一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，包括荧光光纤感知单元、光电处理单元、损伤定位处理单元。涂覆有压致变色聚集诱导发光材料的荧光光纤排布于被测目标形成荧光光纤感知单元；被测目标受到外部冲击或撞击后，荧光光纤的分子能级水平和发光光谱发生变化，产生压致发光；荧光光纤产生的光信号被光电处理单元接收，光电处理单元将接收到的光信号转换为电信号，进行处理，获得荧光衰落时间，并输出给损伤定位处理单元；损伤定位处理单元通过到达同一编码荧光光纤两端光电处理单元两端的时间差，及正交荧光光纤交点唯一的特性获得损伤位置的坐标。本发明实现撞击损伤定位实时监测，采用无光源激励体制，简化了系统结构。
1.一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，其特征在于，包括：荧光光纤感知单元(1)、光电处理单元(2)、损伤定位处理单元(3)；荧光光纤感知单元(1)排布于被测目标表面并进行固定；荧光光纤感知单元(1)敏感到被测目标所受到的外部施加的力，产生压致光信号，并将压致光信号传输至光电处理单元(2)；光电处理单元(2)对压致光信号进行处理，获得荧光衰落时间，并输出至损伤定位处理单元(3)；损伤定位处理单元(3)根据压致光信号到达同一编码荧光光纤(101)两端光电处理单元(2)的时间差获得损伤位置的坐标；所述光电处理单元(2)包括光电处理器(201)，每根荧光光纤(101)两端分别连接一个光电处理器(201)；光电处理器(201)包括：光电转换模块、放大器、A/D转换模块、DSP芯片；光电转换模块将接收到的压致荧光信号转换成电信号，发送至放大器；放大器对接收到的电信号进行放大，并传输至A/D转换模块；A/D转换模块将电信号转换为数字信号后，传输给DSP芯片；
DSP芯片首先对数字信号进行快速傅里叶变换，选择得出频谱的谱项，并得到对应频谱谱项的幅角或幅角的正切值，再根据谱项的幅角或幅角的正切值计算压致光信号的衰减曲线对应的荧光衰落时间，根据荧光衰落时间判断该路荧光光纤(101)是否受力或损伤断裂。
2.根据权利要求1所述的一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，其特征在于，所述荧光光纤感知单元(1)包括横向k根荧光光纤(101)、纵向m根荧光光纤(101)，荧光光纤(101)纵横正交形成光纤网格，每一根纵向或横向荧光光纤均编有固定的编码，荧光光纤(101)涂覆有压致变色聚集诱导发光材料，其中，k为正整数，m为正整数。
3.根据权利要求1所述的一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，其特征在于，所述损伤定位处理单元(3)根据压致发光信号到达位于同一根纵向荧光光纤(101)两端的时间差，获得对应纵向的荧光光纤(101)的受力位置到纵向的荧光光纤(101)基准端的长度l1，并根据压致发光信号到达位于同一根横向的荧光光纤(101)两端的时间差，获得对应横向的荧光光纤(101)的受力位置到横向的荧光光纤(101)基准端的长度l2，其中，设定纵向的荧光光纤(101)两端中任意一端为纵向的荧光光纤(101)基准端，设定横向的荧光光纤(101)两端中任意一端为横向的荧光光纤(101)基准端；根据荧光光纤感知单元(1)光纤网格的各交点与被测目标表面位置的一一对应关系，确定被测目标损伤位置。
4.根据权利要求3所述的一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，其特征在于，所述纵向的荧光光纤(101)的受力位置到纵向的荧光光纤(101)基准端的长度l1的计算公式如下：
