光纤传感在航天复材结构健康监测中的应用

龚煜廉 张建国 李文博

(1 北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院, 北京 100191)(2 北京控制工程研究所, 北京 100094)

航天复合材料飞行器结构健康监测是一个集复合材料科学与工程，新型传感器、大数据和信息技术、复合材料力学、航天器结构设计、人工智能、结构健康监测管理技术等于一体的交叉学科问题。先进复合材料由于具有比强度高、比模量高、耐高温、热稳定性好、可设计性好、制造工艺简单、成本低等优点，对于设计高强度、轻量化的航天飞行器结构至关重要，已被广泛地应用于航天领域的主要飞行器结构中。例如，美国“大力神”火箭发动机、苏联“索弗林”导弹采用先进复合材料后减重45%，射程由1600 km增加到4000 km。我国某航天飞行器的外加筋壳和内加筋壳采用碳纤复合材料后均减重30%，卫星消旋天线支撑筒采用铝蜂窝复合材料后减重50%[1]。

然而，复合材料由于其本身的复杂性，严重的各向异性和性能的高分散性，会导致相对不可预测的行为，这其中包括损伤的起始与扩展，以及结构剩余强度和剩余寿命的变化。特别是由冲击引起的复合材料基体开裂、界面脱粘、分层、纤维断裂等损伤会导致结构强度和稳定性急剧下降，造成灾难性后果。由于复合材料结构的缺陷和损伤具有目视不可见的特性，需要开发对复合材料结构的结构健康监测有用的无损检测技术。由于光纤传感器具有质量轻、体积小、精度高、寿命长、带宽宽、集成性好、抗电磁干扰能力强等诸多优点，在已发展起来的结构健康监测技术中，以光纤传感器为代表的光纤传感技术以上述独特的优势被科学界、工业界和最终用户认可为是对航天复合材料结构进行连续实时监测的最有发展前景的技术之一[2]。

本文针对光纤传感在航天复合材料结构健康监测中的应用，综述国内外近30年来有关项目的研究和应用案例，总结相关技术，明确应用概念，分析发展路线，结合我国的相关技术发展情况，为推动我国光纤传感在航天复合材料结构健康监测中的技术进步，指出了几点未来的发展趋势和方向。

1 光纤传感器类型

商用光纤是用高纯度的石英玻璃制造的，少量掺杂用于调整光纤的折射率。光纤的结构是细长多层的圆柱状介质，由内向外分别是光纤纤芯、光纤包层、塑料涂覆层和保护层。通常所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯的折射率比包层的折射率稍大，在满足一定入射条件下，可以将信号封闭在纤芯中传输并且起到保护的作用。

光纤的物理扰动会改变照射到光纤上的光的性质，利用此特性可以将光学特性和应变、温度等物理量联系起来。根据光的特性，光纤传感器主要分为波长调制、相位调制、偏振调制和强度调制四种类型[3]。

1.1 波长调制型光纤传感器

应用最广泛的一种波长调制型光纤传感器是光纤布拉格光栅(FBG)，它在应变和温度测量方面性能良好，成为嵌入各种材料结构进行监测的最佳传感器选择。

FBG基于菲涅尔反射的工作原理如图1所示[4]。光通过由包层覆盖的纤芯，布拉格光栅嵌入纤芯内部，局部增加了纤芯折射率。反射光波长为

图1 FBG的工作原理

λB=2neffχ

(1)

式中:neff表示光栅的有效折射率；χ为光栅周期。χ<1 μm的短周期光栅称为FBG。在纤芯中引入周期光栅会引起光纤长度上折射率的变化，从而导致部分输入光反射。任何物理扰动都会引起反射光波长的变化，这可以从FBG的反射功率-波长曲线或反射振幅谱中得到。理论上由于物理扰动如应变ε和温度T引起的反射光布拉格波长偏移ΔλB可表示为

(2)

式中：第一项表示布拉格波长随温度的变化。

(3)

(4)

其中

(5)

式中：pe为纤芯材料的光弹性常数；pij为光弹张量分量；υ为光纤的泊松比。FBG测量的是一个相对量，其优点是绝对光强及其波动不影响输出结果。

1.2 相位调制型光纤传感器

相位调制型(干涉型)光纤传感器的基本原理是当被测参量作用到敏感元件上时，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化而导致传播中光的相位发生变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测参量的信息。光纤中传输光的相位是光纤长度、折射率和横截面尺寸的函数。温度和应变等物理量会使这三个参数发生变化，从而产生光的相位变化，借助光纤干涉仪将相位变化转换成光强度变化，从而获得被测参量的信息。最常见的干涉型光纤传感器有法布里-珀罗光纤干涉仪、马赫-泽德尔光纤干涉仪、迈克尔逊光纤干涉仪和赛格纳克光纤干涉仪。

