光纖傳感在航天復材結構健康監測中的應用

龔煜廉 張建國 李文博

(1 北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院, 北京 100191)(2 北京控制工程研究所, 北京 100094)

航天復合材料飛行器結構健康監測是一個集復合材料科學與工程，新型傳感器、大數據和信息技術、復合材料力學、航天器結構設計、人工智能、結構健康監測管理技術等于一體的交叉學科問題。先進復合材料由于具有比強度高、比模量高、耐高溫、熱穩定性好、可設計性好、制造工藝簡單、成本低等優點，對于設計高強度、輕量化的航天飛行器結構至關重要，已被廣泛地應用于航天領域的主要飛行器結構中。例如，美國“大力神”火箭發動機、蘇聯“索弗林”導彈采用先進復合材料后減重45%，射程由1600 km增加到4000 km。我國某航天飛行器的外加筋殼和內加筋殼采用碳纖復合材料后均減重30%，衛星消旋天線支撐筒采用鋁蜂窩復合材料后減重50%[1]。

然而，復合材料由于其本身的復雜性，嚴重的各向異性和性能的高分散性，會導致相對不可預測的行為，這其中包括損傷的起始與擴展，以及結構剩余強度和剩余壽命的變化。特別是由沖擊引起的復合材料基體開裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂等損傷會導致結構強度和穩定性急劇下降，造成災難性后果。由于復合材料結構的缺陷和損傷具有目視不可見的特性，需要開發對復合材料結構的結構健康監測有用的無損檢測技術。由于光纖傳感器具有質量輕、體積小、精度高、壽命長、帶寬寬、集成性好、抗電磁干擾能力強等諸多優點，在已發展起來的結構健康監測技術中，以光纖傳感器為代表的光纖傳感技術以上述獨特的優勢被科學界、工業界和最終用戶認可為是對航天復合材料結構進行連續實時監測的最有發展前景的技術之一[2]。

本文針對光纖傳感在航天復合材料結構健康監測中的應用，綜述國內外近30年來有關項目的研究和應用案例，總結相關技術，明確應用概念，分析發展路線，結合我國的相關技術發展情況，為推動我國光纖傳感在航天復合材料結構健康監測中的技術進步，指出了幾點未來的發展趨勢和方向。

1 光纖傳感器類型

商用光纖是用高純度的石英玻璃制造的，少量摻雜用于調整光纖的折射率。光纖的結構是細長多層的圓柱狀介質，由內向外分別是光纖纖芯、光纖包層、塑料涂覆層和保護層。通常所說的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，在滿足一定入射條件下，可以將信號封閉在纖芯中傳輸并且起到保護的作用。

光纖的物理擾動會改變照射到光纖上的光的性質，利用此特性可以將光學特性和應變、溫度等物理量聯系起來。根據光的特性，光纖傳感器主要分為波長調制、相位調制、偏振調制和強度調制四種類型[3]。

1.1 波長調制型光纖傳感器

應用最廣泛的一種波長調制型光纖傳感器是光纖布拉格光柵(FBG)，它在應變和溫度測量方面性能良好，成為嵌入各種材料結構進行監測的最佳傳感器選擇。

FBG基于菲涅爾反射的工作原理如圖1所示[4]。光通過由包層覆蓋的纖芯，布拉格光柵嵌入纖芯內部，局部增加了纖芯折射率。反射光波長為

圖1 FBG的工作原理

λB=2neffχ

(1)

式中:neff表示光柵的有效折射率；χ為光柵周期。χ<1 μm的短周期光柵稱為FBG。在纖芯中引入周期光柵會引起光纖長度上折射率的變化，從而導致部分輸入光反射。任何物理擾動都會引起反射光波長的變化，這可以從FBG的反射功率-波長曲線或反射振幅譜中得到。理論上由于物理擾動如應變ε和溫度T引起的反射光布拉格波長偏移ΔλB可表示為

(2)

式中：第一項表示布拉格波長隨溫度的變化。

(3)

(4)

其中

(5)

式中：pe為纖芯材料的光彈性常數；pij為光彈張量分量；υ為光纖的泊松比。FBG測量的是一個相對量，其優點是絕對光強及其波動不影響輸出結果。

1.2 相位調制型光纖傳感器

相位調制型(干涉型)光纖傳感器的基本原理是當被測參量作用到敏感元件上時，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化而導致傳播中光的相位發生變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測參量的信息。光纖中傳輸光的相位是光纖長度、折射率和橫截面尺寸的函數。溫度和應變等物理量會使這三個參數發生變化，從而產生光的相位變化，借助光纖干涉儀將相位變化轉換成光強度變化，從而獲得被測參量的信息。最常見的干涉型光纖傳感器有法布里-珀羅光纖干涉儀、馬赫-澤德爾光纖干涉儀、邁克爾遜光纖干涉儀和賽格納克光纖干涉儀。

