CN106546281A - 一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测*** - Google Patents

Abstract

本发明属于智能传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***。本发明的健康状态监测***，包括激光信号源、第一光学耦合器、传感光纤、移频参考光路调制模块、探测脉冲光路调制模块、相干探测模块、环形器及数据处理模块。本发明解决了现有飞行器健康状态监测***人工干预多，人为因素影响较大，无法实现飞行器健康状态实时在线监测的问题；使用分布式光纤传感对外界环境变化感应灵敏，质轻径细、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、能实现绝对测量、稳定性好、容易复用、能埋入工程结构。***工作过程中无需人工干预，节省人力物力的投入，能够实时在线地实现飞行器热场与受力等状态监测。

Description

一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***

技术领域

本发明属于智能传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***。

背景技术

飞行器***结构复杂，长期在恶劣环境中服役，并受到各种载荷的综合作用。监测飞行器的健康状态，如结构损伤状况以及温度场信息等是避免飞行器由于结构失效而引起突发的灾难性事故、降低维护成本、延长使用寿命的重要手段。

传统的飞行器健康状态检测针对不同的损伤模式需要选取相应的检测手段，主要是用仪器对结构作无损检测，常规的无损检测方法有电涡流检测、渗透检测、X射线检测、超声检测、红外热像检测等方法。常规检测现场局限性较大，无法检测隐藏部位的损伤，人工干预多，人为因素影响较大，且费时，不适于飞行器健康状态的实时或在线监测。基于分布式光纤传感的健康监测***，能够在线获得飞行器重要构件的应变、温度信息，通过上位机信息处理、计算分析和损伤模式识别等途径可以判断损伤的性质、位置和程度，检测过程由***自动完成，可有效代替传统检测手段。

发明内容

本发明需要解决的技术问题为：现有飞行器健康状态监测***人工干预多，人为因素影响较大，无法实现飞行器健康状态实时在线监测。

本发明的技术方案如下所述：

一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，包括：激光信号源、第一光学耦合器、传感光纤、移频参考光路调制模块、探测脉冲光路调制模块、相干探测模块、环形器及数据处理模块。

其中：所述激光信号源用于产生光波信号，所述第一光学耦合器的输入端连接至激光信号源的输出端，用于将激光信号源产生光波信号分为两路相同的光波信号。所述第一光学耦合器的一路输出连接至所述探测脉冲光路调制模块，所述探测脉冲光路调制模块用于将连续的光波信号被调制成脉冲探测光。所述第一光学耦合器的另一路输出连接至移频参考光路调制模块，所述移频参考光路调制模块用于对光波信号被进行移频处理，形成移频参考光信号。所述环形器的一端连接至探测脉冲光路调制模块的输出端，另一端连接至传感光纤，第三端连接至相干探测模块的一个输入端，所述环形器用于将所述探测脉冲光路调制模块输出的脉冲探测光传送至传感光纤内传播，并将传感光纤内产生的布里渊散射光信号传送至相干探测模块。所述移频参考光路调制模块的输出端连接至相干探测模块的另一个输入端，所述相干探测模块用于进行相干探测，并将探测结果转化为电信号输出。所述数据处理模块的输入端连接至相干探测模块的输出端，用于数据的采集，并通过相干探测的结果，计算获取布里渊频移量，进而解算出应力、应变及温度信息。

优选的，所述传感光纤集成在飞行器结构表面，所述集成为粘贴安装于机身、机翼蒙皮或嵌入复合材料结构内，所述传感光纤为单模光纤。

优选的，所述探测脉冲光路调制模块包括：脉冲发生器、第一电光调制器、第一偏压控制器、第二光学耦合器、第一偏振控制器和第一光纤放大器；

所述第一偏振控制器的输入端作为探测脉冲光路调制模块的输入端连接至所述第一光学耦合器的一路输出，用于控制光波信号的偏振态。第一偏振控制器的输出端连接至第一电光调制器，所述第一电光调制器用于将连续光波调制成脉冲探测光。所述脉冲发生器的输出端连接至第一电光调制器的输入端，用于向电光调制器提供脉冲信号。所述第一偏压控制器的输出端连接至第一电光调制器另一输入端，用于控制第一电光调制器的工作点稳定在***允许的范围内。所述第一电光调制器的输出端连接至第二光学耦合器的输入端。所述第二光学耦合器用于将从输入端输入的一路光信号转变为相同的两路光信号输出。所述第二光学耦合器的一路输出连接至第一光纤放大器，另一路输出被作为反馈信号连接至第一偏压控制器的输入端。所述第一光纤放大器用于将输入的光信号放大后作为所述探测脉冲光路调制模块的输出。