1)法布里-珀罗光纤干涉仪

法布里-珀罗光纤干涉仪在光纤内镀上了两片高反射膜，形成一个谐振腔。光束通过耦合器进入谐振腔时会在两片反射膜上发生许多次反射和透射，从而产生多光束干涉。被测参量的作用是使微腔的长度发生变化，从腔长的变化可以导出被测参量的变化。

2)马赫-泽德尔光纤干涉仪

马赫-泽德尔光纤干涉仪采用双光束干涉，光源发出的光通过分束器被等分为两束光，分别在参考臂和传感臂中传输。当被测参量作用在传感臂上，光的相位发生变化，使两束光产生了相位差。当两束光再经分束器合为一束传入光探测器后，相位差会被光探测器检测到。

3)迈克尔逊光纤干涉仪

迈克尔逊光纤干涉仪与马赫-泽德尔光纤干涉仪相似，光源发出的光经分束器等分为两束光，一束光经参考臂到达固定的反射面，另一束光经传感臂到达移动的反射面，两束光经反射后沿原光路返回，在分束器处产生干涉，通过探测器可以检测出干涉光谱图。干涉光谱图的强度与两臂中光的相位差有关，当被测参量变化时，传感臂中光的相位会产生变化，导致两束光的相位差发生变化，最终被光探测器检测到。

4)赛格纳克光纤干涉仪

赛格纳克光纤干涉仪是利用光纤的赛格纳克效应，光源发出的光经分束器等分为两束光，在反射后沿相反方向传播，经分束器合成后进入光探测器。当干涉仪中的光纤受扰动产生法向角速度时，两束光将在不同时刻抵达光探测器，此时产生的相位差会被光探测器检测到。

1.3 偏振调制型光纤传感器

偏振调制型光纤传感器中普遍采用的物理效应有普克尔效应、克尔效应、法拉第效应和光弹效应。基于光弹效应的偏振调制型光纤传感器可用于压力的测量，基于光弹效应和旋光效应的偏振调制型光纤传感器可用于压力和温度的双参数测量。

1.4 强度调制型光纤传感器

强度调制型光纤传感器主要依赖于光强在光路物理扰动(反射、光纤弯曲等)作用下的变化，通过检测光强的变化可以还原物理扰动的信息。强度调制型光纤传感器主要用来监测固化度和树脂流动。

2 光纤传感技术概述

光纤传感技术按测量范围可分为点测量式、准分布式和分布式光纤传感技术，准分布式是把点测量按一定方式排布形成的多点测量，分布式是指整根光纤自身成为传感器，光纤上各处都可作为测量点[5]。

2.1 点测量式光纤传感技术

当前应用较广泛、研究较深入且最有前景的三类点测量式光纤传感技术是波长调制型的FBG传感技术、相位调制型的非本征法布里-珀罗传感技术和相位调制型的光纤陀螺技术，它们都已成功地应用于航天结构健康监测领域[6]。

2.2 准分布式光纤传感技术

准分布式(阵列复用式)光纤传感技术把用于点测量的光纤传感器以一定方式(如波分复用、时分复用和空分复用)联接复用即可实现准分布式测量[5]。FBG型阵列传感器系统和基于干涉结构的阵列光纤传感器系统是应用最广泛的此类测量系统。FBG型阵列传感器系统具有各种适用的复用技术，能够同时完成温度和应力的多点数据采集及测量，但检测精度、时间和成本都较高。干涉型光纤传感阵列系统灵敏度高，但相位随机漂移会导致信号衰弱等问题。

2.3 分布式光纤传感技术

在分布式光纤传感技术中，光纤本身成为传感器，通过检测被测参量的局部变化引起的沿纤维长度方向上散射光特性的变化，实现对被测参量在全光纤上的分布式测量。根据光的散射机制，可分为布里渊散射、瑞利散射和拉曼散射，由此发展出分布式布里渊光纤传感技术、分布式瑞利光纤传感技术和分布式拉曼光纤传感技术。其中，布里渊散射和瑞利散射对温度、应变和振动敏感，广泛用于结构健康监测领域；而拉曼散射主要用于温度测量。分布式光纤传感技术可以对整根光纤上任意位置的被测参量进行测量，实现连续实时监测，并且布线简洁灵活，可靠性高。

