Integration guidelines and application of FBG sensing system with multiple functions
-
摘要: 为充分发挥光纤光栅(FBG)传感系统复用能力，可同时对传感光路各个传感器的光信号进行有效识别，且为传感器设计和加工提供依据，基于FBG传感原理，从系统集成及复用能力优化的角度，探讨波分复用传感器设计方法，以及节点传感器结构和灵敏度设计原则与标准，并将提出的原则等应用于某实际工程光纤监测系统。传感系统在运行过程中，获得了较为可靠的监测数据，分布式光纤和点式电测技术测试结果相差6%左右，进一步表明临近光纤传感器没有出现传感信号串扰现象，为工程施工和安全维护提供参照。Abstract: In order to make full use of multiplexing capability of fiber Bragg Grating(FBG) sensing system while the optical signal of each sensor along sensing optical can be detected effectively and to provide basis for sensor design and manufacture, based on FBG sensing principle, aiming at the system integration and optimization of multiplexing capability of the sensing system, the design method of wavelength division multiplexing and the design principle as well as criteria of node sensor structure and sensitivity were proposed and applied to the optical monitoring system of a real engineering.During working of the sensing system, reliable monitoring data about the engineering was obtained.Results show that the difference between monitoring results measured by FBG sensors and those from point-type electric instruments is about 6%, further indicating that there is no sensor signal crosstalk near the optical fiber sensor, which provides a useful reference for the engineering construction and safety maintenance.
-
引言
当机场内的某些跑道因维修、维护、施工或出现特殊情况需要关闭时，该跑道不能供飞机降落使用，为防止飞行员误降跑道，需设置醒目的置于地面的目视助航灯光以使飞行员正确、快速、有效地识别跑道关闭，警示飞行员禁止降落[1]。以便能够及时向飞行员提供有效的跑道临时关闭信息。目前此类目视助航设施尚在试用阶段，使用的构型、颜色、可视距离、功能等都没有统一标准，使得该警示灯在空中分辨距离、高度甚至构型不统一，易对飞行员造成困扰，影响飞行安全。美国Hudson Safe公司根据联邦航空局发布的咨询通告AC150/5345-55A[2]标准采用反馈法给出了警示车的尺寸大小、灯光构型以及光强范围[3-4]，但是没有考虑人眼视觉的影响因素。
为此，本文基于人眼视觉，对警示灯尺寸大小和灯光构型进行设计，消除了人眼的视觉影响，采用逐点法对警示灯光强进行计算，并考虑光传输衰减的影响，仿真了不同距离下警示灯的可分辨特性，为机场跑道临时关闭警示灯的设计提供了参考依据。
1 模型建立
1.1 构型设计
根据国内外现有警示灯的构型以及人们的认知习惯，警示灯外形轮廓采用符合认知习惯的构型X形。警示灯放置在跑道号码处的中线上，但不影响临近跑道的使用。为提高警示效果、便于运输与摆放，警示灯X形构型的尺寸、光源的分布必须要经合理设计选择。
为使飞行员有足够的时间做出判断并采取复飞操作，应至少在2 km处辨别警示灯的X构型。能否清楚地辨识X形与人眼分辨角和分辨极限有关，人眼分辨角θ可按以下经验公式[5]估算：
$$ \theta =\frac{1}{0.618-0.13/d}\text{ }~ $$ (1) 式中d为瞳孔直径(mm)。
一般瞳孔直径为3 mm~8 mm，人眼视力会因高速运动而下降，视野变小。通常视力在动态下比静态低10%~20%，特殊情况下达到30%~40%。选择视力在最差情况下，根据(1)式得到分辨角θ=5′。
要使飞机在2 km处识别X形，根据瑞利判据可知，人眼分辨角等于被分辨物体的距离与所对应的视距的比值：
$$ \theta =\frac{S}{L} $$ (2) 式中：S为被分辨物体距离；L为视距。
