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0引言
由于具有高比强度等金属材料无法比拟的优点，固体火箭发动机越来越多地使用复合材料。但是，复合材料具有工艺稳定性相对较差的缺点，使固体火箭发动机结构内部出现孔隙、夹杂等缺陷的机率要高于金属材料，而且这些缺陷在长期贮存、使用过程中有不断扩大的趋势，如果在生产与使用期间不加以监测与控制，可能会影响固体火箭发动机的可靠性和安全性，复合材料的优势也就难以充分发挥。目前，固体火箭发动机复合材料的监测主要采用CT扫描、X射线等无损检测方法。因为复合材料具有较强的能量衰减特性，所以无损检测装置比较庞大，一般只在研制、生产过程中使用，给使用方了解结构内部缺陷造成了很大困难。为了解决这一问题，世界各国都展开了相应的研究。经过多年的探索发现[1～8]，在复合材料结构内部埋入光纤传感器形成的智能复合材料理论上能够实现对其内部性能及损伤的实时、快速监测与评估，如NASA制造的用于监测材料应变与温度的树脂基光纤复合材料、加拿大多伦多大学和波音公司建立的世界上首架含有光纤的机翼前缘损伤评估系统原型。
光纤智能复合材料的出现为固体火箭发动机复合材料结构的缺陷和损伤实时监测开辟了新思路。与传统无损检测方式最大的不同是，它能够实现对结构的在线实时监测和控制，及时发现并确定结构内部的缺陷、损伤的位置及程度，并监视损伤区域的扩展，不仅有利于固体火箭发动机复合材料结构早期问题的发现，从而及时地采取补救措施，以降低次品率并提高产品质量，而且为结构的安全使用、维修提供了有效保证，以避免重大事故的发生，具有广阔的发展前景。
虽然如此，但离光纤传感网络在固体火箭发动机中实际应用尚有一定距离，将有一系列的问题等待解决。
本文将对光纤传感网络在固体火箭发动机复合材料结构中应用可能遇到的光纤传感器类型选取、大应变测量、光纤传感器与复合材料相容性、光纤传感器网络设计与集成、大规模光纤传感网络信号的快速处理等5个关键问题加以分析，提出初步的解决方案或建议。
1光纤传感器类型的选取
光纤传感器在固体火箭发动机中应用的首要问题是选择传感器的类型。固体火箭发动机复合材料结构的缺陷和损伤是随机的，只有通过分布式的光纤传感技术才能实现对随机缺陷和损伤的检测。目前，分布式光纤传感器可分为本征型和非本征型两类。
本征型光纤传感器集传光和传感于一身，利用光纤的一维连续性测量物理量，传感器中光的发、收在光纤传感器的同一端进行，使用方便。目前，已有分布式光纤温度传感器和应力传感器两种产品，但本征型分布式光纤传感技术尚不成熟，局部点的测量灵敏度更低，测量精度达不到监测要求。当前，固体火箭发动机完全采用本征型分布式光纤传感器不可取。非本征型中的光纤仅仅起传光作用，传感由专门的传感单元完成，也称为准分布式光纤传感器。它将呈一定空间分布、调制类型相同的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用，具有局部点测量精度高的特点。严格地讲，非本征型系统不能进行连续的时域或频域检测，但工程上有时并不需要这样，只要合理地布置传感器的位置，就能满足工程精度要求。因此，固体火箭发动机采用准分布式的光纤传感系统是比较可行的。
在准分布式光纤传感系统中，可用的光纤传感器有强度调制型、Fabre-Perot干涉型（EFPI）和光纤光栅传感器等3种类型，它们都是通过感知被测量的扰动引起光纤中某个光的特征参量的变化实现测量。强度调制型传感器结构和解调方式简单，但灵敏度不高；EFPI灵敏度高、传感器探头微型化，但只能测量被测量相对变化量。强度调制型和EFPI干涉型传感器都容易受环境影响，不能满足长期贮存使用的需要，且不易组成分布式的光纤测量系统。因此，光纤光栅传感器是目前应用最广泛的。
目前，对光纤光栅传感器的研究主要集中在光纤Bragg光栅（FBG）传感器上，它通过测量Bragg波长的漂移实现对被测量的检测。
