，如大機動、大過載飛行引起載和平水平的提高或者測試設備的突然損毀、遙測鏈路的噪聲干擾正常信號等，這種異常經常使信號超過限制值，由于時域監控的方法并不能直觀地展示此類信號異常的特點，評判異常信號是否為結構真實工作狀態還是干擾，往往需要監控人員具有豐富的工程經驗和一定的判斷時間，一旦誤判可能導致試飛錯誤終止，或是錯失最佳處置時間導致危險。

小波分析作為一種時間—頻率分析方法，它多分辨率分析的特點使其具備時、頻兩域表征信號局部特征的能力，其窗口大小固定不變，但形狀可變，時間窗和頻率窗都可以根據信號的具體形態動態調整，其在信號的低頻部分頻率分辨率高和時間分辨率低，在高頻部分正好相反，可準確探測正常信號中夾帶的瞬態干擾等反常現象并展示其成分，因此小波分析用于飛行載荷實時監控十分適合。

3 飛行載荷的小波分析

第一部分是x（t）在尺度空間的投影，它是x（t）的平滑逼近，分解系數稱為離散平滑逼近；第二部分是x（t）在小波空間的投影，它反映了鄰近尺度2個平滑逼近的細節差異，也就是對x（t）所做的細節補充，分解系數稱為離散細節信號，也就是小波變換系數。在實際信號分析中，J以下各尺度為高頻細節的提取，J以上各尺度用于低頻信號的近似。

小波分析時，可把信號根據采樣率以及所需頻率進行分層，把層級頻率范圍盡可能調整至不同激振力頻率，以便觀察。小波分析中，尺度與頻率是反比的關系，確定尺度需要考慮采樣頻率的大小，采樣頻率的大小決定了其分析的頻率，再確定分析的層級，即：

實際頻率=小波中心頻率*采樣頻率/尺度

在小波分解中，將信號中的最高頻率成分看作是1，各層所占的具體頻帶為（三層分解）：

a1：0～0.5； d1：0.5～1

a2：0～0.25； d2：0.25～0.5

a3：0～0.125；d3：0.125～0.25

利用小波變換方法，從1到6級用db4小波低頻逐級細分，可以將整個1024采樣頻帶分成128～256Hz、64～128Hz、32～64Hz、16～32Hz、8～16Hz、4～8Hz、0～4Hz共7個子頻帶，用7個子帶濾波器對載荷信號進行分解與濾波后，得到子帶濾波通道輸出的信號序列（即小波分解系數）。

其中a6為包含的0～4Hz（即1Ω）頻率分量系數，其也可以看成原始信號經過高頻濾波后的信號，由于小波變換的特性，此種濾波時效性極好，由于該分量為此剖面的主要激振力頻率分量，可以作為監控飛行載荷的主要特征系數。

載荷監控時通過小波多分辨率分析把數據信號分解到不同尺度上對信號進行時頻分析，從不同尺度分解信號的分析中得到在原始信號中無法表達出的結構系統參數變化信息，從而在測試信號有異常時及時發出預警。

4 載荷監控應用實例

載荷實時監控的任務是判斷飛行過程中，監控通道數據發生異變后，及時定位原因，采取相應的處置措施，載荷監控中經常出現的情況主要有三種：

4.1 飛行狀態改變引起的載荷急劇變化

飛行員在飛行中快速提升總距后，阻尼器載荷成倍增大，觀察小波分析分離的主要激振力頻率分量，可以看出其隨著原始信號同步增大，因此確認測量載荷反映的是正常的飛行操縱響應，此時僅需繼續關注載荷時域信號是否超限，并監控載荷與飛行員操縱間的關聯關系。

4.2 結構固有頻率改變導致的載荷異常

某尾槳驗證飛行正常階段，尾槳葉扭矩的工作頻率一直以4Ω為主，揮舞和擺振彎矩的頻率以1Ω為主；而在試驗的第三階段，通過小波分析后發現揮舞彎矩和扭矩的工作頻率出現了變化，其中揮舞彎矩中的3Ω分量明顯增大，扭矩頻率由以4Ω為主轉為以3Ω為主。不同飛行階段揮舞彎矩的6階諧波分量的變化情況。

核查該尾槳結構共振圖，判斷結構2階揮舞固有頻率和1階扭轉固有頻率存在下降的可能，導致與3Ω激振力產生共振，后對結構進行檢查后，發現尾槳葉根部連接區因磨損導致夾板和柔性梁出現連接異常情況，為此中止試飛，查找起因。

4.3 測試鏈路異常產生的干擾

可以看出時頻信號變大的能量來自于d1高頻系數中，a6相似系數并無變化，因此判斷載荷變大為測試鏈路異常，監控時可根據飛行測試需求和安全監控要求決定是否繼續飛行，避免數據無效或無法繼續保障試飛的安全。

5 結語

利用小波分析對載荷信號特征提取，方便監控人員實時對信號不同頻域的能量進行直觀監控，判斷飛行狀態，進行飛行特征分析。

排除測試系統對載荷信號的干擾，優化數據特征，同時這也是對飛行數據的保護，實時掌控測試設備損毀情況，有效把握試飛進度，從根源上預防試飛后無數據可用的情況。

參考文獻

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作者簡介：羅毅（1984-），男，四川射洪人，中國直升機設計研究所工程師，研究方向：信號處理。

（責任編輯：黃銀芳）