其中，L1为排布在被测目标的纵向的荧光光纤(101)的长度，Δt1为压致发光信号到达纵向的荧光光纤(101)另一端和到达纵向的荧光光纤(101)基准端的时间差值，c为光在真空中的传播速度，n为传感光纤纤芯的折射率。
5.根据权利要求4所述的一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，其特征在于，所述横向的荧光光纤(101)的受力位置到横向的荧光光纤(101)基准端的长度l2的计算公式如下：
其中，L2为排布在被测目标的横向的荧光光纤(101)的长度，Δt2为压致发光信号到达横向的荧光光纤(101)另一端和到达横向的荧光光纤(101)基准端的时间差值。
一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统
技术领域
[0001] 本发明属于测量技术领域，涉及一种损伤定位系统。
背景技术
[0002] 随着信息技术的发展和新军事变革的兴起，武器装备的作战效能倍受世界各国重视。武器装备试验训练的目的是鉴定和评估武器系统的作战效能，精度和毁伤效果的定量评估，有赖于获取的撞击信息。
[0003] 长期以来，飞行器试验效果评估，主要采用光学成像、光电跟踪、雷达跟踪等技术手段实施脱靶测量。上述脱靶测量方法只能做出是否拦截成功的定性判断，无法实时获取损伤位置、损伤面积与过程等信息，难以定量评估撞击损伤效果。
[0004] 由于飞行器在遭受撞击时距离地面遥测站较远，且撞击作用时间极短，采用遥测手段无法观测和确定撞击损伤位置及效果，只能借助于飞行器自身携带的损伤探测系统。目前撞击损伤探测系统多应用于空间碎片撞击在轨感知领域，进行撞击位置测量及毁伤效果评估，较为成熟的技术措施如电磁波发射技术、声发射技术、电阻薄膜检测技术、聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜就是、电容传感检测技术等，均基于电类传感器搭建撞击损伤探测系统。由于毁灭性撞击作用时间极短，导致飞行器及撞击损伤探测系统生存时间极短，为了及时采集撞击位置信息，要求传感器响应频率在10MHz以上，这对电类传感器是一个巨大挑战，此外，撞击过程会产生强烈的电磁干扰，极易导致电类传感器失效。因此，采用电类传感器很难实现飞行器在毁灭性撞击时损伤探测。
[0005] 由于光纤具有体积小、质量轻、强度高、弯曲性好、柔韧性好、不受电磁波干扰、不需外加电源、耐腐蚀、易于埋入结构体、建立网格监控、成本低等优点，所以其传感器应用领域相当广泛，已有研究人员将其应用于飞行器撞击损伤探测系统。
[0006] 现有技术中的定位传感器普遍存在成本高、解析速度慢、无法达到低功耗的测量要求，主要针对毁灭性或非毁灭性撞击单一工况的损伤探测，无法二者兼顾。
发明内容
[0007] 本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，利用特殊涂覆的荧光光纤压致发光特性，适应外力撞击条件下的撞击位置测量需求(毁坏性和非毁坏性)；实现撞击损伤动态过程实时监测；采用无光源激励体制，简化了系统结构，降低了系统成本和功耗。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，包括：荧光光纤感知单元、光电处理单元、损伤定位处理单元；荧光光纤感知单元排布于被测目标表面并进行固定；荧光光纤感知单元敏感到被测目标所受到的外部施加的力，产生压致光信号，并将压致光信号传输至光电处理单元；光电处理单元对压致光信号进行处理，获得荧光衰落时间，并输出至损伤定位处理单元；损伤定位处理单元根据压致光信号到达同一编码荧光光纤两端光电处理单元的时间差获得损伤位置的坐标。
[0009] 所述荧光光纤感知单元包括横向k根荧光光纤、纵向m根荧光光纤，荧光光纤纵横正交形成光纤网格，每一根纵向或横向荧光光纤均编有固定的编码，荧光光纤涂覆有压致变色聚集诱导发光材料，其中，k为正整数，m为正整数。