FBG传感器具有确定的中心波长、选频特性好、反射率可变、发生谱宽调谐范围大、光能传输的附加损耗小、Bragg反射波长可受温度、应变等物理量调制等一系列特性，测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和测量仪器老化等因素的影响，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题，且能实现长期绝对测量，动态范围大、线性度好。特别值得一提的是，由于FBG传感器直接制作在光纤纤芯上，牢固耐用，传感头结构简单、体积小，尤其适合于埋入材料内部形成多路复用和分布式测量，在光纤上间隔地写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化。
据文献报道，FBG传感器已经能够检测应力/应变等数十种物理量[9～24]，并且制作工艺相对成熟，可形成小批量生产能力，给FBG传感器的工程应用奠定了重要基础。此外，针对以往FBG传感器光栅响应灵敏度低和存在交叉敏感等问题，已经有很多学者和研究机构提出了有效的解决方案，如南开大学采用聚合物封装技术将光栅的压力和温度灵敏度分别提高了31.5倍和7.7倍[25]，英国南安普敦大学光电研究中心提出了用双波长光纤Bragg光栅同时测量温度和应变的变化[26]。而且国外已经将准分布式FBG传感器阵列产品化，如加拿大的LxSix Photonics公司开发出在1根光纤上低成本地集成大量用于结构中应变和温度分布式测量的FBG传感器[27]。
由于FBG传感器具有上述一系列的优点和可借鉴的工程应用案例，使用基于FBG传感器的准分布式传感系统检测固体火箭发动机复合材料结构的缺陷和损伤是很有发展前途的。
2固体火箭发动机大应变的测量
根据传统的电阻应变片测试结果，复合材料固体火箭发动机在满载荷工况下，复合材料壳体的最大应变达到30 000μm左右，药柱及各粘接界面的应变更大，而一般的石英制FBG应变传感器最大应变测量范围仅为10 000~20 000μm。可见，如何使FBG传感器的测量范围满足复合材料固体火箭发动机的实际需求是光纤传感器实用化面临的又一个关键问题和重要瓶颈。针对这一问题，比较可行的方案有两种[28]：a）在现行常用的石英制FBG传感器基础上，设计引入辅助结构，增加应变测试范围；b）使用柔韧性高的新材料替代石英制作FBG传感器，直接增大传感器的测试范围。
在第1种方案中，比较可取的做法是在光纤周围设计一层具有应变传递作用的保护层，保护层的材料通常有均匀型和梯度型两种，从增加应变传递效率的角度考虑可使用梯度材料，其结构如图1所示。复合材料固体火箭发动机中的大应变经过保护层缩小后，传递到光纤传感器附近时就有可能在其测量范围以内，理论上是可以利用小量程的石英制FBG传感器测量固体火箭发动机复合材料的大应变的。
虽然利用带有梯度保护层的石英制FBG传感器测量大应变在原理上是可行的，但它能否真正得到应用还要看测量的是否准确。从图1可以看出，基体材料与FBG传感器之间相隔一种材料（梯度保护层）、两个界面（基体与保护层、保护层与光纤），在结构上，它们都是影响FBG传感器测量准确度的因素。为了测量准确，首先要保证两个界面始终粘接完好，否则应变就无法传递。为此，选取的梯度材料要与基体、光纤材料有较好的相容性，粘接剂要保证保护层与光纤、基体间有良好的粘接强度。其次要十分清楚梯度保护层的应变传递特性，这是因为光纤直接测得的是保护层与光纤附近的应变，复合材料基体的应变需要根据保护层的传递特性换算得到，所以确定合理的保护层厚度和建立准确的梯度保护层应变传递模型对提高测量精度有着十分重要的作用。
除了扩大测量范围以外，FBG传感器的保护层还能够减少由于埋入工艺操作导致裸光纤传感器的损伤和断裂，避免监测过程环境的干扰，特别是当光纤表面出现裂缝时，水汽渗入会使裂缝扩大，性能降低。实现光纤传感器与基体材料之间的平滑结合，可缓冲光纤和基体材料之间的应力，减小复合材料固体火箭发动机在制造、使用中环境的突然变化造成的影响。
在第2种方案中，依据当前的技术水平，聚合物光纤是比较理想的选择。国内外对聚合物光纤光栅传感器进行了大量的研究，得出的结论是：相对石英光纤，聚合物光纤具有质量轻、柔软、易加工、成本低、耦合效率高、耐辐射性能优异等优点，聚合物光纤的本征灵敏度比石英光纤高出几十倍。在利用聚合物光纤光栅传感器检测复合材料大应变的研究方面，澳大利亚新南威尔士大学的彭刚定等人通过实验测量的最大应变可达到3.61%，浙江大学和香港理工大学杨冬晓等人在聚合物光纤光栅传感器拉伸性能试验中测得的应变达到5.8%，香港城市大学的P.L.Chu等人在试验过程中检测应变也达到了4.84%。可见，采用聚合物光纤光栅传感器对复合材料进行大应变测量是可行的，对于解决固体火箭发动机复合材料大应变的测量问题有重要的启示。
