飛行器結構健康監測中壓電-導波成像技術的發展與挑戰

鮑嶠，邱雷＊，袁慎芳

1.南京郵電大學，江蘇 南京 210046

2.南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016

結構健康監測（Structural Health Monitoring,SHM）技術采用智能材料結構的概念，按照一定的網絡將驅動元件和傳感元件集成在結構中，實時在線地采集傳感器信號，結合先進的信號處理算法，提取相應的信號特征參數，對結構狀態進行評估甚至對結構損傷的位置和尺寸進行評估，監測結構損傷的擴展趨勢并預測損傷結構的使用壽命[1-4]。該技術正在成為飛行器及時準確獲取結構損傷狀態及其演變規律的關鍵技術，其發展將對飛行器的設計制造、維護管理及壽命挖掘等發揮重要影響。

結構健康監測技術對現代飛機結構設計思想能夠產生重要影響[5,6]。傳統安全壽命設計為了保證安全，選擇的安全系數保守，這意味著高可靠性的選材、大的疲勞裕度、精密的制造工藝及光潔的表面處理等要求，而且無論結構是否產生損傷，只要達到預計壽命都會退役，帶來很高的制造和使用成本。結構健康監測技術有潛力預計損傷可能出現的位置，實時監測和進行風險評估，并及時采取措施緩解損傷的擴展。因此，飛行器設計時可以適當降低安全壽命結構的安全因數、合理地減輕結構材料重量裕度、保障復合材料的應用，而不會危及結構的完整性并降低制造和使用成本。

結構健康監測技術使得飛行器實施“視情維修”策略成為可能[7,8]。傳統的飛機維護通常采用無損檢測技術定時地對飛行器結構狀態進行檢測，并根據檢測結果實施維修。這種檢測是非連續的，現場檢測局限性較大，無法檢測隱藏部位的損傷，費時且成本高。結構健康監測技術獲取的結構狀態、操作，以及服役環境等信息，可用于結構健康狀況預判及輔助維修與維護決策。建立在結構實際健康狀況與性能基礎上的維護管理可大幅降低飛行器結構的維護成本、減少了結構無效拆裝、避免了二次維護損傷、提高了飛行安全性。

結構健康監測技術有潛力發揮飛機延壽的重要作用，推動群機粗放式管理向單機壽命監控實施精細化管理的發展[9-13]。在群機粗放式管理方法下，同一批飛機在達到預計壽命時無論其是否存在損傷都將退役。結構健康監測技術能夠獲取每架飛機的健康狀態，預估其剩余壽命，從而可以充分挖掘單機的服役壽命。該技術的應用能夠避免裝備極大浪費，提高飛行器使用壽命。

飛行器結構健康監測系統一般由三部分組成，包括集成在結構上的傳感器網絡、信號調理采集系統以及信號處理算法[14,15]。一般常見的傳感器包括壓電片、光纖傳感器、應變片等[16-22]，如圖1所示。這些集成在飛行器結構上的傳感器網絡可對飛行器結構的損傷（包括分層與脫層、疲勞裂紋及腐蝕等）進行主動監測，也可同時對結構應變、氣動壓力以及外部沖擊等進行被動監測。

圖1 結構健康監測系統的組成Fig.1 Components of the structural health monitoring system

按照監測原理，結構健康監測技術主要分為被動監測及主動監測兩大類，其中被動監測方法是基于結構應力應變分布變化、聲發射現象等來進行的。這一類方法由傳感器陣列進行監測，不需要額外增加驅動器。主動監測方法則需要在結構監測過程中依靠驅動器首先對結構施加特定激勵，這類方法中包括基于主動導波激勵的監測方法和基于結構機械阻抗變化的監測方法。基于結構振動的健康監測方法中，如振動是結構原有的狀態，不需要外界激勵，則此時屬于被動監測方法，如有驅動器激勵結構產生振動，則就屬于主動監測。