优选的，所述移频参考光路调制模块包括：第二电光调制器、微波信号发生器、微波信号放大器、频率控制单元、第二偏压控制器、第二偏振控制器、第三光学耦合器和第二光纤放大器。

所述第二偏振控制器的输入端作为移频参考光路调制模块的输入端连接至所述第一光学耦合器的另一路输出，用于控制光波信号的偏振态。第二偏振控制器的输出端连接至第二电光调制器，所述第二电光调制器用于将连续光波调制成移频参考光信号。所述频率控制单元的输出端连接至微波信号发生器的输入端，用于控制微波信号发生器产生所需的微波信号，所述频率控制单元的输入端连接至数据处理模块。所述微波信号发生器的输出端连接至微波信号放大器的输入端，用于产生微波信号。所述微波信号放大器的输出端连接至第二电光调制器的一个输入端，用于将微波信号放大。所述第二偏压控制器的输出端连接至第二电光调制器另一输入端，用于控制电光调制器的工作点稳定在***允许的范围内。所述第二电光调制器的输出端连接至第二光学耦合器的输入端。所述第二光学耦合器用于将从器输入端输入的一路光信号转变为相同的两路光信号输出。所述第二光学耦合器的一路输出连接至第二光纤放大器，另一路输出被作为反馈信号连接至第二偏压控制器的输入端。所述第二光纤放大器用于将输入的光信号放大后作为所述移频参考光路调制模块的输出。

优选的，所述数据处理模块包括：滤波放大单元、数据采集单元和信号处理及扫频控制单元。

所述滤波放大单元的输入端作为数据处理模块的输入连接至相干探测模块的输出端，用于对输入的信号进行低通滤波和放大处理，提高信号的信噪比。所述数据采集单元的输入端连接至滤波放大单元的输出端，用于对信号的采集和模数转换，所述信号处理及扫频控制单元的输入端连接至数据采集单元的输出端，用于对飞行器结构表面应力、应变、温度信息的解算。所述信号处理及扫频控制单元还具有GPIO接口，所述GPIO接口连接至频率控制单元的输入端，用于向频率控制单元输入扫频点、扫频方式、步进长度、扫频范围和跳频时间信息。

本发明的有益效果为：

本发明使用分布式光纤传感对外界环境变化感应灵敏，质轻径细、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、能实现绝对测量、稳定性好、容易复用、能埋入工程结构。***工作过程中无需人工干预，节省人力物力的投入，能够实时在线地实现飞行器热场与受力等状态监测。

附图说明

图1为飞行器健康监测***组成原理示意图；

图2为探测脉冲光路调制模块组成框图；

图3为移频参考光路调制模块组成框图；

图4数据处理模块组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***进行详细说明。

本发明的飞行器健康状态监测***采用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术，利用光纤作为传感器并组建成光纤网络，在监测终端进行在线数据采集，实现飞行器沿光纤网络分布的热场和受力场等健康参数的全程信息监测，并实现异常事件的精确定位。

本发明的***组成如图1所示，***包括：激光信号源、第一光学耦合器、传感光纤、移频参考光路调制模块、探测脉冲光路调制模块、相干探测模块、环形器及数据处理模块。

其中，所述激光信号源用于发出中心频率为v₀的光波信号的光波信号。所述第一光学耦合器用于将激光信号源产生光波信号分为两路相同的光波信号。所述传感光纤用于感受飞行器结构表面的应力、应变、温度信息。所述探测脉冲光路调制模块用于将激光信号源发出的连续光波调制成脉冲探测光。所述移频参考光路调制模块用于将激光信号源发出的光信号进行移频处理，使调制后的移频参考光信号频率与布里渊散射信号频率接近。所述相干探测模块用于进行相干探测，并将探测结果转化为电信号输出。所述环形器用于将脉冲探测光传送至传感光纤，并将传感光纤散射回的光信号输出。所述数据处理模块用于数据的采集和解算，以及对移频参考光路调制模块的控制。

