飞行器变形到底有多严重？专家视频全面解析光纤传感技术的奇妙应用 | Engineering
祝连庆：光纤传感技术及其在飞行器监测中的应用（Engineering大讲堂：高端测量仪器专题在线解读20221209）。
目前，飞行器结构检测、维护与安全保障技术正从基于日历时间和飞行周期的预防性维护（preventative maintenance）向基于结构状态监测数据的视情维修（condition based maintenance, CBM）方向发展，以更好地保障飞行器全寿命期结构完整性、功能性和安全可靠性，并降低系统维护成本。这为结构健康监测技术（structural health monitoring, SHM）在飞行器上的应用提供了契机。
在各类监测方法中，光纤传感技术被视为最具应用潜力的技术之一。该技术以光纤为介质，集光信号传输和信息传感测量功能于一体，通过解调光频率、相位、振幅和偏振态等特征参量变化，获得被测结构的应变、位移、加速度和温度等各种物理量信息。基于光纤传感网络的飞行器结构变形监测一直是航空航天领域的研究热点。经过近30年来的研究发展，国内外研究人员在相关理论和方法、技术与系统和试验测试方面已经取得了较大进展，推动了光纤传感技术从实验室研究向工程应用的演进。但是，在实际应用中仍然存在若干问题限制了该技术的应用发展，亟待探讨解决方法。
中国航天包为民院士联合清华大学尤政院士、北京信息科技大学祝连庆教授等研究人员在中国工程院院刊《Engineering》2022年9月刊发表了题目为《Structural Deformation Monitoring of Flight Vehicles Based on Optical Fiber Sensing Technology: A Review and Future Perspectives（光纤传感技术在飞行器结构变形监测中的应用）》的综述性文章，梳理了飞行器结构变形监测的研究发展历程，分析了光纤传感监测的主要技术类型、技术优缺点、机载适用性、变形重构算法和典型应用案例。同时，文章还指出了当前需要研究解决的关键问题和工程应用的主要演进范式，并结合新材料、标准化和智能化等内容探讨了未来发展方向。
图1 NASA阿姆斯特朗飞行研究中心在Ikhana无人机上开展FOSS系统验证飞行试验。
近年来，随着飞机、卫星、载人飞船等重大装备性能的不断提升和空天飞机、高超声速飞行器、变体飞行器、深空探测器等新技术装备的发展，传统的地面测试和定期检测等非实时手段逐渐无法满足装备需求，适合机载环境的飞行器结构变形实时监测技术受到国内外学者的广泛关注和研究，其中光纤传感技术以其独特优势成为研究发展的重要方向，被视为最具潜力的飞行器结构实时监测技术之一，相关的传感光纤、多参数高灵敏光纤传感器、高速微型解调仪、监测组网、数据处理与高精度重构等各项技术迅速发展，推动了光纤传感技术在各类飞行器结构变形监测中的应用。
根据不同的传感原理，光纤传感技术可分为四种类型，一类是干涉型光纤传感技术，主要采用光纤法布里-珀罗干涉传感器、马赫-曾德尔干涉传感器、迈克尔逊干涉传感器和萨尼亚克干涉传感器等进行传感测量；另一类是基于波长调制型的光纤传感技术，主要是基于光纤光栅的传感技术，具体包括光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤布拉格光栅（LFBG）、啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）和倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）等；第三类是基于光强调制型的光纤传感技术，如基于黑体辐射的高温光纤传感器；第四类是分布式光纤传感技术，主要利用瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等原理，通过光时域反射法（OTDR）和光频域反射法（OFDR）等进行分布式的传感测量。
自20世纪50年代至今，飞行器结构监测设备经历了从机械式传感器（主要是机械式加速度计和应变计）到电子式多参数监控设备的发展历程，并正向光传监测的方向发展。基于光纤传感网络的飞行器结构监测技术作为一项有潜力的应用技术受到广泛的关注和研究，取得了一些实用化的技术成果，未来有望在飞行器全寿命期结构参数监测中得到广泛应用。为了推动光纤传感技术在飞行器结构监测中的应用，需要解决机载系统组网布设、解调、重构和集成相关的关键理论、方法、核心器件和装置问题，并从成本、性能、产品、工艺、标准等方面开展工程化开发，发展高效费比的机载光纤监测技术产品。
图2 北京信息科技大学在多种卫星上开展光纤监测系统飞行试验。
值得注意的是，基于边缘计算的单机监测生态终端、分布式架构的加密通信网络、高安全性的云计算核心和大数据中心将构建起云边协同的飞行器监测网络体系。飞行器监测的云边协同网络体系将更好地解决群体性、全时性、高效能和经济性问题，主要体现在四个方面：①通过分布式计算、关键信息回传和云核心大数据处理，实现机群整体性监测和全局状态评估与预测决策；②通过将原始数据处理迁移到位于网络边缘的单机监测终端，只传送关键信息至云计算中心，可大幅减小云核心处理和存储的数据量，更高效地管理机群全寿命期全时间历程监测数据；③利用机群全寿命监测大数据深度挖掘分析结果，创新飞行器材料与结构设计理念，减轻结构重量，提升飞行性能和可靠性，使飞行器具备更高效费比；④依据云核心预测信息，准确评估机群中各单机寿命，按单机个体实际状况差异化、精准化地定寿，精细化管理单机退役时间，在允许的条件范围内最大限度延寿，节约成本，提高经济性。
总之，光纤传感技术以其独特优势特别适合机载环境下飞行器结构变形实时监测，并有潜力应用于飞行器全寿命期结构健康监测与寿命评估。近30年来，国内外研究人员从理论与方法、技术与系统和工程应用等方面开展了飞行器结构光纤监测研究工作，取得了一定进展。本文梳理了飞行器结构变形监测技术的发展历程，分析了光纤传感监测的主要技术类型、技术优缺点、机载适用性、变形重构算法和典型应用案例，指出了当前需要研究解决的关键问题和工程应用的主要演进范式，并结合新材料、标准化和智能化等内容探讨了未来发展方向。希望本文的研究工作能对飞行器结构光纤传感监测技术的应用发展提供一定的参考和指导意义，并能抛砖引玉地带来进一步的深入研究和探讨。
以上内容来自：Lianqing Zhu, Guangkai Sun, Weimin Bao, Zheng You, Fanyong Meng, Mingli Dong. Structural Deformation Monitoring of Flight Vehicles Based on Optical Fiber Sensing Technology: A Review and Future Perspectives [J]. Engineering, 2022, 16(9): 39-55.
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.02.022
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