上述方法中，基于導波的結構健康監測方法具有對小損傷敏感、可實現大面積區域監測、不依賴結構載荷、適用于金屬和復合材料結構，以及既可主動損傷監測也可被動沖擊監測等特點，因此被公認為最有工程應用前景的方法之一[23-25]。導波是應力波的一種，是擾動或外力作用引起的應力和應變在彈性介質中傳遞的形式。基于導波的被動沖擊監測原理如圖2（a）所示，當結構受到沖擊事件，引起結構中的導波的傳播，通過傳感器接受結構中傳播的導波，再通過信號處理實現沖擊位置及能量的評估。基于導波的主動損傷監測方法的基本原理為：采用驅動器件向結構中激發出導波，結構中的損傷會造成導波傳播特性發生變化，再通過信號處理方法可以獲得與結構損傷相關的參數和圖像，如圖2（b）所示。

早期的彈性波SHM技術的原理性研究主要是通過分析彈性波受損傷作用后的信號時域、頻域、時-頻域特征或模式變換特征加以辨識，如信號飛行時間、幅值、能量、主要頻率成分及其幅值、時-頻幅值、能量、奇異性特征等[26-30]。這些研究大多將壓電傳感器網絡中單個彈性波激勵-傳感通道獨立處理或者僅考慮傳感器布置的幾何關系進行損傷定位，很少考慮整個網絡多個彈性波激勵-傳感通道的綜合信息，因此這些方法大多僅在簡單平板結構上開展了研究和驗證。近年來，在面向真實復雜航空結構的研究中，基于壓電傳感器陣列和彈性波的結構損傷波動成像方法逐步成為研究熱點。該方法是利用壓電傳感器陣列中多個彈性波激勵-傳感通道的監測信息，通過控制陣列合成機制增強損傷影響。根據各成像方法采用的傳感器布置方式，可將導波損傷成像方法分為兩類：基于稀疏陣的導波損傷成像方法和基于密集陣的導波損傷成像方法。同時，時變環境下的損傷成像方法研究也得到了關注，以提高導波成像方法應用于服役條件下復雜結構時的診斷可靠性和準確性[31,32]。

本文將圍繞基于稀疏壓電傳感器陣列的導波損傷成像方法、基于密集壓電傳感器陣列的導波損傷成像方法以及時變環境下的導波損傷成像方法開展綜述，分析、總結導波損傷成像方法的研究現狀和發展趨勢。

1 基于稀疏陣的導波成像方法

基于稀疏陣的導波成像方法主要有延時累加成像方法、路徑成像方法、時間反轉成像方法以及層析成像方法等。本節將分別介紹稀疏陣列成像方法的基本原理及其研究現狀。

圖2 基于導波方法的結構健康監測原理Fig.2 Principle of the guided wave based structural health monitoring method

1.1 延時累加成像方法

延時累加成像方法是一種簡單有效的損傷成像方法。在該方法中假設每一點均為潛在的損傷點，可以計算出陣列中每條壓電片對相對于該點的損傷散射路徑傳播時間。把所有損傷散射信號在相應傳播時間上的幅值進行相加得到該點的能量值。求出所有點的能量值并進行歸一化可得到相應的成像結果，結果中能量較大的亮點對應為損傷散射點。該成像方法與橢圓定位法有些類似，但是在成像中無須提取損傷散射信號的飛行時間，而且適用于多損傷成像。

圖3 延時累加成像方法在飛行器結構上的應用Fig.3 Applications of the delay and sum imaging method on aircraft structures

J.E.Michaels[33]，F.K.Chang[34]以及 Qing Xinlin[35]等首先研究了該方法在導波結構健康監測中的應用以及實現的基本原理，其中Qing Xinlin等將方法應用至火箭復合材料燃料儲箱的損傷成像中，如圖3（a）所示。Shan Shengbo[36]、Cai Jian[37,38]、J.S.Hall[39]等分別提出了有效散射信號提取、線性頻散信號構建和最小方差無失真響應算法，抑制了導波多模和頻散效應對延時累加成像的影響，提高了延時累加成像方法的精度。其中，Shan Shengbo等應用延時累加成像方法實現了碳纖維航空加筋壁板上的多損傷成像定位，如圖3（b）所示。劉夢龍[40]、王莉[41]等分別通過損傷數目判定和基于概率模型的損傷尺寸分類、波速自適應選取等方法對延時累加成像方法進行了改進，實現了復合材料結構上的多損傷成像定位及損傷尺寸估計。M.Franklin[42]、Wu Jianjun[43]等采用非頻散、不受流體載荷影響且可用于復合材料監測的SH0模式激勵方法和三傳感器稀疏陣列，結合延時累加成像方法在薄鋁板上實現了多損傷成像，定位精度在5%之內。