1)分布式布里渊光纤传感技术

分布式布里渊光纤传感技术采用布里渊散射机制。在声波场作用下，布里渊散射过程中的泵浦光和斯托克斯光因为能量转移会产生布里渊频移，它由温度和应变的变化决定。布里渊传感技术测量的是整根光纤上各点的布里渊频移，根据公式得出温度和应变的信息。布里渊频移受温度和应变的影响很大，在实际工程中二者存在交叉影响，需要采用补偿光纤解耦二者的相互作用。如今，分布式布里渊光纤传感技术已发展形成了布里渊光时域分析、布里渊光相关域分析、布里渊光时域反射、布里渊光相关域反射、布里渊光频域分析等一系列分布式传感技术方案。布里渊光纤传感技术适用于应变和温度的绝对测量[7]。

2)分布式瑞利光纤传感技术

分布式瑞利传感技术基于光纤中的瑞利散射机制，早期用于分布式损耗测量和断点检测。采用光时域反射原理，宽谱光源发出探测光，根据反射回来的光强变化获知损耗的分布位置。随着技术进步，研究人员开发出感知范围更大的相位敏感型光时域反射技术和光频域反射等技术。瑞利光纤传感技术适用于应变和温度的相对变化测量[7]。

2.4 光纤传感器和光纤传感技术的选择

波长、相位、偏振、强度光纤传感器的选择取决于所测物理量的种类，点测量、准分布式测量或分布式测量技术的选择取决于所测对象的范围大小。将单一或多种类型的光纤传感器按所测对象的目标范围布置在对象上(可能是关键件，也可能是整体结构)，构成合理的监测体系，以获取相应数据。

3 航天复材结构健康监测技术的概念、功能和发展路线

航天复合材料飞行器结构健康监测是一个整体过程，与不同的对象结合后，会呈现出不同的特点，需要针对性地构建相应的结构健康监测系统。以光纤传感飞行器结构健康监测为例，首先，需要考虑光纤传感器的选择，主要依据实际工程中光纤传感器的适用性、耐久性等要求，通常会选择不同类型具有各自优势的光纤传感器。然后，在制备过程中将光纤传感器埋入结构内部或在安装过程中将光纤传感器粘贴在结构表面，针对监测的是整体结构强度还是关键部分结构强度，可以选择合适的传感器布置方式，以形成综合集成的多功能光纤传感器网络。接着，在地面试验或飞行试验中，利用传感器网络收集飞行器结构状态信息和损伤信息，完成机上信息存储，并下传到地面信息综合处理站进行数据分析。最后，结合力学、物理模型与耐久性损伤容限设计准则，计算出结构损伤，评估结构剩余强度和剩余寿命，实现飞行器实时结构健康监测。

航天复合材料飞行器结构健康监测系统的主要功能可以概括为：结构状态监测，如应变、温度和振动等；结构损伤监测，如基体开裂、界面脱粘、分层、纤维断裂等；飞行载荷和环境参数监测，如飞行速度、气动压力等[8]。

类比于航空飞行器复合材料结构健康监测的发展历程，航天飞行器复合材料结构健康监测技术的发展路线可以分为以下四个阶段：①突破在航天飞行器复合材料结构健康监测中的传感应用技术，通过研制原型机完成航天飞行器的地面结构试验验证；②突破航天飞行器传感网络机载适应性技术，完成航天飞行器的飞行试验验证；③突破结构健康监测系统的软硬件技术(如设备小型化、数据实时处理技术等)，实现航天飞行器在役在线结构健康监测；④突破结构健康监测系统与结构一体化的综合集成技术，实现全面的结构健康监测与管理应用，满足航天飞行器的维修保障要求[9]。