1)法布里-珀羅光纖干涉儀

法布里-珀羅光纖干涉儀在光纖內鍍上了兩片高反射膜，形成一個諧振腔。光束通過耦合器進入諧振腔時會在兩片反射膜上發生許多次反射和透射，從而產生多光束干涉。被測參量的作用是使微腔的長度發生變化，從腔長的變化可以導出被測參量的變化。

2)馬赫-澤德爾光纖干涉儀

馬赫-澤德爾光纖干涉儀采用雙光束干涉，光源發出的光通過分束器被等分為兩束光，分別在參考臂和傳感臂中傳輸。當被測參量作用在傳感臂上，光的相位發生變化，使兩束光產生了相位差。當兩束光再經分束器合為一束傳入光探測器后，相位差會被光探測器檢測到。

3)邁克爾遜光纖干涉儀

邁克爾遜光纖干涉儀與馬赫-澤德爾光纖干涉儀相似，光源發出的光經分束器等分為兩束光，一束光經參考臂到達固定的反射面，另一束光經傳感臂到達移動的反射面，兩束光經反射后沿原光路返回，在分束器處產生干涉，通過探測器可以檢測出干涉光譜圖。干涉光譜圖的強度與兩臂中光的相位差有關，當被測參量變化時，傳感臂中光的相位會產生變化，導致兩束光的相位差發生變化，最終被光探測器檢測到。

4)賽格納克光纖干涉儀

賽格納克光纖干涉儀是利用光纖的賽格納克效應，光源發出的光經分束器等分為兩束光，在反射后沿相反方向傳播，經分束器合成后進入光探測器。當干涉儀中的光纖受擾動產生法向角速度時，兩束光將在不同時刻抵達光探測器，此時產生的相位差會被光探測器檢測到。

1.3 偏振調制型光纖傳感器

偏振調制型光纖傳感器中普遍采用的物理效應有普克爾效應、克爾效應、法拉第效應和光彈效應。基于光彈效應的偏振調制型光纖傳感器可用于壓力的測量，基于光彈效應和旋光效應的偏振調制型光纖傳感器可用于壓力和溫度的雙參數測量。

1.4 強度調制型光纖傳感器

強度調制型光纖傳感器主要依賴于光強在光路物理擾動(反射、光纖彎曲等)作用下的變化，通過檢測光強的變化可以還原物理擾動的信息。強度調制型光纖傳感器主要用來監測固化度和樹脂流動。

2 光纖傳感技術概述

光纖傳感技術按測量范圍可分為點測量式、準分布式和分布式光纖傳感技術，準分布式是把點測量按一定方式排布形成的多點測量，分布式是指整根光纖自身成為傳感器，光纖上各處都可作為測量點[5]。

2.1 點測量式光纖傳感技術

當前應用較廣泛、研究較深入且最有前景的三類點測量式光纖傳感技術是波長調制型的FBG傳感技術、相位調制型的非本征法布里-珀羅傳感技術和相位調制型的光纖陀螺技術，它們都已成功地應用于航天結構健康監測領域[6]。

2.2 準分布式光纖傳感技術

準分布式(陣列復用式)光纖傳感技術把用于點測量的光纖傳感器以一定方式(如波分復用、時分復用和空分復用)聯接復用即可實現準分布式測量[5]。FBG型陣列傳感器系統和基于干涉結構的陣列光纖傳感器系統是應用最廣泛的此類測量系統。FBG型陣列傳感器系統具有各種適用的復用技術，能夠同時完成溫度和應力的多點數據采集及測量，但檢測精度、時間和成本都較高。干涉型光纖傳感陣列系統靈敏度高，但相位隨機漂移會導致信號衰弱等問題。

2.3 分布式光纖傳感技術

在分布式光纖傳感技術中，光纖本身成為傳感器，通過檢測被測參量的局部變化引起的沿纖維長度方向上散射光特性的變化，實現對被測參量在全光纖上的分布式測量。根據光的散射機制，可分為布里淵散射、瑞利散射和拉曼散射，由此發展出分布式布里淵光纖傳感技術、分布式瑞利光纖傳感技術和分布式拉曼光纖傳感技術。其中，布里淵散射和瑞利散射對溫度、應變和振動敏感，廣泛用于結構健康監測領域；而拉曼散射主要用于溫度測量。分布式光纖傳感技術可以對整根光纖上任意位置的被測參量進行測量，實現連續實時監測，并且布線簡潔靈活，可靠性高。