因此，要识别X形，其4个端点的距离至少为3 m，则单臂长至少为4.8 m。
机场着陆最低标准如表 1所示。
表 1 机场着陆标准Table 1. Landing standard of airport进近类别 决断高度/m 离跑道入口/m Ⅰ ≥60 1 150 Ⅱ 60≥DH≥30 570 Ⅲ ＜30 400 为确保飞行员在决断高度内清楚地辨别警示灯的X形，必须保证在决断高度看到连续的X形，即无法分辨X形上的单个灯。则由(1)式和(2)式求得灯间距应小于0.58 m。为此提出图 1所示警示灯模型。
1.2 灯光设计
警示灯作为跑道临时关闭警示装置，应满足在该关闭跑道进近的飞行员能够发现关闭标志，同时又不能影响临近跑道上飞机的正常着陆。因此，警示灯X形灯光的发光角和光强要符合相关的标准才能发出正确警示信息，如图 2所示。
图 2中白天，光束中心3°出射角范围内的有效光强≥70 000 cd，3°~10°半径内的有效光强≥34 000 cd，10°~15°半径内的有效光强≥13 000 cd。
夜晚，光束中心3°出射角范围内的有效光强≥2 000 cd，3°~10°半径内的有效光强≥970 cd，10°~15°半径内的有效光强应≥370 cd。
为保证警示灯提供醒目的X形灯光，不仅整体光强要求符合标准，单个灯具的光强设计也必须符合标准，如表 2所示。
表 2 灯具光强标准Table 2. Light intensity standard of lamp入射角光强比 比值 I(3°)/I(10°) 2.06 I(10°)/I(15°) 2.62 考虑到灯具光强标准为中间光强大，然后逐渐向四周均匀减小，为此初步选定了两种灯具设计方案。
方案1，如图 3(a)所示，采用的是3个灯珠串联为一组，再4组并联的联接方式，灯珠布局集中。
方案2，如图 3(b)所示，采用的是6个灯珠串联为一组，再两组并联的联接方式，灯珠的布局均匀分散。
通过助航灯具测光系统测得的上述2种灯具等光强曲线，如图 4和图 5所示。
由图 4可知，出射角3°处该灯具的平均出射光强为3 660 cd，出射角10°处的平均出射光强为1 630 cd，二者比值为2.23，标准比值为2.06；出射角15°处的平均出射光强为700 cd，与出射角10°处的比值为2.33，标准比值为2.62。故3°~10°的光强衰减程度比标准大，10°~15°的光强衰减程度比标准小。
由图 5可知，出射角3°处该灯具的平均出射光强为4 110 cd，出射角10°处的平均出射光强为2 000 cd，二者比值为2.06，标准比值为2.06；出射角15°处的平均出射光强为880 cd，与出射角10°处的比值为2.27，标准比值为2.62。光强衰减程度基本符合标准要求，故选择方案2进行灯具设计。
通常在发光物体照射距离超过其尺寸1/10时，该发光物体就可以看作点光源。点光源在一点产生的照度值正比于点光源在被照点方向的光强值，反比于点光源与被照点之间的距离平方[6-7]。因警示灯尺寸较大，光强测量较为困难，为此采用逐点法对警示灯光强进行计算。
选取警示灯垂直平行面上的点P，垂直距离h，则警示灯上i光源在照射点P处的直射照度：
$$ {{E}_{hi}}=\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)}{{{h}^{2}}}~\cdot \text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}~ $$ (3) 式中：I(θhi, θvi)为i光源在P处光强值；h为竖直距离；βi为i光源到P处的距离与竖直距离的夹角。
警示灯在P处的直射照度：
$$ {{E}_{h}}=\sum\limits_{i=1}^{25}{{{E}_{hi}}}=\sum\limits_{i=1}^{25}{\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)}{{{h}^{2}}}\text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}}~ $$ (4) 警示灯出射角α方向的光强值：
$$ {{I}_{a}}=\frac{{{E}_{h}}\cdot {{L}^{2}}}{\text{cos}\alpha }~=\sum\limits_{i=1}^{25}{\frac{I\left( {{\theta }_{hi}},{{\theta }_{vi}} \right)\cdot \text{co}{{\text{s}}^{3}}{{\beta }_{i}}}{\text{co}{{\text{s}}^{3}}\alpha }}\text{ }~ $$ (5) 式中L=h/cosα
最终计算得到警示灯的总体光强曲线如图 6所示。
如图 6所示，出射角3°的中心光束光强曲线值为97 000 cd，大于70 000 cd，出射角10°的光强曲线值为45 000 cd，大于34 000 cd，出射角15°的光强曲线值为18 800 cd，大于13 000 cd。满足标准要求。
2 仿真验证
