论文标题：Improved minimum variance distortionless response spectrum method for efficient and robust non-uniform undersampled frequency identification in blade tip timing

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Ruochen JIN, Laihao YANG, Zhibo YANG, Shaohua TIAN, Guangrong TENG, Xuefeng CHEN

发表时间：15 Dec 2023

DOI： 10.1007/s11465-023-0759-x

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在航空发动机运行过程中，旋转叶片易受气动激励、摩擦及外物损伤等极端工况影响，引发疲劳故障，甚至导致严重安全事故。叶尖定时（BTT）技术作为一种非接触式叶片振动测量手段，能有效规避应变片等接触式测量方法安装繁琐、寿命短的缺陷，通过少量传感器即可实现发动机转子级所有叶片的振动监测，成为叶片健康监测（BHM）的核心技术之一。然而，受机匣安装空间限制，BTT传感器数量通常仅3-5个，导致采样频率远低于叶片振动频率，信号呈现严重非均匀欠采样特性，极易引发频率混叠，给叶片振动参数识别与故障特征提取带来巨大挑战。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2023年第18卷第4期的研究论文“Improved minimum variance distortionless response spectrum method for efficient and robust non-uniform undersampled frequency identification in blade tip timing”，针对这一难题展开深入研究。

不同于传统方法依赖简化动力学模型或需额外传感器的局限，该研究创新性地将BTT数据采集模型与波达方向（DoA）估计中的天线阵列模型建立关联，将机匣圆周布置的传感器视为非均匀线阵列，将BTT信号重构转化为非均匀线阵列信号的DoA估计问题。

研究以最小方差无失真响应（MVDR）算法为基础，引入空间平滑技术优化信号协方差矩阵估计，有效避免矩阵病态或奇异问题，在保留MVDR高分辨率与抗混叠优势的同时，大幅降低高阶矩阵求逆与迭代运算带来的计算复杂度，提升算法效率与鲁棒性，形成改进型MVDR（IMVDR）方法。

通过数值仿真与实验验证，蒙特卡洛模拟结果表明，在低信噪比条件下，IMVDR性能优于MVDR、MUSIC、ESPRIT等传统方法；实验数据进一步证实，该方法能有效克服物理限制导致的BTT信号严重欠采样问题，即便在非共振区域也能精准提取叶片固有频率，完整恢复振动频谱，为航空发动机叶片健康在线监测提供了高效可靠的技术方案。

关键词

叶尖定时（BTT）；频率识别；最小方差无失真响应（MVDR）；欠采样；叶片健康监测（BHM）

引用

Ruochen JIN（金若尘）, Laihao YANG（杨来浩）, Zhibo YANG（杨志勃）, Shaohua TIAN（田绍华）, Guangrong TENG（腾光蓉）, Xuefeng CHEN（陈雪峰）. Improved minimum variance distortionless response spectrum method for efficient and robust non-uniform undersampled frequency identification in blade tip timing. Front. Mech. Eng., 2023, 18(4): 43

https://doi.org/10.1007/s11465-023-0759-x

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