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3光纤传感器阵列与复合材料结构的相容性
光纤植入复合材料结构中，不仅增加了复合材料制造的难度，而且增加了复合材料结构分析与设计的复杂性，同时它们之间还会产生相互影响。光纤埋入复合材料结构中两者的相互适应性如何，一直是人们关注的问题，也是光纤传感器在固体火箭发动机中实际应用的一个关键问题。
为了在不显著影响固体火箭发动机复合材料结构制造工艺过程的情况下将FBG传感器植入复合材料的结构中，形成有效的光纤光栅传感网络，必须充分考虑各种可能的影响，解决一系列复杂的相关问题，这也是光纤智能结构研究的难点之一，主要包括两个方面的问题：
a）分析埋入光纤传感网络对固体火箭发动机壳体原有（设计）结构强度的影响。
一般地，光纤的直径比增强纤维的直径大一个数量级，再加上材料性质的差异，植入光纤传感器后的复合材料结构局部容易产生应力集中[29]，可能对结构的强度产生影响。但从Measures、冷劲松和杨红[30～32]的实验与理论研究来看，在复合材料中埋置少量800μm直径以下的光纤不会对材料的强度造成显著影响。因此，在固体火箭发动机结构中使用的光纤传感器，只要直径比较小，对材料结构强度的影响是可以忽略的。
b）分析固体火箭发动机复合材料壳体的制造工艺对FBG传感器的传感特性和强度特性的影响。
复合材料结构在成型过程中需要在固化炉中经历多次高温高压循环过程，固化温度可达200℃以上，而光纤直径一般比增强纤维粗10倍左右，埋入的FBG传感器在基体中易产生树脂富余区，在传感探头和连接光纤中存在热应力及残余应力，直接影响FBG传感器的强度和光学特性，这些影响在Martin等人的研究中得到了证实。Martin等人对用热压处理技术集成的聚酰亚胺光纤金属涂层光纤测试时发现光信号分别衰减了84%和99.8%[33]。Yoji Okabe等人也发现非轴对称热残余应力导致CFRP层合板中FBG传感器的反射光谱分裂成两个谱峰[34]。
光纤传感器和环氧树脂复合材料集成的过程中还会遇到强度问题：当剥去包层将光纤集成到材料上时，无论用粘贴法还是埋入法均可能由于操作不慎导致光纤断裂，而保留原有的光纤包层将其集成到材料上时，虽然光纤可能没有断裂，但其敏感性会明显下降。Jardine等人在对15根聚丙烯涂层的单模光纤和12根聚酰亚胺涂层的单模光纤（直径90μm）用层压技术集成后，经测试发现15根聚丙烯涂层的光纤中有5根断裂，12根聚酰亚胺涂层的光纤中有1根断裂[35]。
若使用直径小的光纤传感器，光纤集成过程对复合材料结构力学性能的影响是次要的，而对于光纤传感器的传感性能和强度性能影响是光纤传感器在固体火箭发动机实用化中重点研究的问题，尤其是要设计合适的复合材料结构分布式光纤传感网络集成工艺。固体火箭发动机复合材料结构通常使用缠绕法制造，将FBG传感器网络集成在结构中的较为合适的作法是埋入法。由于使用涂层保护的光纤一般具有较好的力学性能，因此串接有FBG传感器的光纤只要在缠绕过程中采用手工方式或自动方式铺贴在叠层之间，两端留出一部分引出材料以便连接光源与光探测器，然后将铺设好光纤的复合材料缠绕结构送到固化炉热压固化，即可成型，不需要进行很复杂的处理，对缠绕工艺过程也没有很大的影响。
4光纤传感器网络及传感器布置的设计
在利用光纤传感网络检测对复合材料结构的缺陷和损伤时，光纤传感器的数量及其在结构内部的分布是一个十分重要的问题。一方面从提高检测精度和可靠性的角度出发，希望传感器的数量越多越好，这有利于信息的获取和损伤的识别，但是在固体火箭发动机复合材料结构中安装传感器的数量和位置是有一定限制的，在整个结构的所有自由度上安置传感器是不可能也是不现实的；另一方面，从节省成本和减小对结构性能影响的角度考虑，也希望在结构中采用尽可能少的传感器。因此，若传感器配置不合理，可能出现检测的盲区，导致缺陷和损伤的漏报，必须对光纤传感网络进行优化设计。
固体火箭发动机光纤传感网络设计首先要确定网络拓扑结构。由于固化埋入过程的工艺复杂性，光纤传感器在埋设工艺过程和服役过程中都可能失效，而在单根光纤上串联多个FBG传感器时，其中一个失效将导致这根光纤上串联的其他所有FBG传感器都失去传感功能，并且也不可能对其进行修复和更换。因此，FBG传感器网络拓扑结构的工作可靠性是应考虑的主要制约条件。