4 航天复材结构健康监测技术的国内外应用现状

1985年，美国空军为21世纪空间技术发展提出了著名的“预测计划II”(21st Century U.S.Air Force Space Technology Prediction Program II)，它设想首先将光纤传感器等埋入飞行器的蒙皮内，实现对飞行器结构件的动态监测和实时通信功能。然后将各种光学传感器布设在飞行器的表面上，完成对飞参数据的监测和宽带传感与通信，并通过光纤链路与计算机连接提供适当的对策，由此开启了光纤传感在航空航天复合材料结构健康监测中的应用序幕。在美国空军的资助下，针对F-15、F-16、F-18、F-22、JSF、F-35等多种军用航空飞行器，开展了大量基于光纤传感的复合材料结构健康监测技术的应用基础研究和飞行试验验证。直到F-35综合集成各种先进传感技术和算法预测诊断模型，使得F-35成为了当今世界航空领域故障预测与健康管理最高水平的代表[10]。随着航空领域基于光纤传感的复合材料结构健康监测技术的日益成熟和完善，直接为航天领域基于光纤传感的复合材料结构健康监测提供了值得借鉴的技术经验和发展路线。以下分别介绍了美国、欧洲、日本和中国在航天领域基于光纤传感的复合材料结构健康监测技术的应用现状。

借鉴多款军机的结构健康监测发展历程，1998年，美国NASA在X-33航天飞机的低温贮箱中埋入光纤传感器监测其温度和应变的状态。结合工程经验开发出基于信标的多任务异常分析(BEAM)混合诊断工具，用于航天飞机主引擎的异常检测，随后将BEAM集成到X-34主推进反馈系统的预测诊断模块中[11]。2001年，在X-38航天飞机机体的结构健康监测系统中安装了一套基于12个FBG的空间分布式光纤传感系统。12个FBG传感器被安置在4个光纤传感垫上，每个传感垫包含1个温度传感器和2个应变传感器。把光纤光栅传感器粘贴在航天飞机机体表面，可以监测X-38航天飞机在发射和返航过程中的力学载荷和热载荷。根据收集的应变和温度信息，可以估计X-38航天飞机主要结构部件的剩余寿命[12]。2010年，NASA在X-37B航天飞机中埋入光纤传感系统实时监测了结构的温度和压力等信息。2021年，NASA阿姆斯特朗研究中心开发的一种光纤传感系统应用于X-56航天飞机的多用途技术试验台上，通过高效算法实现高速监测和传感，实时确定应变、形状变形、温度、液位和运行负载等，以期收集到关于空气动力如何实时影响飞机的信息，将信息循环到飞机控制系统，提高燃油效率和安全性[13]。

自20世纪八九十年代以来，NASA一直在利用光纤传感技术所获得的应变信息来不断优化飞机机翼形状。21世纪初，用管状封装的多条弱反射光纤研究了机翼形状的测量方法，计算了弯扭组合状态下的挠度。2003年，NASA飞行研究中心采用FBG传感器实时获取太阳神原型机的应变数据，提出了一种高效的计算方法，可以从实测数据中准确估计变形场[14]。2014年，在变形测量的基础上，突破了飞机机翼变形主动控制的技术瓶颈。阿姆斯特朗飞行研究中心把光纤光栅传感器测量的机翼蒙皮变形信息与数值分析算法和计算机仿真相结合，实现了从机翼的局部变形测量到全局变形测量的突破，重构了整个翼面的变形状态，此方法在“三角快帆”航天飞行器中得到了验证[15]。

2002年，欧洲航天局在太空望远镜的三角支架中埋入FBG，实现了三角支架的变形监测。另外，采用阵列复用式光纤传感器对Proba II卫星中的飞行器推进系统实施了压力和温度监测。2002年，法国在太阳帆中埋入FBG，对太阳帆的温度和微应变进行了监测。德国在可重复使用运载器的碳纤复合材料结构中埋入FBG，对压力和温度信号进行了实时监测，从而获得损伤的快速诊断。法国Ixsea公司生产的精密级光纤陀螺得到欧洲航天局的认可，成功应用于2006年的欧洲空间计划卫星上[16]。

2002年，日本的Tadahito Mizutani等人介绍了利用FBG对可重复使用火箭的复合材料LH2油箱进行实时应变测量的方法。该油箱由碳纤维增强塑料和铝衬垫组成，采用纤维缠绕方法制造，安装在可重复使用火箭试验车上。为了安装在火箭上，开发了机载FBG解调器。在飞行实验过程中，通过遥测系统对机载FBG解调器的输出进行连续监测。在对复合材料LH2储罐进行实时应变监测之后，对复合材料纤维缠绕油箱进行了嵌入小直径FBG的裂缝检测，以加强结构健康监测系统。在固化过程和压力测试过程中进行了应变和温度的实时测量。在压力试验中观察了反射谱形状的变化，FBG的这一响应表明复合材料纤维缠绕油箱中出现了基体裂纹。从这些结果中发现光纤光栅对于结构健康监测系统是非常有用的。2004年，日本三菱公司和日本航空航天电子公司针对航天领域研制了具有宽动态范围的闭环干涉式光纤陀螺。2011年，日本的Takeda等人使用FBG测量了冲击条件下碳纤复合材料加筋板的应变量，证明了光纤光栅在航天结构中温度、应变测量和损伤监测的能力[17]。