1.2 路徑成像方法

無須傳播速度參數的路徑成像方法也是一種常見的導波損傷成像方法。在路徑成像方法中，計算每一條激勵傳感路徑橢圓模式上的損傷特征因子，綜合疊加所有路徑上的損傷特征因子得到一個直觀的定量圖，反映了被監測結構中存在損傷的概率分布。

Yuan Fuguo[44]，P.D.Wilcox[45]，Wu Zhanjun[46]和 F.Yan[47]等將路徑成像方法引入基于導波的損傷監測中，并研究了多種損傷因子。C.Yunshil[48]，Zhao Xiaoliang[49]，Wang Dong[50]和A.De Fenza[51]等采用基于互相關損傷因子的路徑成像方法，并分別結合虛擬傳感路徑概念和人工神經網絡方法來提高路徑成像的定位精度。其中C.Yunshil等將該方法應用至某無人機機翼結構的損傷成像定位，如圖4（a）所示；Zhao Xiaoliang等采用該方法在真實機翼壁板結構上進行了螺釘脫落監測的試驗驗證，如圖4（b）所示。Wu Zhanjun[52‐54]和劉國強[55]等通過單位權重分布函數優化了傳感網絡和控制影響區域的尺度參數。Yuan Fuguo[56]，M.Samir[57]和A.Muc[58]等分別采用匹配追蹤以及時間反轉方法對每個波包進行分離并增強損傷散射信號，提高了路徑成像方法的圖像質量。

1.3 時間反轉成像方法

時間反轉方法可以抑制導波的頻散效應，因而得到了許多研究者的關注。根據聲波互易性原理，傳感器和激勵器位置可以互易，且此時傳遞函數相同。因此將時間反轉后的信號在對應的傳感器上加載，激勵源處的接收信號的幅值會增強且與激勵信號波形一致，同時有效抑制了導波頻散效應對損傷監測的影響。將損傷散射信號時間反轉并在各自對應的傳感器上加載，則各信號將在損傷處發生聚焦，損傷處的信號能量為最大。以信號能量為參數將結構各點信號幅值映射為圖像矩陣中各像素點的像素值，則信號傳播的波動圖可以用圖像的方法顯示出來，且圖像最亮處顯示的是信號聚焦處，即損傷位置。

F.K.Chang[59]、H.W.Park[60]和袁慎芳[61]等研究了該方法在結構健康監測中的應用以及實現的基本原理。N.Mori[62]和D.K.Kim[63]等采用雙面傳感器激勵單模式方法、全向SH波磁致伸縮貼片換能器等方法對導波信號的模式進行了優化選取，抑制了導波信號的混疊，并應用時間反轉成像方法實現了損傷定位，提高了導波成像精度。A.Migot[64]和Wang Qiang[65]等研究了不同方向裂紋作用下的導波散射波信號以及時間反轉成像譜峰與驅動器的方位角之間的規律，采用時間反轉成像方法實現了金屬結構上裂紋方向和尺寸的估計，如圖5（a）所示。Ⅴ.Giurgiutiu[66]、Yuan Fuguo[67]、邱雷[68]和石立華[69]等就將時間反轉成像方法應用于復合材料的損傷監測中，并進一步驗證了時間反轉成像方法監測多損傷的有效性。邱雷[70]和F.Ciampa[71]等還對沖擊引起的導波信號進行處理并提取頻譜和窄帶信號，采用時間反轉成像方法實現了復合材料結構上的沖擊成像定位，如圖5（b）所示。

1.4 層析成像方法

導波層析成像方法從醫學X射線成像中的計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）技術發展而來。該方法中，傳感器布置于被測區域周圍并工作于pitch‐catch模式，利用與損傷相關的波速、能量衰減和模式變換等特征參數進行圖像構建。導波層析成像可采用標準平行投影、扇形波束投影或十字交叉投影方式。

L.J.Breon[72]，K.R.Leonard[73]和 S.M.Prasad[74]等將層析成像技術從醫學領域引入至結構健康監測中，并實現了損傷成像。M.K.Hinders[75]和K.Balasubramaniam[76]等應用十字交叉投影方式和迭代重構算法，分別采用A0、S0和A1這三個模式信號的波達時間進行層析成像以識別鋁板中的不同損傷。Zhang Weifang[77,78]等采用導波層析成像方法對腐蝕損傷進行成像定位并對腐蝕程度進行了定量化估計。