激光信号源发出中心频率为v₀的光波信号，并通过第一光学耦合器将其分为两路，一路流入探测脉冲光路调制模块，另一路流入移频参考光路调制模块。在探测脉冲光路调制模块中，连续光波被调制成脉冲探测光，脉冲探测光经环形器流向传感光纤；在移频参考光路调制模块中，连续光波被进行移频处理后，形成中心频率为v₀-v_L的移频参考光信号，并流入相干探测模块，其中v_L为连续光波进移频处理后的频移量，所述移频参考光路调制模块接受数据处理模块的控制。当脉冲探测光经由环形器流入传感光纤时，会在传感光纤中发生布里渊散射现象，由布里渊散射现象所产生的布里渊散射散射光信号再经环形器流入到相干探测模块，布里渊散射光信号的频移量v_B与外界被测环境有关。相干探测模块接收布里渊散射光信号和移频参考光信号进行相干探测，并将探测结果以电信号的形式输出至数据处理模块，所述数据处理模块基于对已知频率的移频参考光信号和未知频率的布里渊散射光信号的相干探测结果，计算获取布里渊频移量v_B。v_B的取值如实反映了应力、应变及温度外界环境信号的变化，通过解析布里渊频移量v_B实现对温度和应变参数的测量。

所述传感光纤集成在飞行器结构表面，可粘贴安装于机身、机翼蒙皮或嵌入复合材料结构内，利用构成的传感网络实时获得重要的结构健康信息，如应力、应变、温度等。本实例中选取单模光纤(SMF)作为敏感元件，光纤集成在飞行器结构表面或嵌入复合材料结构内，实现传感光纤的平面布局。

激光信号源用于将电流信号变换为光功率信号，在基于BOTDR的光纤传感***中，利用单激光器提供探测脉冲光和参考移频光。激光信号源中心波长为1550nm，3dB谱宽5kHz。

探测脉冲光路调制模块如图2所示，包括：脉冲发生器、第一电光调制器、第一偏压控制器、第二光学耦合器、第一偏振控制器和第一光纤放大器。在探测脉冲光路调制模块中，第一电光调制器在脉冲信号发生器的作用下将连续光波调制成脉冲探测光，由于调制后的脉冲光信号比较弱，无法进行长距离光纤传感，为此利用第一光纤放大器对其进行放大处理，所述第一光纤放大器为掺铒光纤放大器(EDFA)。在光纤传感***中，由于环境温度的变化及振动的影响，光纤中传输光的偏振态会发生随机漂移，为获得较好的调制效果，在输入光进入电光调制器之前需进行偏振态控制，本***的第一偏振控制器为挤压型偏振控制器，其***损耗小，能够有效控制入射光偏振态。第一电光调制器有RF信号输入端和DC偏置电压输入端等两个电信号输入接口，其中RF端口接入信号发生器输出的脉冲信号，DC端口接偏压控制器输出直流电压。由于第一电光调制器自身材料特性易受外界环境的影响，使电光调制器工作点会随外界环境的变化而发生缓慢漂移，直接影响探测脉冲调制信号的特性，进而影响BOTDR传感***的测量精度。因此提出一种偏压控制方法，第一偏压控制器的工作过程如下：第一电光调制器输出光经第二光学耦合器分出一部分光进入第一偏压控制器，获取偏置工作点的漂移信息。对该信号进行滤波、放大处理，然后与微弱扰动信号相乘后进入中央处理器。中央处理器根据信息处理结果判断漂移的方向和大小，计算出修正电压值，由控制单元进行偏压调节，从而形成一个闭环的反馈控制环路。整个控制***不断对偏置电压进行调整，直至工作点稳定在***允许的误差范围之内，从而获取合适的脉冲光宽度和较高的消光比。