人眼由于瞳孔的特殊结构，在接收警示灯光时，在视觉系统中会产生夫琅和费圆孔衍射图样[8]。为了仿真人眼分辨警示灯X形过程，把人眼看成凸透镜，恰好分辨两物时人眼与发光点的张角为最小分辨角θ：
$$ \theta =1.22\frac{\lambda }{D} $$ (6) 式中：λ为出射光的波长；D为瞳孔直径。
发光点与人眼中心的张角决定了衍射图样艾里斑的光能分布：
$$ I={{I}_{0}}{{\left[ \frac{2{{J}_{1}}\left( u \right)}{u} \right]}^{2}}~ $$ (7) 式中：I0为最大光强；J1为一阶贝塞尔函数；u=2πsinθ/λ。
考虑到环境对人眼分辨的影响，飞行员在距离S处的照度值E与大气衰减系数δ的函数[9]关系：
$$ E=\frac{{{I}_{0}}}{{{S}^{2}}}~{{\text{e}}^{-\delta \cdot S}}~ $$ (8) 大气衰减系数与能见度的关系[10]：
$$ \delta =\frac{14.274\pi {{V}^{-1.43}}}{\lambda } $$ (9) 式中：λ为光波长；V为能见度
环境亮度对比度与衰减系数关系[11]：
$$ {{C}_{s}}=C{{\text{e}}^{-\delta \cdot S}} $$ (10) 式中：Cs为表现亮度对比值；C为对比灵敏度。
根据不同背景亮度下的对比灵敏度，综合式(6)~(8)得到X形警示灯光强的分布，如图 7所示。
选择背景亮度为200 cd/m2，能见度2 500 m的清晨，查表[12]得对比灵敏度和照度阈值。再根据人眼成像原理仿真飞行员在安全标准范围内2 km和400 m距离处，人眼分辨X形这一过程，如图 8所示。
由图 8(a)可知，飞行员安全复飞距离2 km处开始看到警示灯X形，能够引起飞行员注意到跑道临时关闭信息，使得在安全复飞的距离内及时对飞机起到警示作用。
图 8(b)为在安全决断距离内飞行员在400 m处开始看到X形上单灯，即在此之前灯光一直是连续的呈X形上，保证了在决断高度内起到警示作用。
3 应用结果
对设计的机场跑道关闭警示灯进行应用验证，将其放置在跑道入口处，如图 9所示。通过目测证明在2 km处开始能够看到警示灯X形。400 m处开始能够分辨X形上的单灯，与仿真结果一致。
4 结论
本文基于人眼视觉以及机场相关标准建立的警示灯灯光构型，满足相关要求并且符合人们日常习惯。并提出利用逐点法计算警示灯总体光强，并通过仿真及验证实验得出：
1) 在2 km处开始分辨出警示灯X形，保证了飞机复飞安全。
2) 在400 m处开始可分辨警示灯X形上单灯，保证了飞机在决断高度内起到警示作用。
结果表明机场跑道临时关闭警示灯能够保证在机场临时关闭时对飞机起到警示作用，保证机场运行安全。为警示灯的相关标准制定提供了参考依据，也为后续的研制提供了参考。
-
![]()
图 4 渗压观测结果时段分布
Figure 4. Distribution of seepage pressure observation results with time
表 1 光纤裂缝传感器控制设计参数
Table 1 Control design parameters of fiber optic crack sensor
参数 取值 λB 1 520 ls 5 000 re 11 562.5 rd 1 562.5 rc 62.5 Ee 200 Ea 0.87 Ec 72 
下载: 导出CSV
-
[1] CTE A, CARRIER B, LEDUC J, et al. Water leakage detection using optical fiber at the peribonka dam[J]. International Symposium on Field Measurements in Geomechanics, 2007, 175:1-12. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=CC029504188
[2] WANG Jianfeng, HU Chuanlong, XU Haifeng, et al. Application research of DTS system in dam[J].SPIE, 2010, 7853:78532L-1-6. http://cn.bing.com/academic/profile?id=e0db50f5e3726a859630fb38eb209496&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
[3] SU Huaizhi, HU Jiang, YANG Meng. Dam seepage monitoring based on distributed optical fiber temperature system[J].IEEE Sensors Journal, 2015, 15(1):9-13. doi: 10.1109/JSEN.2014.2335197