圖5 基于時間反轉成像的損傷和沖擊成像驗證Fig.5 Experimental verification of time reversal based imaging method

T.R.Hay[79]，J.Lee[80]，E.Monaco[81]和 Zhao Xiang[82]等采用基于蓋然損傷分布（RAPⅠD）的構建算法，以損傷前后導波傳感信號的相關性作為特征量作為圖像重建的輸入，計算激勵-傳感路徑橢圓分布上的損傷概率。其中，E.Monaco等采用矩形陣列實現了全尺寸復合材料機翼壁板的損傷成像，如圖6（a）所示。Zhao Xiang等在結構上布置環形陣列，采用該方法實現了飛機機翼上的冰塊定位，如圖 6（b）所示。Liu Menglong[83]和 H.Sohn[84]等通過提取非線性損傷特征參數，采用RAPⅠD成像方法實現了鋁板上微缺陷的監測以及復合材料結構沖擊損傷的監測。

綜上所述，稀疏陣方法相對簡單易行，能夠監測多損傷，且適合大面積區域監測，在飛行器結構健康監測領域中得到了大量的研究。延時累加成像方法和路徑成像方法在真實航空結構上進行了初步應用，可消除頻散效應的時間反轉方法不僅應用于損傷監測，還被用于被動沖擊監測，以及層析成像方法被用于損傷位置、程度乃至形狀的估計。在工程應用中，許多學者圍繞這些成像方法也進行了改進研究。例如，一些學者分別提出頻散補償、單模式激勵和損傷散射波包提取方法來抑制工程應用中導波傳播的波包混疊，以提高成像方法的精度[37,62]。也有一些學者通過事先測量復合材料結構各方向上的導波速度，并在成像過程中自適應選取相應方向上的速度來抑制各向異性對成像精度的影響[41]。總體來說，圍繞稀疏陣導波成像方法的主要問題，大量學者進行了深入的研究和改進，并且一些研究已在真實航空結構上進行了初步應用。

2 基于密集陣的導波成像方法

相比于稀疏陣方法，密集陣列成像方法主要具有以下優勢：（1）密集陣更容易布置在結構緊湊、空間狹小的航空結構上，且導線可集中引出；（2）密集陣方法可以聚焦增強損傷散射信號而抑制其他干擾信號，可實現定向掃描且定位精度高。近年來，基于密集陣的導波成像方法逐漸被引入結構健康監測領域，主要包括相控陣方法、空間濾波器和多重信號分類。本節將分別介紹密集陣列導波成像方法的基本原理和研究現狀。

圖6 層析成像方法在飛行器結構上的應用Fig.6 Applications of the tomography methods on aircraft structures

2.1 相控陣方法

基于相控陣的導波成像方法中一般選用壓電元件組成密集陣，輪流驅動陣列中的每個壓電元件向結構中激發導波，陣列中其余所有壓電元件作為傳感器接受響應信號。對于某掃描的角度，按照該掃描角度計算陣列各陣元相對于參考陣元的延時，根據此延時對每組傳感信號前移或后移并疊加為一個波束合成信號。對監測區域的所有方向進行掃描，把每個角度的聚焦信號的能量作為像素值對監測區域繪成圖像。相控陣方法的原理如圖7所示，由于相控陣方法涉及激勵、傳感兩個聚焦過程，因此相控陣方法只能實現損傷成像，而不能用于瞬時的沖擊成像。

Ⅴ.Giurgiutiu[85,86]，P.Malinowski[87]，T.Stepinski[88]和Wang Zhiling[89]等通過對傳感器陣列進行優化，提出了二維陣列的相控陣方法，抑制了相控陣方法的角度盲區和近場盲區問題。例如，Wang Zhiling應用基于十字陣的相控陣方法實現了航空復合材料油箱結構上的損傷定位，如圖8（a）所示。Tian Zhenhua[90,91]，Wang Zhiling等分別采用波數域補償與線性映射方法對導波信號進行了頻散補償，Huan Qiang[92]則采用全向SH波壓電換能器激發非頻散的SH波，他們將消除頻散效應的導波信號應用至相控陣方法中，提高了成像精度且實現了多損傷定位，如圖8（b）所示。Ⅴ.Y.Senyurek[93]，Su Yajie[94]等通過緊湊型傳感器陣列與壓縮感知方法，減少了相控陣傳感器數量和計算量，提高了成像效率。Yu Lingyu[95]等在波束形成公式上考慮了方向相關的導波特性和能量偏移效應，減少了各向異性對相控陣方法波束形成的影響。

