颤振边界预测的时频共振方法研究
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摘要
基于飞机结构亚临界响应分析的颤振边界预测(FBP)技术是颤振试验研究的重要课题。本文根据颤振试验的原理和观测信号特点，综合运用联合时频分析和图像边缘识别理论，提出了一种颤振边界预测的新概念——时频共振(STF)，并完成了STF方法和算法的研究。本文详细研究了颤振信号联合时频谱图的特征，应用图像边缘识别方法对颤振信号时频谱图的轮廓、灰度进行了综合分析，给出了一种全新的颤振余量定标量化法，依此量化值完成对颤振边界的外推。基于LabVIEW虚拟仪器集成环境实现了数字仿真及实时分析软件的设计与开发。经数字仿真及在某型机翼气弹模型低速风洞颤振试验数据处理中的实际应用，取得了满意的结果。同时，还利用高速风洞试验数据和飞行试验数据进一步检验了STF的应用特性。结果表明，STF方法在精度、有效性和数值特性等方面优于传统的FBP方法，可以满足工程应用的实际需求。
Flutter Boundary Prediction (FBP) based upon sub-critical turbulence response analysis is an important research work in flutter test field of aircraft. In this thesis, the theories of Joint Time Frequency Analysis and Image Processing are combined, and a new FBP method called STF is proposed. The characteristics of digital and application are investigated for STF. Simultaneously, a new FBP criterion is presented based on the gray-lavel and contour for the image of Gabor spectrogram and the relation parameter is used to make flutter boundary prediction. The functions of the method are studied by computer simulation and further examined by using several
flutter testing data (low- speed wind-tunnel, high-speed wind tunnel and flight). The
results show us that the method is reasonable and feasible with advanced concept. The related software is developed on Lab VIEW for Windows.
Flutter Boundary Prediction (FBP) based upon sub-critical turbulence response analysis is an important research work in flutter test field of aircraft. In this thesis, the theories of Joint Time Frequency Analysis and Image Processing are combined, and a new FBP method called STF is proposed. The characteristics of digital and application are investigated for STF. Simultaneously, a new FBP criterion is presented based on the gray-lavel and contour for the image of Gabor spectrogram and the relation parameter is used to make flutter boundary prediction. The functions of the method are studied by computer simulation and further examined by using several
flutter testing data (low- speed wind-tunnel, high-speed wind tunnel and flight). The
results show us that the method is reasonable and feasible with advanced concept. The related software is developed on Lab VIEW for Windows.
引文
〖1〗M. W. Kehoe, "Aircraft flight flutter testing at the NASA Ame-Dryden flight research facility", AIAA-86-9730, 1986.
〖2〗J. K. Pinkelman, etc., "An evaluation of excitation techniques for time based flutter data processing", AIAA-93-1602-cp, 1993.
〖3〗Brenner, Martin J., Lind, Richard C., Voracek, David F.,"Overview of recent flight testing reasearch at NASA Dryden", NASA-TM-4792, 1997.
〖4〗Charles L. Ruhlin, Judith J. Watsonect, "Evaluation of four subcritical response methods for on-line prediction of flutter onset in Wind-Tunnel tests", AIAA82-0644,1982.
〖5〗Larry Shelly, "Trend in real-time flight test systems", Americal Institute of Aeronautics and Astronautics,89-3086-CP, 1989.
〖6〗屈见忠，沙长安，“模态参数识别在飞行颤振试验中的应用”，航空学报，第11卷第11期，1990年11月。
〖7〗黄桂生等，“随机减量在SH-飞机大速度监测中的应用”，航空部第六零五研究所，1983年5月。
〖8〗卢奇正等，“颤振亚临界响应数据的指数函数曲线拟合法”，中国人民解放军第二十九试验训练基地第二研究所，1980年9月。
〖9〗Norman H. Zimmerman and Jason T. Weissenbureer, "Prediction of flutter onset speed based on flight testing at subcritical speeds", J. Aircraft, Vol.1, No.4, July-Aus. 1964.
〖10〗S. J. Price, B. H. K. Lee, "Development and analysis of flight flutter prediction methods", AIAA-92-2101-CP, 1992.
〖11〗Yuji Matsuzaki, Yasukatsu Ando, "New estimation method for flutter or divergence boundary from random responses at subcritical speed", Technical report of national aerospace Laboratory TR-667T, 1981.
