基于光开关和图论的多主体协作光纤传感网络自修复方法研究

作者:曾田;梁大开;曾捷;张晓丽;孟静 刊名:光学学报 上传者:张昕燕

【摘要】针对多主体协作健康监测系统中光纤传感网络链路故障,提出了一种基于光开关和图论的光纤传感网络自修复方法。研究采用图论相关理论表述含光开关光纤传感器网络链路的连通情况,据此研究了光纤传感网络出现链路故障时光开关的切换策略,实现对失效光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号的自修复。以航空铝板结构试验件为实验对象,针对光纤传感网络典型链路故障,对基于光开关和多主体协作的光纤传感网络自修复效果进行了对比实验。实验结果表明:在光开关和主体协作下,识别精度较没有修复时识别精度提高10.02mm,仅比网络结构完好时识别精度降低3.61mm,有效提高了载荷识别精度以及光纤传感网络的可靠性。

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2信阳师范学院物理电子工程学院,河南信阳()4640001引言光纤布拉格光栅(FBG)传感器由于体积小、重量轻、耐腐蚀、复用性好、抗电磁干扰能力强等优点,在结构健康监测中得到广泛应用[1-3]。随着监测结构如航空航天器、桥梁隧道等结构形式、功能设计及智能化控制日趋复杂化和多样化,加上服役环境中所受损伤隐蔽性强,失效机理复杂,损伤类型和程度难以判断,导致结构健康监测系统所需的FBG传感器数量急剧增加,将其组网所构成的准分布式光纤传感网络规模也变得日益庞大。如美国波音公司在波音787的机翼蒙皮上布置了数百根FBG传感器,对机翼疲劳、受力分布以及结构损伤进行实时监测[4]。为了有效地协调和管理结构中的光纤传感网络,将人工智能领域的多主体协作技术应用到结构健康监测中[5],建立多主体协作光纤智能监测系统对结构进行相应的健康监测。在准分布式光纤传感网络实际测量中,普遍采用波分复用(WDM)技术[6]。随着网络规模的日益庞大,基于WDM技术的光纤传感网络从点对点网络,到环形网,再到网状网型的方向发展,网络拓扑结构变得更加复杂和灵活化。由于光纤传感网络多埋置或粘贴在被测结构中,对于高温高压、性能蜕化时可能出现的网络故障[7],如要更换日趋庞大和复杂的光纤传感网络,势必会造成较大的经济损失。研究在不更换光纤传感网络情况下如何实现对传感信号的有效提取,达到网络的自修复目的,对于结构健康监测具有重要意义。国内外多个研究小组已开展相关研究工作。2010年,韩国全北国立大学的Peng等[8]提出了一种高可靠性和扩展性的FBG传感器多层网络拓扑结构,从理论上分析了传感子网中出现一个或多个传输节点失效时整个网络的自修复。2011年,Yeh等[9]提出了一种基于三角形星形拓扑结构的高可靠性光纤传感网络,当网络中某个或某些光纤失效时,通过切换环形子网中的光开关重新寻找解调路径,实现整个网络的自修复。上述研究仅通过光开关从硬件角度分析了网络的自修复性,并没有从软件角度对其失效传感器进行进一步的修复。在国内,本课题组长期致力于光纤传感网络可靠性的研究,前期工作已通过引入光开关设计了具有更高可靠性的传感器网络拓扑结构,并对网络可靠性进行了理论分析[10]。但该研究没有进一步设计组网更为灵活的自修复光纤传感网络,将其与图论相结合,并对网络自修复性进行相关实验验证。基于此,本文以航空铝板结构试验件作为研究对象,结合多主体协作技术建立了光纤智能监测系统,针对多主体协作系统中大型传感器网络可能出现的不可靠性,提出了基于光开关的网状网型光纤传感网络,通过图论的方法规划光开关切换,对失效FBG传感信号的自修复性能进行研究。对于无法通过光开关切换技术实现失效传感器信号修复的情况,通过软件修复的方法研究了光开关和主体协作对航空铝板结构静态载荷的识别,以此来评估光纤传感网络的自修复性能。2多主体协作光纤传感器网络自修复原理2.1基于多主体协作光纤智能监测系统针对大型复杂结构的健康监测需求,以航空铝板结构试验件为监测对象,构建如图1所示的多主体协作光纤智能监测系统。该多主体协作光纤智能监测系统主要包括传感层和数据处理层以及人机显示界面三部分。其中传感层由N个光纤传感主体组构成,传感主体中根据监测对象的参量属性、承载特性,优化布置FBG传感器,构成光纤传感网络,感知结构的状态信息。数据处理层包括传感性能自诊断/自修复主体、智能评估主体、系统协作主体。传感性能自诊断/自修复主体中根据FBG传感器的性能退化规律、失效机理以及损伤对传感信号的衰变模型,检测网络是否出现链路故障以及确定链路故障的位置。若出现链路故

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