圖7 相控陣方法的基本原理Fig.7 Principle of phased array based imaging method

圖8 相控陣損傷成像方法的試驗驗證Fig.8 Experimental verification of phased array based damage imaging method

2.2 空間濾波器方法

空間濾波器方法同樣采用密集陣傳感器布置，作用于信號的波數這一表征信號頻率、傳播速度以及傳播方向三者之間關系的周期性空間物理量。該方法通過設置濾波權值，形成特定波數帶寬的空間濾波器，對結構進行全方位掃描。當掃描到與聲源相對于傳感器陣列的角度相同且響應信號的波數屬于濾波器帶寬范圍時，信號可以通過該濾波器，合成響應的幅度較大；在掃描其他角度時，由于聲源不在該方位上，所以信號無法通過濾波器而合成響應幅度較弱。最后，基于空間濾波器的監測方法將各個方位濾波后得到的響應信號強度進行圖像表征后實現對損傷的成像和定位。

P.F.Pai[96]，Tian Zhenhua[97]和 O.Mesnil[98]等采用掃描激光測振儀（Scanning Laser DopplerⅤibrometer,SLDⅤ）作為空間采樣設備，結合信號的空間-波數分析以及時-頻域分析，對復合材料結構中沖擊損傷的位置和損傷進行了評估研究。但這些研究均通過采用SLDⅤ測量結構的波場從而獲得波數分布并在此基礎上進一步評估損傷位置，耗時較長，并不適用于結構的在線健康監測。A.S.Purekar[99]、王瑜[100]等采用線型壓電傳感器陣列代替SLDⅤ作為空間采樣設備，并在此基礎上分別開展了單個損傷的在線成像方法研究，但均需要提前獲得準確的波數曲線以實施空間-波數濾波。Liu Bin[101]，Qiu Lei[102,103]等提出了基于二維傳感器陣列的空間濾波器方法，開展了不依賴波速的沖擊成像定位方法研究，實現了遠場情況下單源沖擊的無角度盲區定位。Ren Yuanqiang[104,105]等采用十字陣的空間濾波器方法，實現了碳纖維復合材料平板結構上的多沖擊和多損傷成像定位，如圖9所示。

圖9 空間濾波器成像的試驗驗證Fig.9 Experimental verification of spatial filter based imaging method

2.3 多重信號分類方法

多重信號分類（MUSⅠC）方法是近年來新引入導波結構健康監測的一種陣列信號處理方法。MUSⅠC方法通過將任意陣列輸出數據的協方差矩陣進行特征值分解，從而得到與信號分量相對應的信號子空間和與信號分量相正交的噪聲子空間，然后利用這兩個子空間的正交性來估計信號源的方向。正是由于MUSⅠC方法在特定條件下具有很高的分辨力、估計精度及穩定性，從而吸引了大量的學者對其進行深入的研究和分析。

M.Engholm[106]，H.J.Yang[107]，He Jiaze[108]采用均勻圓陣和線型陣等一維陣列，應用基于遠場信號模型的MUSⅠC方法，實現了金屬結構上的損傷定位。但遠場MUSⅠC方法只能估計損傷角度，欲實現損傷距離估計還需要結合幾何方法。Yuan Shenfang[109,110]，Zuo Hao[111]等提出了一種近場2D‐MUSⅠC方法，該方法通過建立近場信號模型，解決了一維線陣的近場盲區問題，實現了損傷角度和距離的同時定位，并在復合材料結構中進行了試驗驗證。其中Yuan Shenfang還將空間平滑與近場MUSⅠC方法相結合，實現了多損傷成像定位。Bao Qiao[112,113]等采用雙傳感器陣列布置，提出了激勵波束成形和全方位誤差校正方法，增強復合材料結構上的導波散射信號和補償各向異性，提高了MUSⅠC成像方法在復合材料結構上的精度和可靠性，如圖10（a）所示。Yuan Shenfang[114]，Zhong Yongteng[115]等還采用近場2D‐MUSⅠC對沖擊引起的導波陣列信號進行處理，實現了多沖擊成像定位，并對沖擊能量等級進行了估計，該研究在某無人機復合材料機翼盒段及航空油箱結構上進行了試驗驗證，如圖10（b）所示。