〖12〗肖创柏，“低速颤振模型风洞实验颤振边界预测--李亚普诺夫直接法的应用”，西北工业大学硕士论文，1986年3月。
〖13〗林韵，“系统辨识的建模理论和快速算法在颤振边界预测中的应用”，西北工业大学硕士论文，1987年3月。
〖14〗 Pei Chengming and Tan Yunhai, "A new method integrated data modeling and stability critertion for flutter boundary perdiction ",JSASS 31st Aircraft Symposium,#3A6,Tokyo,Japan, Aug. 1993.
〖15〗 翟昆，“基于神经网络专家系统的FBP方法”，西北工业大学硕士论文，1999年3月。
〖16〗 Gabor D, "Theory of communication", J. IEE. 1946.
〖17〗 Koenig I,Dunn HK.Lacy LY, "The Sound Spectrugraph",J.Acoust.Soc.Amer. 1946.
〖18〗 Potter R K, "Visible Speech",New York:Van Nostrand, 1947.
〖19〗 Cohen L, "Generalized phase-space distribution functions",J.Math.Phys, 1966.
〖20〗 王宏禹，《非平稳随机信号分析与处理》，国防工业出版社，1999年1月。
〖21〗 J.Daugman, "Complete discrete 2-D Gabor transtorm buneural networks for image analysis and compression",IEEE Trans.on.ASSP. 1988.
〖22〗 Robert A.Baxter, "Image Copression with the Gabor Transform",IEEE.Trans. Geoscienceand Remote Sensing,1999.
〖23〗 Liwa Wangetal, "An efficiental gorithm to compute the complete set of discrete Gabor coefficients",IEEE Trans.Image Processing,1994.
〖24〗 阮秋琦，《数字图像处理学》，电子工业出版社，2001年1月。
〖25〗 Leonid V.Tsap,"Feed back from video for virtual reality navigation", IEEE, 2001.
〖26〗 苏海涛等，“全息图像防伪标识的技术检验及加密”，标准化报，Vol．19，No．2，1998年．
〖27〗 王素云、谢为民等，“昆虫雷达回波图像的拍摄和识别方法”，昆虫知识，1997年。
〖28〗 裴承鸣，“颤振试验信号的时频共振与图像跟踪识别方法研究”，中国航空科学技术基金，项目编号01A53001，2002年。
〖29〗 《JH7A机翼／外挂风洞模型颤振试验亚临界数据处理》，中国航空第一集团公司603所，2001年10月。
〖30〗 (美)L．科恩著，白居先译，《时一频分析：理论与应用》，西安交通大学出版社，1998年3月。
〖31〗 张贤达，《非平稳信号分析与处理》，国防工业出版社，1998年9月。
〖32〗 Bastiaar. M, "A sampling theorem for complex spectrogram,and Gabor's expansion of a signal in Gaussian elementary signals", 1981.
〖33〗 张贤达，《现代数字信号处理》，清华大学出版社，1995年5月。
〖34〗 郑南宁，《计算机视觉与模式识别》，国防工业出版社，1998年。
〖35〗 容观澳，“计算机图像处理”，清华大学出版社，2000年。
〖36〗 Rafael C. Gonzalez, Paul Wintz., "Digital Image Processing", Reading, Mass. c1987.
〖37〗 Doggett, Robert V. Jr, "Some Observations on the Houbolt-Rainey and-Peak- Hold Methods of Flutter Onset Prediction". NASA TM 102745, November 1990.
〖38〗 Janssen A J E M, "The Zak transform:A signal transform for sampled timecontinous signals" ,Philips J. Rev, 1988.
〖39〗 S.Cbekir, "A contribution to the unaliased discrete-time Wigner distribution", J.Acoust. Soc. Am,1993.
〖40〗 胡广书，《数字信号处理——理论、算法与实现》，清华大学出版社，1997年8月。
〖2〗J. K. Pinkelman, etc., "An evaluation of excitation techniques for time based flutter data processing", AIAA-93-1602-cp, 1993.
〖3〗Brenner, Martin J., Lind, Richard C., Voracek, David F.,"Overview of recent flight testing reasearch at NASA Dryden", NASA-TM-4792, 1997.
〖4〗Charles L. Ruhlin, Judith J. Watsonect, "Evaluation of four subcritical response methods for on-line prediction of flutter onset in Wind-Tunnel tests", AIAA82-0644,1982.
〖5〗Larry Shelly, "Trend in real-time flight test systems", Americal Institute of Aeronautics and Astronautics,89-3086-CP, 1989.