[4] 蔡德所, 戴会超, 蔡顺德, 等.分布式光纤传感监测三峡大坝混凝土温度场试验研究[J].水利学报, 2003, 34(5):87-91. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slxb200305016 CAI Desuo, DAI Huichao, CAI Shunde, et al. Monitoring the temperature in concrete structure of Three Gorges dam by using distributed opptical fiber sensor[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 34(5):87-91. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/slxb200305016
[5] BROENNIMANN R, NELLEN P M, ANDEREGG P, et al. Application of optical fiber sensors on the power dam of Luzzone[C].SPIE, 1998, 3407: 386-391.
[6] 郑魏, 袁宏才.光纤光栅传感器在水布垭面板坝安全监测中的应用[J].大坝与安全, 2006, 22(10):206-207. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wjsjxx200610075 ZHENG Wei, YUAN Hongcai. Application of FBG sensors in Shui BuYa dam[J]. Microcomputer Information, 2006, 22(10):206-207. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wjsjxx200610075
[7] 朱鸿鹄, 殷建华, 张林, 等.大坝模型试验的光纤传感变形监测[J].岩石力学与工程学报, 2008, 27(6):1188-1194. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.06.012 ZHU Honghu, YIN Jianhua, ZHANG Lin, et al. Deforamtion monitoring of dam model test by optical fiber sensors[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(6):1188-1194. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2008.06.012
[8] 李旦江, 张德康, 施海莹.大坝监测工程应用光纤传感器的若干技术要求[J].大坝与安全, 2009(3):23-27. doi: 10.3969/j.issn.1671-1092.2009.03.008 LI Danjiang, ZHANG Dekang, SHI Haiying. Some technical requirements for optical fiber sensor applied in dam monitoring[J].Dam and Safety, 2009(3):23-27. doi: 10.3969/j.issn.1671-1092.2009.03.008
[9] REN Liang, CHEN Jianyun, LI Hongnan, et al.Design and application of a fiber Bragg grating strain sensor with enhanced sensitivity in the small -scale dam model[J].Smart Materials and Structures, 2009, 15(1):1-7.
[10] 包腾飞, 赵津磊, 张万祝, 等.新型可测量大变形的弯曲型光纤光栅裂缝传感器[J].中国科学(E辑):技术科学, 2014, 44(10):1013-1019. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-ce201410001 BAO Tengfei, ZHAO Jinlei, ZHANG Wanzhu, et al.Bend type fiber Bragg grating crack sensor with big measurement range[J]. Scientia Sinica:Technologica, 2014, 44(10):1013-1019. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgkx-ce201410001
[11] 吴永红.光纤光栅水工渗压传感器封装的结构分析与试验[D].成都: 四川大学, 2003. WU Yonghong. Structural analysis and test of encapsulation of FBG hydraulic seepage sensor[D].Chendu: Sichuan University, 2003.