密集陣列方法由于其適合狹小空間監測且能夠定向掃描而被引入至飛行器結構健康監測中并得到了大量研究。相控陣、空間濾波器和多重信號分類方法均實現了多損傷成像定位，后兩種方法還實現了多沖擊成像。這些方法分別在復合材料機翼盒段、航空油箱等結構上進行了試驗驗證。但將密集陣方法應用于實際工程依然存在問題。首先，密集陣方法中均需要導波的速度參數，因而其精度受到復合材料各向異性的影響。針對該問題，一些學者采取了與改進稀疏陣類似的方法，即事先測量結構上各方向的導波速度，并在方向掃描時選取對應的速度[89,114]。其次，密集陣方法具有角度盲區和近場盲區問題。針對角度盲區問題，許多研究提出了二維陣列，如十字陣和矩形陣[85,86,101-105]，一些學者建立了近場陣列信號模型以改進遠場信號模型在近場范圍內的監測盲區問題[109]。此外，在監測多損傷時，損傷散射信號之間存在相干性，導致一些密集陣方法失效，如多重信號分類方法。因此，一些學者研究了改進的多重信號分類方法，采用空間平滑對相干信號源解耦從而實現多損傷的成像定位[110]。總的來說，基于密集陣的導波成像方法取得了一定的研究進展，但面向實際航空結構亟待進一步深入。

3 時變導波損傷成像方法

基于稀疏陣和密集陣的導波成像方法已經在實驗室條件下進行了大量飛行器結構的試驗驗證，實現了沖擊和損傷的準確成像。然而不同于實驗室所進行的簡單研究，航空工程應用時，結構健康監測方法必須面臨復雜而苛刻的航空服役條件。服役環境中存在溫濕度等環境參數影響、結構的氣動載荷作用、不同飛行任務下結構邊界條件變化等多種時變因素，而且這些時變因素相互交織耦合，嚴重影響結構損傷診斷方法的可靠性。很多在實驗室或地面有效的算法在實際服役條件下往往出現誤判甚至失效。目前，時變環境影響下的導波成像研究主要包括三大類：環境參數補償方法、無基準方法和概率統計方法。

3.1 環境參數補償方法

環境參數補償方法首先獲取某個環境參數下，如不同溫度下，傳感器信號及損傷特征的基準或建立其物理模型，結合實測環境參數進行補償。J.E.Michaels[116]，M.S.Salmanpour[117]和P.Ostiguy[118]等研究了溫度這一重要環境參數對傳感信號的影響情況，并根據實時溫度自適應選取最優基準信號或對基準信號進行校正補償，提高了延時累加成像結果的準確性。基于溫度補償的延時累加成像方法原理如圖11所示。

Qing Xinlin[119]，Li Dan[120]，C.Fendzi[121]等利用人工神經網絡算法研究導波信號幅值、相位及飛行時間與溫度之間的關系，建立了重構基準信號的數據驅動模型，并應用層析成像方法進行了試驗驗證。

圖11 基于溫度補償的延時累加成像方法Fig.11 Temperature compensation based delay and sum imaging method

3.2 無基準方法

常規損傷成像方法往往依賴結構健康狀態時的基準信號，通過提取差信號獲取損傷散射信號。但真實服役條件下的多種時變參數往往造成基準信號的明顯變化，常常完全淹沒了損傷所產生的微弱信號變化。因此有學者考慮采用不依賴基準的損傷成像方法。Wang Qiang[122]，S.J.Lee[123]和 Huan Qiang[124]等結合一定的傳感器布置，采用時域窗函數、頻散校正和自適應源去除算法在不使用任何基準信號的情況下提取損傷散射信號，以避免其受到環境和操作變化的影響，并將該方法用于散射源成像。J.Hettler[125]等提出了一種無須基準信號的非線性損傷特征，并將其應用于RAPⅠD算法中，通過沖擊損傷成像進行了驗證。Qing Xinlin[126]等利用層析成像中相似激勵-傳感路徑較多的特點，按照方向和距離將傳感路徑劃分為若干組，并利用同組內路徑上的信號計算損傷因子，最后通過RAPⅠD成像方法對損傷位置進行了估計。該研究在碳纖維復合材料板結構上進行了試驗驗證，如圖12所示。