移频参考光路调制模块如图3所示，包括：第二电光调制器、微波信号发生器、微波信号放大器、频率控制单元、第二偏压控制器、第二偏振控制器、第三光学耦合器和第二光纤放大器。

在移频参考光路调制模块中，光信号依次流经第二偏振控制器、第二电光调制器、第三光学耦合器以及第二光纤放大器，第二光纤放大器输出的光信号即为经过移频处理后的移频参考光信号，其作为一路相干光输入相干探测模块。其中，第二电光调制器RF端口接收微波信号发生器输出的高频信号，DC端口接收偏压控制器输出的直流电压。微波信号发生器输出的微波信号一般较为微弱，无法直接驱动电光调制器正常工作，为此采用微波信号放大器对其进行放大处理后在输出至电光调制器RF端。频率控制单元通过调节微波信号发生器的输出，达到对移频后光信号特征参数进行设置的目的，第二电光调制器在频率控制单元的控制下实现光波信号的移频，所述的特征参数为频率范围、步长、扫频方式。

参考光信号的频移量范围约11GHz～13GHz，典型值为11.2GHz；频率可调节范围约±400MHz；步进长度可调且不大于10MHz，典型值为0.1MHz；已知频率的微波信号稳定时间不大于20μs；跳频时间与信号处理算法中的叠加次数和脉冲光重复频率有关，典型值为0.02s。

中心频率为v₀的参考光信号经由移频光路模块处理后，变成中心频率为v₀-v_L的移频参考光信号，其输出功率不小于15dbm、消光比大于30dB。此时与另一路中心频率为v₀-v_B的布里渊散射光信号共同输入到相干探测模块，相干探测后的信号为低频信号，便于信号处理分析，相较于常规的直接探测，相干探测的测量精度及信噪比更高。本实施例中，选择相干探测器的光谱响应范围为800nm～1700nm，3dB带宽为DC～200MHz。当激光信号源输出光波长为1550nm时，布里渊散射光信号的频移v_B约为11.2GHz，经移频光路模块调制后的移频参考光信号频率与布里渊散射信号频率接近，因此，布里渊散射光信号和移频参考光信号流经相干探测单元后，高达约11GHz的频率信号被降低到几百MHz的低频信号领域，降低了后级信号采集与处理的负担。

数据处理模块如图4所示，包括滤波放大单元、数据采集单元和信号处理及扫频控制单元。

为获取相干探测信号的最大增益，在相干探测后首先使用滤波放大单元对信号进行低通滤波和放大处理，提高信号的信噪比。经过滤波放大的信号进入数据采集单元，利用数据采集卡进行高速信号采集，对反映被测物理量的布里渊散射光频移等参数实现模数(A/D)转换，然后由信号处理及扫频控制单元实现数据处理和被测物理参数的解算。

信号处理及扫频控制单元还具有GPIO接口，用于数字化微波扫频控制，所述信号处理及扫频控制单元通过GPIO接口与移频参考光路调制模块中的频率控制单元进行信息交互，频率控制单元在信号处理及扫频控制单元的控制下进行扫频，信号处理及扫频控制单元向频率控制单元输出的信息有：扫频点、扫频方式、步进长度、扫频范围和跳频时间，实现了移频参考光路调制的闭环控制。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，包括：激光信号源、第一光学耦合器、传感光纤、移频参考光路调制模块、探测脉冲光路调制模块、相干探测模块、环形器及数据处理模块；其特征在于：

所述激光信号源用于产生光波信号，所述第一光学耦合器的输入端连接至激光信号源的输出端，用于将激光信号源产生光波信号分为两路相同的光波信号；所述第一光学耦合器的一路输出连接至所述探测脉冲光路调制模块，所述探测脉冲光路调制模块用于将连续的光波信号被调制成脉冲探测光；所述第一光学耦合器的另一路输出连接至移频参考光路调制模块，所述移频参考光路调制模块用于对光波信号被进行移频处理，形成移频参考光信号；所述环形器的一端连接至探测脉冲光路调制模块的输出端，另一端连接至传感光纤，第三端连接至相干探测模块的一个输入端，所述环形器用于将所述探测脉冲光路调制模块输出的脉冲探测光传送至传感光纤内传播，并将传感光纤内产生的布里渊散射光信号传送至相干探测模块；所述移频参考光路调制模块的输出端连接至相干探测模块的另一个输入端，所述相干探测模块用于进行相干探测，并将探测结果转化为电信号输出；所述数据处理模块的输入端连接至相干探测模块的输出端，用于数据的采集，并通过相干探测的结果，计算获取布里渊频移量，进而解算出应力、应变及温度信息。

