用于物理地测量环境和操作条件的方法和装置与流程

1.本发明涉及对环境和操作条件的物理测量的领域，尤其涉及使用基于光纤的技术来监测例如航空结构部件等部件的温度和变形的领域。本发明尤其涉及对这些部件的温度和变形的同时测量。


背景技术：

2.已知借助于光纤装置和布拉格光栅(bragg grating)来执行温度或变形测量。这些测量使用粘合到相同结构区域或部件的两根光纤，每一根包括布拉格光栅。对于这些测量，布拉格光栅在空间上彼此接近，以使得此接近允许两个布拉格光栅经历相同温度变化和相同变形，或者配备有两个布拉格光栅的光纤，一个检测温度，另一个检测变形，但是在此情况下，所述布拉格光栅彼此远离且并不精确地在相同位置处测量变化。
3.特别地，为了基于布拉格光栅而经由光纤技术测量例如变形和温度等物理量，传统上规划具有两个光纤线。一种可能性是具有第一光纤和第二光纤，所述第一光纤具有附接到主机结构的布拉格光栅且对变形和温度敏感，所述第二光纤具有不附接到主机结构的布拉格光栅。在后一种情况下，第二光纤可滑动到毛细管中，进而附接到主机结构且对温度敏感。各自配备有其光栅的两个光纤允许区分第一光纤处的温度和变形的影响。
4.在网状物m的情况下，一个光纤将包括m个布拉格光栅，且将对网状物的m个点处的变形敏感，而另一个光纤将包括n个布拉格光栅，且将对网状物的n个点处的温度敏感，m能够等于n。
5.包括各自配备有光栅的两个光纤的装置的另一实例例如从文件us 2014326078 a1中已知。在此文件中，所述光纤扭转，且光栅安置成接近于彼此。在此情况下，在使用部件的网状物的情况下，将光栅的数目乘以二。
6.存在单个光纤装置，如描述于qiang li、zhi wang、zejia huang、kaili guo和lanlan liu的“用于光纤感测的盲源分离的实施方案(implementation of blind source separation for optical fiber sensing)”中，美国光学学会(optical society of america)《应用光学(applied optics)》第53卷第9号，2014年3月20号。
7.在所述出版物中，在时域中限定源分离工具以使用具有两个雕刻布拉格光栅的单根光纤来区分温度和变形测量。然而，在相同位置处并不进行温度和变形测量，且失去精确度。
8.技术问题
9.需要减少尤其在待监测的复杂结构中使用的光纤的数目，且能够使用在相同点处组合温度和变形测量的单个光纤，而在网状物的情况下不增加由光纤承载的布拉格光栅的数目。