[0010] 所述光电处理单元包括光电处理器，每根荧光光纤两端分别连接一个光电处理器；光电处理器包括：光电转换模块、放大器、A/D转换模块、DSP芯片；光电转换模块将接收到的压致荧光信号转换成电信号，发送至放大器；放大器对接收到的电信号进行放大，并传输至A/D转换模块；A/D转换模块将电信号转换为数字信号后，传输给DSP芯片；DSP芯片首先对数字信号进行快速傅里叶变换，选择得出频谱的谱项，并得到对应频谱谱项的幅角或幅角的正切值，再根据谱项的幅角或幅角的正切值计算压致光信号的衰减曲线对应的荧光衰落时间，根据荧光衰落时间判断该路荧光光纤是否受力或损伤断裂。
[0011] 所述损伤定位处理单元根据压致发光信号到达位于同一根纵向荧光光纤两端的时间差，获得对应纵向的荧光光纤的受力位置到纵向的荧光光纤基准端的长度l1，并根据压致发光信号到达位于同一根横向的荧光光纤两端的时间差，获得对应横向的荧光光纤的受力位置到横向的荧光光纤基准端的长度l2，其中，设定纵向的荧光光纤两端中任意一端为纵向的荧光光纤基准端，设定横向的荧光光纤两端中任意一端为横向的荧光光纤基准端；根据荧光光纤感知单元光纤网格的各交点与被测目标表面位置的一一对应关系，确定被测目标损伤位置。
[0012] 所述纵向的荧光光纤的受力位置到纵向的荧光光纤基准端的长度l1的计算公式如下：
[0013] 其中，L1为排布在被测目标的纵向的荧光光纤的长度，Δt1为压致发光信号到达纵向的荧光光纤另一端和到达纵向的荧光光纤基准端的时间差值，c为光在真空中的传播速度，n为传感光纤纤芯的折射率。
[0014] 所述横向的荧光光纤的受力位置到横向的荧光光纤基准端的长度l2的计算公式如下：
[0015] 其中，L2为排布在被测目标的横向的荧光光纤的长度，Δt2为压致发光信号到达横向的荧光光纤另一端和到达横向的荧光光纤基准端的时间差值。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)本发明系统与现有技术相比，基于涂覆有压致变色聚集诱导发光材料的荧光光纤探测实现对飞行器的高速撞击部位的毁坏性和非毁坏性测量，且在非毁坏性撞击条件下可实现多次重复测量。
[0018] (2)本发明系统与现有技术相比，通过探测光信号到达同一编码荧光光纤两端光电处理单元正反两个方向的时间差，及正交荧光光纤交点唯一的特性获得损伤位置的坐标。
[0019] (3)本发明系统与现有技术相比，通过对外力撞击压致发光产生的荧光分析，获得荧光衰落时间，实现被测目标的损伤位置定位。
[0020] (4)本发明系统与现有技术相比，采用无光源激励体制，缩减传统光学系统中光源、耦合器等光学器件的使用，简化了系统结构，降低了系统成本和功耗。
附图说明
[0021] 图1是本发明中一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统的结构示意图；
[0022] 图2是本发明光电处理器组成框图；
[0023] 图3是本发明一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统流程图。
具体实施方式
[0024] 本发明针对飞行器撞击位置测量需求提出了一种荧光光纤正反向探测的损伤定位系统，实现飞行器撞击损伤动态过程实时监测，并适用于外力撞击条件下的毁坏性和非毁坏性撞击位置测量需求，与现有的撞击位置测量技术相比，有效的实现了撞击损伤动态过程实时监测，简化了系统结构，降低了系统成本和功耗，且在非毁坏性撞击条件下可实现多次重复测量。如图1、图3所示，本系统包括：荧光光纤感知单元1、光电处理单元2、损伤定位处理单元3。
