پیاده سازی الگوریتم های پردازش سیگنال برای کاربردهای پایش سلامت سازه ها

با افزایش توجه به تعمیر و نگهداری در صنایع مختلف، پایش سلامت سازه ها با استفاده از روش پخش امواج هدایت شده ی فراصوت، در سال های اخیر از اهمیت بسیاری برخوردار گردیده است. سامانه های پایش سلامت سازه ها از جمله مهمترین وسیله ها برای ارزیابی و تضمین سلامت سازه ها و ساختمان های مختلف می باشند. پژوهش های فراوانی در سال های اخیر به منظور طراحی و توسعه ی کاربرد سامانه های پایش سلامت سازه ها به منظور شناسایی آسیب در سازه های مختلف مکانیکی، هوافضا و عمرانی صورت گرفته است. در این پایان نامه، پایش سلامت ساختاری سازه ها با استفاده از روش پخش امواج هدایت شده ی فراصوت، مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا روش پایش سلامت ساختاری سازه ها به عنوان یک روش به هنگام و مفید در موضوع تعمیر و نگهداری سازه ها معرفی شده و استفاده از امواج هدایت شده ی فراصوت برای پایش سلامتی سازه ها شرح داده شده است. سپس پردازش سیگنال، به عنوان مهم ترین قسمت در کارایی یک سامانه ی پایش سلامت سازه ها، مورد بررسی قرار گرفته است. جنبه های مختلف پردازش سیگنال های امواج هدایت شده شامل عملیات مختلف پیش پردازش سیگنال ها، پردازش سیگنال ها و استخراج مشخصه های وابسته به آسیب از آن ها، بازشناسی الگو و هوشمندسازی فرایند شناسایی آسیب، به طور کامل بررسی شده اند. در ادامه، تعیین مکان و شدت آسیب در یک تیر ضخیم فولادی، به عنوان نمونه ای از کاربردهای پایش سلامت سازه ها، مورد بررسی قرار گرفته است. به این صورت که با داشتن سیگنال های مختلف حاصل از شبیه سازی های رایانه ای و آزمایش های عملی، تعیین مکان و شدت ترک ایجاد شده بر روی سازه، تحقیق شده است. برای این منظور، در پژوهش حاضر، الگوریتم های مختلفی به منظور انجام عملیات پردازشی بر روی سیگنال ها و تعیین ویژگی های آسیب، ارائه شده اند. ابتدا، نویز زدایی و فشرده سازی سیگنال های امواج هدایت شده با استفاده از تبدیل موجک گسسته و تبدیل موجک بسته ای، مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر انتخاب موجک های مختلف متعامد و متعامد دوسویه در کیفیت نویززدایی و فشرده سازی، تحقیق شده است. نتایج حاصل در این مرحله، نشان دهنده ی عملکرد بهتر موجک های متعامد دوسویه نسبت به موجک های متعامد، در نویززدایی و فشرده سازی سیگنال ها، می باشد. در ادامه، الگوریتمی به منظور طبقه بندی شدت آسیب در کاربردهای مختلف پایش سلامت سازه ها، با استفاده از برخی مشخصه های آماری کلی سیگنال ها، ارائه گردیده است. این الگوریتم بر مبنای تبدیل موجک بسته ای و ماشین های بردار پشتیبان معرفی شده و شدت آسیب موجود در سازه را به چندگروه: بدون آسیب، شدت کم، شدت متوسط و شدت زیاد تخمین می زند. در سیگنال های مربوط به شبیه سازی های رایانه ای، الگوریتم مورد نظر به خوبی شدت آسیب مربوط به هر سیگنال را تخمین می زند. کارایی الگوریتم، با مقایسه ی آن با چند الگوریتم مشابه تایید شده است. در ادامه ی پژوهش، به منظور تعیین دقیق مکان و شدت آسیب موجود در سازه، الگوریتمی بر مبنای تبدیل موجک پیوسته و شبکه های موجک رشته ثابت، ارائه گردیده است. این الگوریتم از مشخصه های آماری خاص سیگنال مانند زمان پرواز، دامنه و مساحت موج مربوط به آسیب، به عنوان مشخصه های وابسته به آسیب، استفاده می کند. نتایج حاصل از مقایسه ی الگوریتم ارائه شده با یک الگوریتم مشابه بر مبنای شبکه ی عصبی و دو الگوریتم موجود دیگر به نام های ddc و ddf، نشان دهنده ی دقت مطلوب الگوریتم ارائه شده برای تعیین مکان و شدت آسیب و برتری آن نسبت به روش های دیگر، می باشد. در انتهای پژوهش حاضر، از آنجا که یکی از ویژگی های اصلی روش پایش سلامت سازه ها، به هنگام بودن عملیات پردازشی در آن است، پیاده سازی سخت افزاری الگوریتم تعیین مکان آسیب به روش کانولوشن، که یکی از دقیق ترین روش ها برای تعیین مکان آسیب است، بر روی هسته ی پردازشی fpga، صورت گرفته است. برای این منظور، سامانه ای در نرم افزار active-hdl طراحی و کد مربوط به آن به زبان vhdl نوشته شده و شبیه سازی های مربوطه انجام گرفته است. دقت تعیین مکان آسیب در سخت افزار شبیه-سازی شده در حد مطلوب قرار دارد.