2.如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，其特征在于：所述传感光纤集成在飞行器结构表面，所述集成为粘贴安装于机身、机翼蒙皮或嵌入复合材料结构内，所述传感光纤为单模光纤。

3.如权利要求2所述的基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，其特征在于：所述探测脉冲光路调制模块包括：脉冲发生器、第一电光调制器、第一偏压控制器、第二光学耦合器、第一偏振控制器和第一光纤放大器；

所述第一偏振控制器的输入端作为探测脉冲光路调制模块的输入端连接至所述第一光学耦合器的一路输出，用于控制光波信号的偏振态；第一偏振控制器的输出端连接至第一电光调制器，所述第一电光调制器用于将连续光波调制成脉冲探测光；所述脉冲发生器的输出端连接至第一电光调制器的输入端，用于向电光调制器提供脉冲信号；所述第一偏压控制器的输出端连接至第一电光调制器另一输入端，用于控制第一电光调制器的工作点稳定在***允许的范围内；所述第一电光调制器的输出端连接至第二光学耦合器的输入端；所述第二光学耦合器用于将从输入端输入的一路光信号转变为相同的两路光信号输出；所述第二光学耦合器的一路输出连接至第一光纤放大器，另一路输出被作为反馈信号连接至第一偏压控制器的输入端；所述第一光纤放大器用于将输入的光信号放大后作为所述探测脉冲光路调制模块的输出。

4.如权利要求3所述的基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，其特征在于：所述移频参考光路调制模块包括：第二电光调制器、微波信号发生器、微波信号放大器、频率控制单元、第二偏压控制器、第二偏振控制器、第三光学耦合器和第二光纤放大器；

所述第二偏振控制器的输入端作为移频参考光路调制模块的输入端连接至所述第一光学耦合器的另一路输出，用于控制光波信号的偏振态；第二偏振控制器的输出端连接至第二电光调制器，所述第二电光调制器用于将连续光波调制成移频参考光信号；所述频率控制单元的输出端连接至微波信号发生器的输入端，用于控制微波信号发生器产生所需的微波信号，所述频率控制单元的输入端连接至数据处理模块；所述微波信号发生器的输出端连接至微波信号放大器的输入端，用于产生微波信号；所述微波信号放大器的输出端连接至第二电光调制器的一个输入端，用于将微波信号放大；所述第二偏压控制器的输出端连接至第二电光调制器另一输入端，用于控制电光调制器的工作点稳定在***允许的范围内；所述第二电光调制器的输出端连接至第二光学耦合器的输入端；所述第二光学耦合器用于将从器输入端输入的一路光信号转变为相同的两路光信号输出；所述第二光学耦合器的一路输出连接至第二光纤放大器，另一路输出被作为反馈信号连接至第二偏压控制器的输入端；所述第二光纤放大器用于将输入的光信号放大后作为所述移频参考光路调制模块的输出。

5.如权利要求4所述的基于分布式光纤传感的飞行器健康状态监测***，其特征在于：所述数据处理模块包括：滤波放大单元、数据采集单元和信号处理及扫频控制单元；

所述滤波放大单元的输入端作为数据处理模块的输入连接至相干探测模块的输出端，用于对输入的信号进行低通滤波和放大处理，提高信号的信噪比；所述数据采集单元的输入端连接至滤波放大单元的输出端，用于对信号的采集和模数转换，所述信号处理及扫频控制单元的输入端连接至数据采集单元的输出端，用于对飞行器结构表面应力、应变、温度信息的解算；所述信号处理及扫频控制单元还具有GPIO接口，所述GPIO接口连接至频率控制单元的输入端，用于向频率控制单元输入扫频点、扫频方式、步进长度、扫频范围和跳频时间信息。