技术实现要素：

10.在此上下文中，本技术提出一种用于测量局部化温度和变形的方法。
11.为此目的，本发明涉及一种用于基于具有单个布拉格光栅的单根光纤而测量部件或结构的温度和变形的方法，所述方法包括以下步骤：
[0012]-基于两个取样频率而询问所述光纤；一个为低频(f
sl
)且另一个为高频(f
sh
)，所述低频f
sl
适用于感测对应于温度变化的缓慢变化率，所述高频f
sh
适用于感测对应于振动的快速变化率；
[0013]-基于盲源分离(bss)技术而实施算法块，所述算法块包括频率分析、多变量分析和高阶统计量。
[0014]
此方法允许在针对简单测量在相同位置处执行测量的同时使用单个光纤和单个光栅，且当部件在使用/操作中时在相同位置处执行测量以获得部件或结构的温度和变形制图的同时减少光纤和布拉格光栅的数目。
[0015]
根据有利的实施例，所述高频f
sh
是所述低频f
sl
的倍数。
[0016]
根据待测量的振动或变形的类型，所述高频f
sh
可介于几khz与几百khz之间。
[0017]
所述低频f
sl
可介于1hz与f
sh
/10之间，所述低频尤其适合于测量温度变化。
[0018]
根据特定实施例，所述高频f
sh
是所述低频f
sl
的倍数，其简化了计算。
[0019]
频率分析可尤其包括傅里叶变换。
[0020]
所述方法可进一步包括被称为“固定点”优化算法的优化算法。
[0021]
所述方法有利地包括经由傅里叶逆变换返回到时域以获得所估计的源。
[0022]
本技术还涉及一种包括指令的计算机程序，所述指令用于当此程序由处理器实行时根据一个程序实施应用方法；以及一种记录有程序的计算机可读非暂时性记录介质，所述程序用于当此程序由处理器实行时实施应用方法。
附图说明
[0023]
本发明的其它特征、细节和优点将在阅读以下详细描述之后且在分析附图之后呈现，其中：
[0024]
[图1]示意性地表示配备有布拉格光栅的光纤；
[0025]
[图2]示意性地展示源的盲分离(blind separation of sources)的问题；
[0026]
[图3]示意性地展示本技术的方法的步骤；
具体实施方式
[0027]
下文中的图式和描述主要含有某些元件。因此，它们不仅可以用于更好地理解本发明，而且在必要时有助于其定义。
[0028]
图1示意性地表示配备有布拉格光栅2的光纤1。
[0029]
当在粘合到结构区域/部件的光学线(fo)上雕刻布拉格光栅(光纤布拉格光栅-fbg)时，其允许感测温度(环境条件)和变形(操作条件)两者的应力。然而，不可能区分温度的影响与在无额外测量的情况下的变形的影响。
[0030]
在现有技术中，为了区分/测量所述物理量的比重，结果是需要将两个fo线粘合到相同结构区域/部件，每一fo线具有在空间上彼此接近的布拉格光栅，以使得此接近将允许两个布拉格光栅经历相同温度变化和相同变形：
[0031]
也就是说：
[0032]
两个fo线粘合到结构区域，每一fo线具有雕刻的布拉格光栅，为所述布拉格光栅的波长特性。
[0033]
当结构区域/部件同时经受在应力状态中的温度变化(环境条件)和振动(操作条件)时，光热机械交互写成如下：
[0034]
[数学式1]
[0035][0036]
[数学式2]
[0037][0038]
其中：
[0039]
表示归因于环境和操作条件的两个布拉格光栅的波长的变化，
[0040]
ε、δt分别表示变形(相对伸长)和温度变化，
[0041]
α、η和ρ分别为光纤固有的热膨胀系数、热光学件和光弹性，
[0042]
是两个布拉格光栅的变形敏感度参数，
[0043]
{k
t1
,k
t2
}是两个布拉格光栅的温度敏感度参数。
[0044]
在矩阵形式中，方程(1)写成如下：
[0045]
[数学式3]
[0046][0047]
其中矩阵t被称为“波长移位矩阵”[0048]
已知测量出自2个布拉格光栅，也就是说以及敏感度参数可通过反转矩阵t来计算物理量ε和δt：
[0049]
[数学式4]
[0050][0051]
然而，当两个布拉格光栅在空间上彼此接近时，变形和温度敏感度参数几乎相等：且k
t1
≈k
t2
。这将导致方程(4)的无解。
[0052]
这导致必须分离光栅或使光纤中的一个和其光栅对待测量的参数中的一个不敏感，这进一步使光纤的定位复杂化。
[0053]
本技术的目的是克服此复杂性。
[0054]
为此目的，本技术提出基于具有单个布拉格光栅的单根光纤而同时测量结构区域/部件的温度和变形。
[0055]
本发明首先使用数据获取测量块(光导发光询问器)。在此获取期间，询问器测量
与光纤经由布拉格光栅反射的光相关联的波长，且将其转换成工程单元(例如，以伏特为单位)，以使得其可由处理单元利用。根据两个取样频率连续地询问所述块：一个是低频(表示为f
sl
)且另一个是高频(表示为f
sh
)，如图1中表示。
[0056]
根据本发明，低频f
sl
适合于感测将突出温度变化的缓慢变化率，所述温度变化是与机械振动相比相对缓慢地变化的基准，而高频f
sh