1)分布式布里淵光纖傳感技術

分布式布里淵光纖傳感技術采用布里淵散射機制。在聲波場作用下，布里淵散射過程中的泵浦光和斯托克斯光因為能量轉移會產生布里淵頻移，它由溫度和應變的變化決定。布里淵傳感技術測量的是整根光纖上各點的布里淵頻移，根據公式得出溫度和應變的信息。布里淵頻移受溫度和應變的影響很大，在實際工程中二者存在交叉影響，需要采用補償光纖解耦二者的相互作用。如今，分布式布里淵光纖傳感技術已發展形成了布里淵光時域分析、布里淵光相關域分析、布里淵光時域反射、布里淵光相關域反射、布里淵光頻域分析等一系列分布式傳感技術方案。布里淵光纖傳感技術適用于應變和溫度的絕對測量[7]。

2)分布式瑞利光纖傳感技術

分布式瑞利傳感技術基于光纖中的瑞利散射機制，早期用于分布式損耗測量和斷點檢測。采用光時域反射原理，寬譜光源發出探測光，根據反射回來的光強變化獲知損耗的分布位置。隨著技術進步，研究人員開發出感知范圍更大的相位敏感型光時域反射技術和光頻域反射等技術。瑞利光纖傳感技術適用于應變和溫度的相對變化測量[7]。

2.4 光纖傳感器和光纖傳感技術的選擇

波長、相位、偏振、強度光纖傳感器的選擇取決于所測物理量的種類，點測量、準分布式測量或分布式測量技術的選擇取決于所測對象的范圍大小。將單一或多種類型的光纖傳感器按所測對象的目標范圍布置在對象上(可能是關鍵件，也可能是整體結構)，構成合理的監測體系，以獲取相應數據。

3 航天復材結構健康監測技術的概念、功能和發展路線

航天復合材料飛行器結構健康監測是一個整體過程，與不同的對象結合后，會呈現出不同的特點，需要針對性地構建相應的結構健康監測系統。以光纖傳感飛行器結構健康監測為例，首先，需要考慮光纖傳感器的選擇，主要依據實際工程中光纖傳感器的適用性、耐久性等要求，通常會選擇不同類型具有各自優勢的光纖傳感器。然后，在制備過程中將光纖傳感器埋入結構內部或在安裝過程中將光纖傳感器粘貼在結構表面，針對監測的是整體結構強度還是關鍵部分結構強度，可以選擇合適的傳感器布置方式，以形成綜合集成的多功能光纖傳感器網絡。接著，在地面試驗或飛行試驗中，利用傳感器網絡收集飛行器結構狀態信息和損傷信息，完成機上信息存儲，并下傳到地面信息綜合處理站進行數據分析。最后，結合力學、物理模型與耐久性損傷容限設計準則，計算出結構損傷，評估結構剩余強度和剩余壽命，實現飛行器實時結構健康監測。

航天復合材料飛行器結構健康監測系統的主要功能可以概括為：結構狀態監測，如應變、溫度和振動等；結構損傷監測，如基體開裂、界面脫粘、分層、纖維斷裂等；飛行載荷和環境參數監測，如飛行速度、氣動壓力等[8]。

類比于航空飛行器復合材料結構健康監測的發展歷程，航天飛行器復合材料結構健康監測技術的發展路線可以分為以下四個階段：①突破在航天飛行器復合材料結構健康監測中的傳感應用技術，通過研制原型機完成航天飛行器的地面結構試驗驗證；②突破航天飛行器傳感網絡機載適應性技術，完成航天飛行器的飛行試驗驗證；③突破結構健康監測系統的軟硬件技術(如設備小型化、數據實時處理技術等)，實現航天飛行器在役在線結構健康監測；④突破結構健康監測系統與結構一體化的綜合集成技術，實現全面的結構健康監測與管理應用，滿足航天飛行器的維修保障要求[9]。