比较典型的网络拓扑结构有线性阵列、星形、梯形和环形等类型，通过对各种拓扑结构的可靠性分析发现，透射式星形网络结构可以形成并联系统，增加光信号的通路，在实际中应该优先采用。但对于固体火箭发动机复合材料壳体结构而言，光纤必须在连续缠绕成型过程中埋入层间，而目前的耦合器件和连接器件体积较大，还无法满足埋入复合材料缠绕壳体的要求，因此其特殊的工艺过程和薄壳结构决定了FBG传感器网络结构的可设计性较差。在这个制约条件下，考虑到单根光纤上需要集成多个FBG传感器以减少埋入连接光纤的数量，对星形网络进行改造，形成如图2所示的混合型网络结构，具体结构形式如图3所示。
光纤传感网络拓扑结构确定后，接下来的问题是优化布置传感器。较早研究传感器最优布置问题是在航天器的动态控制及系统识别领域，中国在桥梁健康监测领域也对传感器的最优布置展开了研究[36～37]。光纤传感网络优化设计时，可选择的准则有识别误差最小准则、可控可观度准则及模态应变能准则，需要考虑的约束条件有可靠性、鲁棒性、成本、工艺性和传感器的性能等。传感器测点位置的优化配置需要选用适当的优化方法，非线性规划法、序列法和推断算法等是较常用的解决组合问题的优化方法，但都容易陷入局部最优解，而模拟退火算法和遗传算法等基于概率的方法则不易陷入局部最优解，在应用中具有较好的效果。[page]
5大规模光纤传感信号的快速处理
为了达到对随机损伤和缺陷的检测，需要在固体火箭发动机复合材料结构中置入大规模的光纤传感网络，这就导致了传感网络输出信号的信息量极大，且与被测值之间呈非线性关系，计算与分析工作量很大，依据目前的计算与分析方法很难满足实时监控的需要。因此，必须研究一种针对固体火箭发动机大规模分布式传感信号的快速损伤识别方法。
目前，广泛应用的人工神经网络具有高度的并行性、容错性及自适应与自组织能力，提供了一种实时地、并行地处理分布式信号的可能途径。其优点在于：可模拟结构内部损伤与传感网络输出信号之间复杂的非线性映射关系，处理大范围的光纤传感信号，且处理信息量大、速度快、抗干扰能力强。所以，利用神经网络技术进行复合材料结构的损伤定位和评估，是目前的发展趋势。但目前常用的BP神经网络、Kohonen网络等，都存在着分析处理效率低，学习时间长、预测准确率较低的缺点，还有待深入研究。
利用神经网络对固体火箭发动机大规模分布式传感信号的快速损伤识别，可使用波长检定装置将FBG的传感信号转换为合适的输入数据，通过训练使光纤上的扰动参量及位置与神经网络的输出模式之间建立一一对应的某种非线性映射关系，从而使光纤阵列传感信号得到简单、直接的处理，对结构损伤进行定位、估计和预报。神经网络的固体火箭发动机复合材料光纤智能结构的状态监测系统如图4所示，基本流程如图5所示。
传感器工作在不同的载荷条件和环境条件下，所获取的信号可能也包含有各种噪声的干扰。因此，对传感信号进行适当的处理，对于损伤检测非常重要。传感信号处理的内容包括：数据预处理，特征提取与选择，模式识别，数据与信息的融合。对于大型传感器网络而言，还需要对传感器的类型、数量和分布位置进行优化，以及集成检验传感器是否失效的验证过程。
数据预处理包括数据的规则化、趋势分析、噪声去除以及异常值的剔除。特征提取与选择是传感器信号处理中最重要的部分，特征提取利用变换关系将传感信号数据样本转化为线性或非线性的矢量，找到能代表不同损伤状态的最好特征参数；特征选择将多个特征合并成一个新特征，或者选择一个特征的子集，获得基于模式识别的损伤辨识选取特定的特征，从而减少了特征空间的维数。模式识别的主要工作是区分出代表这些损伤情况的各种模式簇。数据与信息融合是对结构中除了光纤传感器网络之外的其它类型传感器信号利用模型进行有机的结合。
6结束语
光纤传感器为在线、实时、快速检测固体火箭发动机复合材料内部的缺陷和损伤开辟了一条崭新的途径，但要真正发挥光纤传感器的效益，使其实用化，必须要解决一系列的难题。结合当前的现状，本文提出的5个关键问题应该是首先要突破的，只有这样，才能为固体火箭发动机分布式光纤传感网络的进一步产品化奠定基础。
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