2004年，Richards等人在航天级复合材料结构中埋入非本征光纤法布里-珀罗应变传感器进行应变测量，测量误差不超过5%。2004年，Ogisu等人设计了一套基于压电陶瓷驱动器/FBG传感器的航天器复合材料结构健康监测系统，实现了离激励源5cm处的弹性波探测。2006年，Mizutani等人在复合液氢罐表面粘贴FBG，实现了液氢上升和下降过程的实时应力测量。2008年，Park等人将FBG以阵列复用的方式埋入碳纤维/环氧树脂复合材料中，在模拟的近地轨道环境下研究了FBG在热循环中的反射谱和中心波长变化。2010年，Kim等人在模拟空间环境下使用FBG测量了样本的热形变[6]。

2010年到2013年，天津大学的江俊峰等为解决FBG温度应变交叉敏感问题，开展了热真空环境下FBG传感器的封装技术研究，设计制作了多种封装形式的光纤传感器，采用温度补偿算法去除温度变化的影响，实现应变参量传感。实验结果表明，研制的FBG传感器在低温环境下可长时间保持稳定性能。基于高精度非本征光纤法布里-珀罗压力传感器，实现了高精度的绝对压力测量，此传感器可满足航空和航天阵列型压力传感多点测量及系统小型化的实际需求。研制了薄膜式非本征光纤法布里-珀罗传感器，可测量高速交替变化的压力信号。该传感器的测量范围为0.1～20kHz，灵敏度为93 mV/Pa，已用于航天水升华器工作状态监测。[18-19]

5 结论与展望

根据对航天复合材料结构健康监测技术的国内外应用现状的分析可以看出，航天飞行器的结构健康监测的发展遵循从少数关键件监测到全部关键件监测，从关键件监测到整机监测，从点分布式监测到分布式监测，从单一传感器监测(如光纤传感)到多种传感器综合集成监测的原则。在航天领域，国外不仅大量开展了光纤传感在航天飞行器复合材料结构健康监测中的基础性研究，还在多种航天器中开展了地面试验验证和飞行试验验证，逐步向着航天飞行器在役在线结构健康监测和全面的结构健康监测与管理应用方向推进，在发展路线的四个阶段中处于第四阶段。而国内在该领域的研究目前还处于探索阶段，集中在高校中开展，只有少数的上天应用[16]，且仅限于可数的关键件监测，在发展路线的四个阶段中处于第一阶段。

鉴于国内航天领域基于光纤传感的复合材料结构健康监测研究处于初始探索阶段，为提高国内航天器的使用寿命和可靠性，指出几点未来的发展方向。

(1)借鉴和引入国外航空航天领域成熟的光纤传感结构健康监测技术，尽快落实到国内的航天领域应用中，遵循航天飞行器复合材料结构健康监测技术的发展路线，逐步完成每个阶段的任务内容。

(2)实现航天器从状态参数测量到直接给出结构损伤、结构剩余强度和预测结构剩余寿命。通过收集到的应变、温度等参数，结合力学、物理模型与耐久性损伤容限设计准则，计算结构损伤、预测结构剩余寿命。但由于复合材料结构本身的复杂性，结构损伤计算结果的可信性有待提高，且目前只在F-35战斗机的结构健康监测自主保障信息系统中纳入了少部分结构剩余寿命预测算法。

(3)实现在航天复合材料飞行器整机结构中布设综合集成的分布式光纤传感网络的目标仍然任重而道远。目前，分布式光纤传感技术尚未达到上天在轨测试的技术水平，但分布式监测可以提供点分布式监测无法提供的丰富信息，有着美好的应用前景。

(4)实现光纤传感器与其他传感器的综合集成和信息融合，充分利用各类传感器在不同状态监测和损伤监测方面的优势，以更好地实现航天飞行器结构的全寿命结构健康监测。