[12] HILL K O, FUJⅡ Y, JOHNSON D C, et al. Photosensitivity in optical fiber waveguides:application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters, 1978, 32(10):647-649. doi: 10.1063/1.89881
[13] KERSEY A D, DAVIS M A, PATRICK H J, et al. Fiber grating sensors[J]. Journal of Lightwave Technology 1997, 15(8):1442-1463. doi: 10.1109/50.618377
[14] 江毅, 陈伟民, 杨礼成, 等.光纤光栅用于应变/温度传感初探[J].传感技术学报, 1997, 10(3):43-47. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=cgjsxb199703009 JIANG Yi, CHEN Weiming, YANG Lichen, et al. The investigation on strain/temperature based on optic-fiber grating[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 1997, 10(3):43-47. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=cgjsxb199703009
[15] 吴永红, 屈文俊, 邵长江, 等.光纤光栅应变传感器光-力转换的理论方程[J].光学学报, 2009, 29(8):2067-2070. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxxb200908006 WU Yonghong, QU Wenjun, SHAO Chaojiang, et al. Basic optical-mechanical transformation of theoretical equation for FBG strain sensors[J].Acta Optica Sinica, 2009, 29(8):2067-2070. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxxb200908006
-
期刊类型引用(12)
1. 周爱国，赵吉林，安山，符长虹. 注重明度感知的通用渐进式无监督图像增强方法. 应用光学. 2024(05): 937-945 . 
本站查看
2. 何忧，何晓程，董星. 基于多层激光雷达的3D虚拟环境感知系统. 激光杂志. 2023(01): 199-204 . 百度学术
3. 张玉亮，赵智龙，付炜平，刘洪吉，熊永平，尹子会. 融合边缘语义信息的单目深度估计. 科学技术与工程. 2022(07): 2761-2769 . 百度学术
4. 郭贵松，林彬，杨夏，张小虎. 基于斑马鱼图像特征的鱼群检测算法. 应用光学. 2022(02): 257-268 . 本站查看
5. 陈耀祖，谷玉海，成霞，徐小力. 基于优化YOLOv4算法的行驶车辆要素检测方法. 应用光学. 2022(02): 248-256 . 本站查看
6. 刘朔，谷玉海，饶文军，王菊远. 基于优化YOLOv3算法的违章车辆检测方法. 重庆理工大学学报(自然科学). 2021(04): 135-141 . 百度学术
7. 蔡伟，徐佩伟，杨志勇，蒋昕昊，姜波. 复杂背景下红外图像弱小目标检测. 应用光学. 2021(04): 643-650 . 本站查看
8. 洪波，刘雪芹，秦志亮，马本俊，王飞，刘映锋. 水面运动目标跟踪监控系统的设计与实现. 海洋技术学报. 2021(04): 62-73 . 百度学术
9. 高晓娟，梅秀庄，白福忠，李萍. 航拍巡线低照度彩色图像增强与电力小部件检测. 内蒙古工业大学学报(自然科学版). 2021(06): 461-467 . 百度学术
10. 陈裕如，赵海涛. 基于自适应像素级注意力模型的场景深度估计. 应用光学. 2020(03): 490-499 . 本站查看
11. 刘洋，姜涛，段学鹏. 基于YOLOv3的复杂天气条件下人车识别方法的研究. 长春理工大学学报(自然科学版). 2020(06): 57-65 . 百度学术
12. 侯军占，张卫国，庞澜，杨光，张夏疆，徐晓枫，黄维东. 地面小型无人侦察平台发展及关键技术探讨. 应用光学. 2019(06): 958-964 . 本站查看
其他类型引用(10)
计量
- 文章访问数: 938
- HTML全文浏览量: 231
- PDF下载量: 174
- 被引次数: 22
陕公网安备 61011302001501号 