一种板状结构的三维曲面形态监测方法及系统与流程

本技术涉及光纤传感领域，特别涉及一种板状结构的三维曲面形态监测方法及系统。

背景技术：

1、板状结构广泛存在于工业应用，如近地卫星、深空探测器、空间站、大展翼飞机、相控阵雷达、相控阵天线等航空航天器结构组成中。空天环境的在重力、温度、外部阻尼、电磁辐射等方面具有特殊性，这些特性极易导致上述板状结构产生结构柔性形变和形态变化，甚至可造成结构拓扑形态破坏，使系统性能下降甚至失效。因此研究柔性板状结构实时形变状态的主动监测方法，对航空航天器结构健康和安全保障技术发展具有积极促进作用。

2、相关技术中，针对大型板状结构的三维形态监测技术主要分为两大类：接触式和非接触式，具体包括：c-扫描、红外热成像等非接触式离线检测技术以及典型的基于电阻应变片的接触式在线监测技术等。随着时代的发展，光纤传感器因其具有体积小、灵敏度高、柔韧性好、易于集成、抗电磁干扰、质量轻、适用于受力复杂、环境恶劣的测量条件等诸多优点，在大型板状结构的三维形态监测技术中逐渐收到欢迎。

3、然而，现有的基于光纤传感的大型板状结构形变及应变场监测技术主要采用的是光纤光栅传感网格或基于光频域反射计(optical frequency domain reflectometer，ofdr)的多芯光纤三维形状传感技术。对于前者而言，受光栅复用数量和空间分辨率的限制，一般难以实际用于大型结构的形变监测，并且形变重构精度较低；对于后者来说，虽然能实现较高精度的形状传感，但是对于工程结构中同样很关注的应变场分布，尤其是局部关键位置的应变信息却无法获取，无法准确判断板状结构的使役状态。

技术实现思路

1、本技术实施例的一个目的旨在提供一种板状结构的三维曲面形态监测方法和系统，以解决板状结构的三维曲面形态监测过程中无法获取应变信息，无法准确判断板状结构的使役状态的技术问题。

2、在第一方面，本技术实施例提供一种板状结构的三维曲面形态监测方法，包括：

3、在板状结构表面形成正交光纤光栅，得到具有多个光栅测点的正交光纤传感网格；

4、将预设测量信号输入至所述正交光纤传感网格，得到所述正交光纤传感网格每个所述光栅测点对应的应变数据；

5、对相邻所述光栅测点之间的网格线进行插值处理，并基于所述测点应变数据以及插值后的网格线，生成插值点对应的插值点应变数据；

6、根据所述测点应变数据和所述插值点应变数据，确定所述板状结构的应变场信息；

7、基于所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态。

8、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述基于所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态，包括：

9、根据所述应变场信息，重构所述正交光纤传感网格；

10、根据重构的所述正交光纤传感网格以及所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态。

11、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述根据所述应变场信息，重构所述正交光纤传感网格，包括：

12、根据所述应变场信息，确定预设曲线重构算法；

13、通过所述曲线重构算法对所述正交光纤传感网格进行重构，形成重构的所述正交光纤传感网格。

14、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述跟据重构的所述正交光纤传感网格以及所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态，包括：

15、确定所述重构的所述正交光纤传感网格对应的曲面拟合算法；

16、通过所述曲面拟合算法对所述测点应变数据及所述插值点应变数据进行处理，得到所述板状结构的三维曲面形态。

17、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将预设测量信号输入至所述正交光纤传感网格，得到所述正交光纤传感网格每个所述光栅测点对应的应变数据，包括：

18、生成预设测量信号；

19、在所述测量信号中确定第一传感信号和第二传感信号；

20、将所述第一传感信号输入至所述正交光纤传感网格得到所述正交光纤传感网格对应的主反馈信号；以及

21、将所述第二传感信号输入至预设的辅干涉仪，得到所述辅干涉仪对应的辅反馈信号；

22、根据所述主反馈信号和辅反馈信号，生成所述正交光纤传感网格每个所述光栅测点对应的应变数据。

23、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述第一传感信号输入至所述正交光纤传感网格得到所述正交光纤传感网格对应的主反馈信号，包括：

24、在所述第一传感信号中确定第一检测信号及第二检测信号；

25、将所述第一检测信号输入至所述正交光纤传感网格得到所述正交光纤传感网格对应的散射光信号；以及

26、将所述第二检测信号及所述散射光信号输入至预设的偏振分束器，得到所述正交光纤传感网格对应的主反馈信号。

27、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述第二传感信号输入至预设的辅干涉仪，得到所述辅干涉仪对应的辅反馈信号，包括：

28、在所述第二传感信号中确定第一时钟信号及第二时钟信号；

29、将所述第一时钟信号通过预设的延迟光纤输入至预设的法拉第旋转镜，得到所述第一时钟信号对应折射后的第一时钟信号；

30、将所述折射后的第一时钟信号及所述第二时钟信号输入预设的平衡探测器，得到所述辅干涉仪对应的辅反馈信号。

31、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述在所述测量信号中确定第一传感信号和第二传感信号之后，还包括：

32、在所述测量信号中确定第三传感信号；

33、将所述第三传感信号输入至预设的数据处理模块，得到参考数据。

34、在第二方面，本技术实施例还提出一种板状结构的三维曲面形态监测系统，包括：可调谐激光器，用于在板状结构表面形成正交光纤光栅，得到具有多个光栅测点的正交光纤传感网格；

35、主干涉仪，用于将预设测量信号输入至所述正交光纤传感网格，得到所述正交光纤传感网格每个所述光栅测点对应的应变数据；

36、数据处理模块，用于对相邻所述光栅测点之间的网格线进行插值处理，并基于所述测点应变数据以及插值后的网格线，生成插值点对应的插值点应变数据；根据所述测点应变数据和所述插值点应变数据，确定所述板状结构的应变场信息；基于所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态。

37、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：

38、第一光纤耦合器，用于在所述测量信号中确定第一传感信号和第二传感信号；

39、第二光纤耦合器，用于在所述第一传感信号中确定第一检测信号及第二检测信号。

40、本技术实施例可以实现如下技术效果：

41、基于本技术实施例所提出的方法，在板状结构表面形成正交光纤光栅，得到具有多个光栅测点的正交光纤传感网格；将预设测量信号输入至所述正交光纤传感网格，得到所述正交光纤传感网格每个所述光栅测点对应的应变数据；对相邻所述光栅测点之间的网格线进行插值处理，并基于所述测点应变数据以及插值后的网格线，生成插值点对应的插值点应变数据；根据所述测点应变数据和所述插值点应变数据，确定所述板状结构的应变场信息；基于所述板状结构的应变场信息，生成所述板状结构的三维曲面形态。其中，由于应变场信息是通过测点应变数据和插值点应变数据确定的，因此根据应变场信息所生成的三维曲面状态能够在表征所述板状结构形状的同时，表征板状结构的应变信息，有利于及时准确判断板状结构的使役状态，从而改善了三维曲面形态监测的效果。