[0025] 被测目标受到外部冲击或撞击后，荧光光纤感知单元1敏感到冲击或撞击产生的压力，涂覆有压致变色聚集诱导发光材料的荧光光纤101产生压致发光，荧光光纤感知单元1产生的压致发光信号传输至光电处理单元2；光电处理单元2接收到光信号，进行光电转换、放大、模/数转换等处理，光电处理单元2中的DSP芯片对处理后的数字信号进行傅里叶变换，获取压致发光信号的荧光衰落时间，光电处理单元2将荧光衰落时间输出至损伤定位处理单元3；损伤定位处理单元3接收到荧光衰落时间，并通过压致光信号到达同一编码荧光光纤两端光电处理单元2的正反向时间差(压致光信号到达同一编码荧光光纤两端光电处理单元2的正反向时间差是根据荧光衰落时间获得的，具体为：到达同一根荧光光纤101另一端和基准端的荧光衰落时间差值)，及正交荧光光纤交点唯一的特性获得损伤位置的坐标。荧光光纤感知单元1，排布于被测目标并固定，由横向k根荧光光纤101和纵向m根荧光光纤101纵横正交组成，包括k×m个光纤交点4，呈网格形布局，每一根纵向或横向荧光光纤均编有固定的编码，根据纵向和横向荧光光纤受外力压力的相交位置实现撞击损伤的定位。荧光光纤101涂覆有压致变色聚集诱导发光材料，该材料的结晶结构在外力作用下发生改变，致使其分子能级水平和发光光谱发生变化，荧光光纤101产生压致发光现象。荧光光纤感知单元1，接受外界撞击，对撞击外力进行敏感，荧光光纤101产生压致发光，并将光信号传输至光电处理单元2。其中，k为正整数，m为正整数。
[0026] 光电处理单元2由2(k+m)个光电处理器201组成，每根荧光光纤101两端分别连接一路光电处理器201；如图2所示，每一路光电处理器201均包括：基于PIN二极管或雪崩二极管的光电转换模块、放大器、模数(A/D)转换模块、DSP芯片；光电转换模块接收撞击压致荧光信号，并将其转换成电信号，输出至放大器；放大器接收光电转换后的电信号，将其放大，并传输至模数(A/D)转换模块；模数(A/D)转换模块接收放大后的电信号，并将其转换为数字信号，传输给DSP芯片进行计算；DSP芯片接收转换后的数字信号，首先对其进行快速傅里叶变换(FFT)，选择得出频谱的谱项，计算得到谱项的幅角或幅角的正切值，再根据谱项的幅角或幅角的正切值计算该衰减曲线对应荧光衰落时间，以此判断该路荧光光纤101是否受力或损伤断裂，并将荧光衰落时间传输至损伤定位处理单元3。
[0027] 设定纵向的荧光光纤101两端中任意一端为纵向的荧光光纤101基准端，设定横向的荧光光纤101两端中任意一端为横向的荧光光纤101基准端：损伤定位处理单元3，接收光电处理单元2输出的荧光衰落时间，根据压致发光信号到达位于同一根纵向荧光光纤101两端的时间差，获得对应纵向的荧光光纤101的受力位置到纵向的荧光光纤101基准端的长度l1，并根据压致发光信号到达位于同一根横向的荧光光纤101两端的时间差，获得对应横向的荧光光纤101的受力位置到横向的荧光光纤101基准端的长度l2，根据荧光光纤感知单元1光纤网格的各交点与被测目标表面位置的一一对应关系，确定被测目标损伤位置。
[0028] 纵向的荧光光纤101的受力位置到纵向的荧光光纤101基准端的长度l1的计算公式如下：
[0029] 其中，L1为排布在被测目标的纵向的荧光光纤101的长度，Δt1为压致发光信号到达纵向的荧光光纤101另一端和到达纵向的荧光光纤101基准端的时间差值，c为光在真空中的传播速度，n为传感光纤纤芯的折射率。
[0030] 横向的荧光光纤101的受力位置到横向的荧光光纤101基准端的长度l2的计算公式如下：
[0031] 其中，L2为排布在被测目标的横向的荧光光纤101的长度，Δt2为压致发光信号到达横向的荧光光纤101另一端和到达横向的荧光光纤101基准端的时间差值。
[0032] 以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0033] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