4 航天復材結構健康監測技術的國內外應用現狀

1985年，美國空軍為21世紀空間技術發展提出了著名的“預測計劃II”(21st Century U.S.Air Force Space Technology Prediction Program II)，它設想首先將光纖傳感器等埋入飛行器的蒙皮內，實現對飛行器結構件的動態監測和實時通信功能。然后將各種光學傳感器布設在飛行器的表面上，完成對飛參數據的監測和寬帶傳感與通信，并通過光纖鏈路與計算機連接提供適當的對策，由此開啟了光纖傳感在航空航天復合材料結構健康監測中的應用序幕。在美國空軍的資助下，針對F-15、F-16、F-18、F-22、JSF、F-35等多種軍用航空飛行器，開展了大量基于光纖傳感的復合材料結構健康監測技術的應用基礎研究和飛行試驗驗證。直到F-35綜合集成各種先進傳感技術和算法預測診斷模型，使得F-35成為了當今世界航空領域故障預測與健康管理最高水平的代表[10]。隨著航空領域基于光纖傳感的復合材料結構健康監測技術的日益成熟和完善，直接為航天領域基于光纖傳感的復合材料結構健康監測提供了值得借鑒的技術經驗和發展路線。以下分別介紹了美國、歐洲、日本和中國在航天領域基于光纖傳感的復合材料結構健康監測技術的應用現狀。

借鑒多款軍機的結構健康監測發展歷程，1998年，美國NASA在X-33航天飛機的低溫貯箱中埋入光纖傳感器監測其溫度和應變的狀態。結合工程經驗開發出基于信標的多任務異常分析(BEAM)混合診斷工具，用于航天飛機主引擎的異常檢測，隨后將BEAM集成到X-34主推進反饋系統的預測診斷模塊中[11]。2001年，在X-38航天飛機機體的結構健康監測系統中安裝了一套基于12個FBG的空間分布式光纖傳感系統。12個FBG傳感器被安置在4個光纖傳感墊上，每個傳感墊包含1個溫度傳感器和2個應變傳感器。把光纖光柵傳感器粘貼在航天飛機機體表面，可以監測X-38航天飛機在發射和返航過程中的力學載荷和熱載荷。根據收集的應變和溫度信息，可以估計X-38航天飛機主要結構部件的剩余壽命[12]。2010年，NASA在X-37B航天飛機中埋入光纖傳感系統實時監測了結構的溫度和壓力等信息。2021年，NASA阿姆斯特朗研究中心開發的一種光纖傳感系統應用于X-56航天飛機的多用途技術試驗臺上，通過高效算法實現高速監測和傳感，實時確定應變、形狀變形、溫度、液位和運行負載等，以期收集到關于空氣動力如何實時影響飛機的信息，將信息循環到飛機控制系統，提高燃油效率和安全性[13]。

自20世紀八九十年代以來，NASA一直在利用光纖傳感技術所獲得的應變信息來不斷優化飛機機翼形狀。21世紀初，用管狀封裝的多條弱反射光纖研究了機翼形狀的測量方法，計算了彎扭組合狀態下的撓度。2003年，NASA飛行研究中心采用FBG傳感器實時獲取太陽神原型機的應變數據，提出了一種高效的計算方法，可以從實測數據中準確估計變形場[14]。2014年，在變形測量的基礎上，突破了飛機機翼變形主動控制的技術瓶頸。阿姆斯特朗飛行研究中心把光纖光柵傳感器測量的機翼蒙皮變形信息與數值分析算法和計算機仿真相結合，實現了從機翼的局部變形測量到全局變形測量的突破，重構了整個翼面的變形狀態，此方法在“三角快帆”航天飛行器中得到了驗證[15]。

2002年，歐洲航天局在太空望遠鏡的三角支架中埋入FBG，實現了三角支架的變形監測。另外，采用陣列復用式光纖傳感器對Proba II衛星中的飛行器推進系統實施了壓力和溫度監測。2002年，法國在太陽帆中埋入FBG，對太陽帆的溫度和微應變進行了監測。德國在可重復使用運載器的碳纖復合材料結構中埋入FBG，對壓力和溫度信號進行了實時監測，從而獲得損傷的快速診斷。法國Ixsea公司生產的精密級光纖陀螺得到歐洲航天局的認可，成功應用于2006年的歐洲空間計劃衛星上[16]。

2002年，日本的Tadahito Mizutani等人介紹了利用FBG對可重復使用火箭的復合材料LH2油箱進行實時應變測量的方法。該油箱由碳纖維增強塑料和鋁襯墊組成，采用纖維纏繞方法制造，安裝在可重復使用火箭試驗車上。為了安裝在火箭上，開發了機載FBG解調器。在飛行實驗過程中，通過遙測系統對機載FBG解調器的輸出進行連續監測。在對復合材料LH2儲罐進行實時應變監測之后，對復合材料纖維纏繞油箱進行了嵌入小直徑FBG的裂縫檢測，以加強結構健康監測系統。在固化過程和壓力測試過程中進行了應變和溫度的實時測量。在壓力試驗中觀察了反射譜形狀的變化，FBG的這一響應表明復合材料纖維纏繞油箱中出現了基體裂紋。從這些結果中發現光纖光柵對于結構健康監測系統是非常有用的。2004年，日本三菱公司和日本航空航天電子公司針對航天領域研制了具有寬動態范圍的閉環干涉式光纖陀螺。2011年，日本的Takeda等人使用FBG測量了沖擊條件下碳纖復合材料加筋板的應變量，證明了光纖光柵在航天結構中溫度、應變測量和損傷監測的能力[17]。

