引　言

起落架是飞机的重要承力部件，是起飞和着陆过程中的重要受载结构，具有吸收撞击能量、减缓冲击载荷的作用，会直接影响飞机的安全。飞机在起飞和降落阶段面临不同的复杂环境，例如高低温环境、侧风环境、湿滑跑道，这都会影响起落架结构健康监测^[1]。而不同的飞机类型，面对的难点也不同，例如在舰载机起飞时产生的弹射突伸和离舰突伸现象，拦阻着陆状态下远大于路基飞机的下沉速度，都意味着起落架会承受更大的冲击载荷^[2]。

目前，结构健康监测是国内外研究的热点，而起落架又是这一领域的重要研究对象。飞机载荷监测主要通过电阻应变片的应变测量法，但该方法存在信噪比低、抗电磁干扰能力弱等缺点，极大地影响了应变片在载荷测量中的应用。光纤光栅传感器以光纤为介质集信息传感与传输为一体，具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高等特点，能够对不同环境下温度、应变、振动等物理量进行实时监测，是一种新型的传感器件^[3-5]。光纤光栅对温度和应变的变化响应，发生反射波长漂移的机制，特别适用于航空航天领域的结构监测^[6]。国内，传感器凭借其独特的优势已经应用在船舶健康监测中^[7]，国外已经将光纤传感技术运用到航空领域中。Wada等^[8]开发了基于光纤频域反射法的光纤分布式传感系统，成功用于中型客机的飞行实测，获得了客机起飞、降落和滑行阶段的结构应变响应。Park等^[9]介绍了一种使用光纤传感器进行多点测量的军事飞机载荷监测系统，该系统不仅可以估计飞机上工作的结构静态载荷等飞机参数，还可以测量传感器对载荷的结构响应，并通过飞行试验进行评估。Iadicicco等^[10]将光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器集成在复合材料的不同位置进行实验测试，实验结果证明了FBG传感技术在飞机起落架的实时载荷监测测量中具有重大潜力。国内外已有科研人员将光纤光栅传感器用于飞机关键结构载荷测量，但是结合复杂环境对起落架载荷性能测试进行分析的研究较少。

本文以某大型飞机为研究对象，面向航空环境，对已有的光纤光栅解调系统进行优化，采用FBG传感器对起落架进行载荷监测，重点解决宽温环境下的适应性以及高精度解调的难题，实现了在复杂环境下对飞机起落架进行实时监测的目的。

1 光纤传感原理

FBG传感器是一种典型的波长调制型传感器，结构原理如图1所示。当入射光到达栅区后，符合特定波长的光反射，不符合的光透射，该特定波长称为布拉格光纤光栅中心波长$ {\text{λ}}_{\mathrm{B}} $^[11]。

光栅中心波长的表达式为^[12]

$ {\lambda _{\rm{B}}} = 2{n_{{\rm{eff}}}}\varLambda $

(1)

式中: $ {n}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}} $为纤芯的有效折射率；$\varLambda $为光栅周期。由式（1）可知，中心波长受光栅有效折射率和周期的影响，温度和应变是能显著改变中心波长的物理量。因此，在应变和温度影响下，光纤光栅的中心波长可表示为^[13]

$ \dfrac{{\Delta {\lambda _{\rm{B}}}}}{{{\lambda _{\rm{B}}}}} = \left( {1 - {P_{\rm{e}}}} \right)\Delta \varepsilon + \left( {\alpha + \xi } \right)\Delta T $

(2)

式中:$\text{Δ}{\text{λ}}_{\mathrm{B}}$是反射光中心波长的漂移量；$ \mathrm{\Delta }\varepsilon $为光纤光栅轴向应变变化量；$ \mathrm{\Delta }T $为温度变化量；$ {P}_{{\rm{e}}} $为有效弹光系数；$ \alpha 、\xi $分别为热膨胀系数和热光系数。由式（2）可知, 当外界应变和温度发生变化时FBG中心波长会发生漂移^[14]。目前，FBG传感器被广泛地应用于各种领域，为了研究在宽温环境下的应用需求，本文在已有光纤光栅解调系统上进行优化并用于飞机载荷监测。

2 飞机起落架载荷测试系统 2.1 系统硬件设计

应用于航空航天环境下的解调系统在传感测量方面需要对设备的环境温度、轨道环境等进行多点测量。飞机起落架在飞行过程中会涉及高低温环境、侧风环境、湿滑跑道等复杂环境情况。因此在系统设计过程中，要充分考虑宽温环境以及多路信号采集。综合分析解调系统在航空环境下的运行时长，以及综合解调系统的温控需求和精度要求，确定采用STM32H743高性能处理器作为主控芯片。基于STM32的光纤光栅解调系统设计原理如图2所示，该系统包括MG-Y可调谐激光器、五路高精度恒流源、半导体制冷器控制芯片、对数放大器、16路PD以及供电系统。

STM32H743芯片具有多路16位模拟–数字转换（ADC）模块，6路SPI功能和4路串口通信及其他外设。光源控制系统采用调制光栅Y分支激光器（Modulated grating Y-branch，MG-Y），包括5路恒流源输入，2路温度控制输入，1个高精度反馈电阻输出和2路电流反馈输出，最大典型值为20 mW。激光器由MCU发出数字指令，通过DA芯片将其转换为模拟信号。恒流源中加入运算放大器，将电流放大2倍，驱动激光器发射不同波长的光信号。