3.3 概率統計方法

從上述研究分析可知，環境參數補償成像方法需要測量當前的環境參數，而實際工程應用中大多數時變服役環境參數往往都無法準確測量，因而也難以實現補償后的損傷成像，并且方法也只能補償單一時變環境參數。而無基準成像方法基本沒有考慮多種時變環境參數耦合作用的復雜影響情況，并且大多只是結合稀疏陣列并在簡單結構上進行了驗證，忽略了復雜復合材料結構的各向異性、信號邊界反射等問題，目前的研究進展還難以應用于實際航空結構。

圖12 無基準層析成像的試驗驗證Fig.12 Experimental verification of baseline-free tomography method

圖13 基于高斯混合模型和延遲累加的4D成像Fig.13 4D imaging method based on Gaussian mixture model and delay and sum algorithm

近年來，有學者逐漸開始將動態概率建模方法作為一種有效處理時變不確定性問題的方法和導波陣列成像方法相結合，開展服役環境影響下的可靠損傷診斷研究[127,128]。動態概率建模方法能夠采用不同分布和不同數目的概率分量組合更好地逼近描述復雜時變不確定因素的影響，同時通過動態概率建模來有效表征時變條件下結構狀態及其遷移趨勢。因此，可以通過動態概率建模描述并抑制時變環境因素對陣列導波信號的不確定性影響，提取僅對損傷敏感的陣列信號特征；在此基礎上優化導波陣列成像方法并通過成像進一步增強損傷影響，從而最終實現結構損傷的可靠成像定位。

Qiu Lei，Yuan Shenfang等學者[129,130]提出了一種基于高斯混合模型和延遲累加算法的4D成像方法，用于復雜飛機復合結構在溫度時變影響下的可靠損傷監測，其原理如圖13所示。該方法采用高斯混合模型抑制時變因素的不確定性影響，并為壓電傳感器網絡中每個激勵傳感通道構造僅受損傷影響的時不變特征信號。通過在監測過程中不斷更新高斯混合模型以及構建時不變特征信號，并開展基于延遲累加算法的4D成像，生成一系列損傷逐漸凸顯的圖像，從而最終實現損傷的準確定位。

相對于環境參數補償和無基準方法，基于概率統計的時變損傷監測方法更具有工程適用性。采用概率建模方法和損傷成像方法相結合，可以通過不同分布和不同數目的概率分量混合有效考慮結構狀態在多種時變因素耦合作用下的非線性、多模態不確定性影響，同時通過動態概率建模可以有效表征具有動態變化特征的時變條件下結構狀態的遷移趨勢，有助于提高損傷成像的可靠性和魯棒性。

4 結論

壓電-導波成像方法能夠直接對監測區域進行成像，直觀且精度高，已成為飛行器結構健康監測的一個重要方法，得到了大量研究。其中，稀疏陣列成像方法已在真實航空結構上進行了應用，并在研究中結合頻散補償、單模式激勵等方法提高了其成像精度；密集陣列成像方法在實驗室條件下得到了大量試驗驗證并初步應用于真實航空結構，二維陣列、近場模型等方法的引入也逐步提高了其監測范圍。此外，壓電-導波成像方法與環境參數補償、無基準方法和概率統計方法相結合，提高了成像方法在復雜服役條件下的可靠性和魯棒性。

目前壓電-導波成像方法的應用案例表明了該方法在飛行器結構健康監測技術中具有廣闊的應用前景，但面向實際工程化應用依然存在挑戰，壓電‐導波成像方法未來的發展趨勢總結如下：

（1）壓電-導波成像方法大多只能實現對損傷位置的估計，能夠實現高精度、高分辨率損傷定位，損傷程度以及形狀定量化估計的壓電-導波成像方法有待進一步研究。

（2）大部分壓電-導波成像方法采用線性導波特征參數，因而對結構的早期微小損傷不敏感。基于非線性導波特征參數的微小損傷成像方法研究也是未來的發展方向。

（3）飛行器服役環境嚴重影響了壓電-導波成像方法的可靠性，雖然通過環境參數補償、無基準和概率統計等方法有所改善，但這些研究剛剛起步，亟待系統性地開展時變環境下的導波損傷成像機制研究。