〖6〗屈见忠，沙长安，“模态参数识别在飞行颤振试验中的应用”，航空学报，第11卷第11期，1990年11月。
〖7〗黄桂生等，“随机减量在SH-飞机大速度监测中的应用”，航空部第六零五研究所，1983年5月。
〖8〗卢奇正等，“颤振亚临界响应数据的指数函数曲线拟合法”，中国人民解放军第二十九试验训练基地第二研究所，1980年9月。
〖9〗Norman H. Zimmerman and Jason T. Weissenbureer, "Prediction of flutter onset speed based on flight testing at subcritical speeds", J. Aircraft, Vol.1, No.4, July-Aus. 1964.
〖10〗S. J. Price, B. H. K. Lee, "Development and analysis of flight flutter prediction methods", AIAA-92-2101-CP, 1992.
〖11〗Yuji Matsuzaki, Yasukatsu Ando, "New estimation method for flutter or divergence boundary from random responses at subcritical speed", Technical report of national aerospace Laboratory TR-667T, 1981.
〖12〗肖创柏，“低速颤振模型风洞实验颤振边界预测--李亚普诺夫直接法的应用”，西北工业大学硕士论文，1986年3月。
〖13〗林韵，“系统辨识的建模理论和快速算法在颤振边界预测中的应用”，西北工业大学硕士论文，1987年3月。
〖14〗 Pei Chengming and Tan Yunhai, "A new method integrated data modeling and stability critertion for flutter boundary perdiction ",JSASS 31st Aircraft Symposium,#3A6,Tokyo,Japan, Aug. 1993.
〖15〗 翟昆，“基于神经网络专家系统的FBP方法”，西北工业大学硕士论文，1999年3月。
〖16〗 Gabor D, "Theory of communication", J. IEE. 1946.
〖17〗 Koenig I,Dunn HK.Lacy LY, "The Sound Spectrugraph",J.Acoust.Soc.Amer. 1946.
〖18〗 Potter R K, "Visible Speech",New York:Van Nostrand, 1947.
〖19〗 Cohen L, "Generalized phase-space distribution functions",J.Math.Phys, 1966.
〖20〗 王宏禹，《非平稳随机信号分析与处理》，国防工业出版社，1999年1月。
〖21〗 J.Daugman, "Complete discrete 2-D Gabor transtorm buneural networks for image analysis and compression",IEEE Trans.on.ASSP. 1988.
〖22〗 Robert A.Baxter, "Image Copression with the Gabor Transform",IEEE.Trans. Geoscienceand Remote Sensing,1999.
〖23〗 Liwa Wangetal, "An efficiental gorithm to compute the complete set of discrete Gabor coefficients",IEEE Trans.Image Processing,1994.
〖24〗 阮秋琦，《数字图像处理学》，电子工业出版社，2001年1月。
〖25〗 Leonid V.Tsap,"Feed back from video for virtual reality navigation", IEEE, 2001.
〖26〗 苏海涛等，“全息图像防伪标识的技术检验及加密”，标准化报，Vol．19，No．2，1998年．
〖27〗 王素云、谢为民等，“昆虫雷达回波图像的拍摄和识别方法”，昆虫知识，1997年。
〖28〗 裴承鸣，“颤振试验信号的时频共振与图像跟踪识别方法研究”，中国航空科学技术基金，项目编号01A53001，2002年。
〖29〗 《JH7A机翼／外挂风洞模型颤振试验亚临界数据处理》，中国航空第一集团公司603所，2001年10月。
〖30〗 (美)L．科恩著，白居先译，《时一频分析：理论与应用》，西安交通大学出版社，1998年3月。
〖31〗 张贤达，《非平稳信号分析与处理》，国防工业出版社，1998年9月。
〖32〗 Bastiaar. M, "A sampling theorem for complex spectrogram,and Gabor's expansion of a signal in Gaussian elementary signals", 1981.
〖33〗 张贤达，《现代数字信号处理》，清华大学出版社，1995年5月。
〖34〗 郑南宁，《计算机视觉与模式识别》，国防工业出版社，1998年。
〖35〗 容观澳，“计算机图像处理”，清华大学出版社，2000年。
〖36〗 Rafael C. Gonzalez, Paul Wintz., "Digital Image Processing", Reading, Mass. c1987.
〖37〗 Doggett, Robert V. Jr, "Some Observations on the Houbolt-Rainey and-Peak- Hold Methods of Flutter Onset Prediction". NASA TM 102745, November 1990.
〖38〗 Janssen A J E M, "The Zak transform:A signal transform for sampled timecontinous signals" ,Philips J. Rev, 1988.
〖39〗 S.Cbekir, "A contribution to the unaliased discrete-time Wigner distribution", J.Acoust. Soc. Am,1993.
〖40〗 胡广书，《数字信号处理——理论、算法与实现》，清华大学出版社，1997年8月。