2004年，Richards等人在航天級復合材料結構中埋入非本征光纖法布里-珀羅應變傳感器進行應變測量，測量誤差不超過5%。2004年，Ogisu等人設計了一套基于壓電陶瓷驅動器/FBG傳感器的航天器復合材料結構健康監測系統，實現了離激勵源5cm處的彈性波探測。2006年，Mizutani等人在復合液氫罐表面粘貼FBG，實現了液氫上升和下降過程的實時應力測量。2008年，Park等人將FBG以陣列復用的方式埋入碳纖維/環氧樹脂復合材料中，在模擬的近地軌道環境下研究了FBG在熱循環中的反射譜和中心波長變化。2010年，Kim等人在模擬空間環境下使用FBG測量了樣本的熱形變[6]。

2010年到2013年，天津大學的江俊峰等為解決FBG溫度應變交叉敏感問題，開展了熱真空環境下FBG傳感器的封裝技術研究，設計制作了多種封裝形式的光纖傳感器，采用溫度補償算法去除溫度變化的影響，實現應變參量傳感。實驗結果表明，研制的FBG傳感器在低溫環境下可長時間保持穩定性能。基于高精度非本征光纖法布里-珀羅壓力傳感器，實現了高精度的絕對壓力測量，此傳感器可滿足航空和航天陣列型壓力傳感多點測量及系統小型化的實際需求。研制了薄膜式非本征光纖法布里-珀羅傳感器，可測量高速交替變化的壓力信號。該傳感器的測量范圍為0.1～20kHz，靈敏度為93 mV/Pa，已用于航天水升華器工作狀態監測。[18-19]

5 結論與展望

根據對航天復合材料結構健康監測技術的國內外應用現狀的分析可以看出，航天飛行器的結構健康監測的發展遵循從少數關鍵件監測到全部關鍵件監測，從關鍵件監測到整機監測，從點分布式監測到分布式監測，從單一傳感器監測(如光纖傳感)到多種傳感器綜合集成監測的原則。在航天領域，國外不僅大量開展了光纖傳感在航天飛行器復合材料結構健康監測中的基礎性研究，還在多種航天器中開展了地面試驗驗證和飛行試驗驗證，逐步向著航天飛行器在役在線結構健康監測和全面的結構健康監測與管理應用方向推進，在發展路線的四個階段中處于第四階段。而國內在該領域的研究目前還處于探索階段，集中在高校中開展，只有少數的上天應用[16]，且僅限于可數的關鍵件監測，在發展路線的四個階段中處于第一階段。

鑒于國內航天領域基于光纖傳感的復合材料結構健康監測研究處于初始探索階段，為提高國內航天器的使用壽命和可靠性，指出幾點未來的發展方向。

(1)借鑒和引入國外航空航天領域成熟的光纖傳感結構健康監測技術，盡快落實到國內的航天領域應用中，遵循航天飛行器復合材料結構健康監測技術的發展路線，逐步完成每個階段的任務內容。

(2)實現航天器從狀態參數測量到直接給出結構損傷、結構剩余強度和預測結構剩余壽命。通過收集到的應變、溫度等參數，結合力學、物理模型與耐久性損傷容限設計準則，計算結構損傷、預測結構剩余壽命。但由于復合材料結構本身的復雜性，結構損傷計算結果的可信性有待提高，且目前只在F-35戰斗機的結構健康監測自主保障信息系統中納入了少部分結構剩余壽命預測算法。

(3)實現在航天復合材料飛行器整機結構中布設綜合集成的分布式光纖傳感網絡的目標仍然任重而道遠。目前，分布式光纖傳感技術尚未達到上天在軌測試的技術水平，但分布式監測可以提供點分布式監測無法提供的豐富信息，有著美好的應用前景。

(4)實現光纖傳感器與其他傳感器的綜合集成和信息融合，充分利用各類傳感器在不同狀態監測和損傷監測方面的優勢，以更好地實現航天飛行器結構的全壽命結構健康監測。