适合于感测突出振动且因此突出变形的较快变化率。还应注意，f
sh
是f
sl
的倍数，以便通过还改变获取持续时间而具有相同数目的时间样本。此方法将避免与多变量分析相关的部分中的计算误差。作为指示，f
sh
可介于几khz与几百khz之间。对于f
sl
，其可介于1hz与f
sh
/10之间。这些频率的选择可取决于所选择的应用且取决于温度变化与振动频率之间的变化率的差，所述频率经选择为待测量的最大变化频率的至少两倍。
[0057]
本发明其次使用基于盲源分离(bss)技术的算法块，所述算法块的工具使用频率分析、多变量分析和高阶统计量以便利用与温度和变形的物理信息相关联的统计独立性的假设。
[0058]
高阶统计量(hos)涉及阶数大于2的矩和累积量。其除了二阶统计量之外还被使用且给出数据和其性质的更完整描述。
[0059]
这些块的组合的目的是分离温度变化的测量和变形的测量以区分温度的影响与振动的影响。
[0060]
使用先前定义的矩阵方程：
[0061]
[数学式5]
[0062][0063]
从先进信号处理观点来看，方程(5)中定义的模型为盲源分离问题。
[0064]
源分离的科学问题在于从如图2中示意性地展示的一组可观测的信号提取被称为“源信号”的一组不可观测的信号，其中源信号s1、s2、
……
、s
p
与噪声或干扰w1、w2、
……
、wn混合以得出混合信号y1、y2、
……
、yn，所述混合信号必须由源分离模块10处理以获得所估计的源这些观测结果来自传感器，例如：麦克风、天线、相机、压电转换器等。在本技术的上下文中，源信号表示结构区域/部件的温度和变形的变化，且可观测的信号出自fo线上雕刻的单个布拉格光栅，用可能具有相同数目的时间样本的低和高取样频率连续地询问。考虑到离散时间k和介质的传递函数，方程(5)中定义的模型为混合模型，且根据以下卷积模型来表达：
[0065]
[数学式6]
[0066]
y(k)＝t(k)*s(k)
[0067]
其中，如图3中所展示：
[0068]
[数学式7]
[0069][0070]
是在出自布拉格光栅的时刻k处可观测到的测量的向量100，其询问根据两个取样
频率进行：低频f
sl
和高频f
sh
，
[0071]
是在时刻k处的源的向量，反映出自温度变化和变形的测量。
[0072]
t(k)是混合矩阵，反映介质的脉冲响应，即待监测的结构部件的传递函数。
[0073]
为了解决分离问题：仅知道测量的向量y来估计源的向量s，限定了表示来自混合源100的应用方法的实例的图3中所展示的以下步骤。
[0074]
解决源分离问题所需的不同步骤为：
[0075]
(i)将测量到的信号从时域切换到频域；
[0076]
(ii)使用高阶统计工具，以便利用源的独立性，且基于“固定点”而形成目标函数和优化算法，以便找到允许在频域中分离2个源信号的混合矩阵；
[0077]
(iii)经由傅里叶逆变换切换时域中的源信号以获得所估计的源
[0078]
步骤n
°
1：切换到频域以便通过傅里叶变换200将卷积乘积变换成乘法：
[0079]
[数学式8]
[0080]
y(f)＝t
×
s(f)
[0081]
其中：
[0082]
是测量向量的傅里叶变换(复向量)，
[0083]
是待确定的源的向量的傅里叶变换，
[0084]
t是混合矩阵。
[0085]
步骤n
°
2：
[0086]
根据三个子步骤使用以下工具：
[0087]-应用于复数的线性代数300，
[0088]-高阶统计量，以便实施对源400的统计独立性的假设，
[0089]-被称作“固定点”优化算法450的优化算法，以找到分离矩阵(表示为w)。
[0090]
这些子步骤允许估计频域中的源的向量(表示为)500：
[0091]
[数学式9]
[0092][0093]
使用频域中的混合模型：
[0094]
[数学式11]
[0095]
y(f)＝t
×
s(f)
[0096]
分离模型由以下定义：
[0097]
[数学式12]
[0098]
s(f)＝wy(f)
[0099]
其中w是分离矩阵。
[0100]
定义了基于高阶统计量的表示为jg(w)的目标函数：
[0101]
[数学式13]
[0102]
jg(w)＝e{g(|why|2)}
[0103]
其中：
[0104]
e是数学期望运算符。
[0105]
通过最大化目标函数来找到矩阵w：
[0106]
相对于wj而最大化
[0107]
在应力下
[0108]
其中：
[0109]
[数学式14]
[0110][0111]
步骤n
°
3：
[0112]
经由傅里叶逆变换600在时域中切换以获得所估计的源700：
[0113]
[数学式10]
[0114][0115]
其中：
[0116]
n是在傅里叶逆变换的计算中使用的频率点的数目：n＝t
×fsh
，其中t表示获取时间。
[0117]
n是频率指数
[0118]
因此，这允许找到具有对应频率指数的变形和温度的估计800。
[0119]
行业应用
[0120]
本发明可尤其应用于飞行器、空间发射器或其它系统的部件或结构的监测，其中温度和振动对系统的操作产生影响。