针对起落架的复杂温度环境，为使系统能够实时监测到电路温度，在板间设计有温度传感器实时监测环境温度。传感器具有4条远程通道和1条本地通道，分辨率可达0.0625 ℃，精度可达±0.75 ℃，放置在不同位置。为实现激光器的稳定精准控制，本文在系统中增加了TEC控制器ADN8834，用于设置和稳定激光器内部TEC的温度，如图3所示。控制器通过调整IN2P管脚上的R4、R5、R6三个分压电阻，设置TEC制热/制冷状态下最大工作电压为2.5 V，电流为0.75 A。IN2P输入阶跃函数并通过施加电压进行温度设置，能够有效改变目标温度并调整补偿网络以缩短TEC温度的稳定时间。在实际应用中，光路、光源等因素的影响，可能会导致产生的信号比较微弱。因此，在光电转换电路中加入ADL5303作为信号放大器，如图4所示。设计中将VOUT的输出斜率增加到25 mV/dB，VLOG引脚电阻调整为5 kΩ，C_FILT电容设置为10 nF，形成低通滤波器，能降低电流信号传输过程的噪声影响。VLOG信号需要进行多次转换，为了提高缓冲器的增益，将斜率提高为500 mV/dec，需要在VLOG和反相输入BFNG引脚之间分别加入R_A（15 kΩ）、R_B（10 kΩ）电阻构成反馈衰减器，并且将截距限制在100 pA以上。通过这种设计方案，极大地提高了传感器的测量精度，能够充分满足测量环境和测量精度需求。

2.2 软件设计方法

为保证解调仪ARM硬件系统的正常工作，实现解调仪高分辨率、高精度、高速度、稳定性好的功能特性，我们对底层软件进行了相关设计研究。系统硬件中采用的是ARM芯片STM32H743，搭配德国Keil公司的RealView MDK软件开发工具对解调仪的底层硬件进行驱动开发。系统控制程序基于嵌入式C语言进行编程，参考硬件电路设计，根据芯片手册以及系统需求，采用模块化思想完成程序设计。

可调谐激光器是电流调谐类器件，激光器五路电流源需要设置上限，防止电流过大损坏激光器。为了快速且准确地得到激光器的查找表，整个波长范围是40 nm，设置扫描间隔为20 pm，因此共有2 001个扫描点。将对应的2 001组激光器电流组合存储在程序中。程序主要包括MPU模块、定时器模块、ADC、DAC、延时模块、串口模块以及TCP/IP协议模块。在程序中，将外设模块进行初始化。激光器通过DAC进行驱动控制，流程如图5所示，首先对DAC进行初始化，对通道1、2进行配置，然后使能DAC时钟，配置引脚为模拟输出，不带上下拉。DA芯片采用14位数据传输，将电流值转化为数字信号依次发送，最终驱动激光器工作输出不同波长。

2.3 解调算法设计

为得到传感器的中心波长，一般使用寻峰算法对频谱信息进行解调。寻峰算法分为直接寻峰和间接寻峰两种：直接寻峰有质心探测法、半峰检测法；间接寻峰包括一般多项式拟合法、高斯–多项式拟合法和高斯拟合法。可调谐激光器波长输出较稳定，能采集到完整光谱，由于嵌入式系统存储器大小及指令复杂程度，选用阈值补偿质心法进行解调。

FBG传感原理是测量反射光谱并跟踪峰值位置，大多数算法使用恒定数量的样本（像素）进行峰值计算。质心法的原理是把采集到的波形曲线分峰截幅后作为质量非均匀的曲线段，波形曲线采样点每个点的横坐标值相当于质点系各质点的位矢，纵坐标值相当于各点的质量^[15]。质心法应用于峰值提取，又称为功率加权法，实质是以反射谱的光功率为加权系数计算波长的加权平均值，进而得到反射谱光功率在波长方向上的中心位置，以此作为FBG反射谱的峰值波长^[16]。FBG光谱响应下方的区域用n个矩形近似，每个矩形由一个采样点的振幅和两个采样点之间的波长间隔定义，是以非均匀波长间隔取样的光谱，则第i个样品下的面积定义为

$ {A_i} = \dfrac{{{\lambda _{i + 1}} - {\lambda _{i - 1}}}}{2} \cdot {I_i} $

(3)

式中I_i是第i个样本的振幅。对于从光谱仪获得的均匀间隔光谱，波长差可简化为λ_i+1−λ_i−1=λ_eq等式。λ_i的中心波长可通过图形计算获得，即

$ {\lambda _i} = \dfrac{{{\lambda _{i - 1}} + 2{\lambda _i} + {\lambda _{i + 1}}}}{4} $

(4)

质心法公式为

$ {\lambda _{\rm{C}}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{\lambda _i}{I_i}} }}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{I_i}} }} $

(5)

为了减少噪声干扰，使用质心探测法时，需要设定一个用于减小噪声的固定阈值P_th，算法表达式为

$ {\lambda _{\rm{C}}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{\lambda _i}\left( {{P_{{i}}} - {P_{{\rm{th}}}}} \right)} }}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{P_i} - {P_{{\rm{th}}}}} \right)} }} $

(6)

在实际解调过程中，最大的点存在不确定性时，这种方法的解调结果就会产生较大误差。无论何种方法决定的阈值选择结果都无法保证数据的对称性，即阈值线上没有数据点或者只有一个数据点。针对此种情况，可以利用阈值线下的点与线上的点进行线性拟合，在阈值处补齐一个点，以保证截取数据图形的对称性，如图6所示。算法一般经过5个步骤完成：设置阈值，筛选大于阈值的点，判断峰的个数，插值计算A、B点坐标，计算波长。伪代码如下。

Algorithm 解调算法
input：$ {\rm{num}}\left[ {{X_i},{P_i}} \right] $
设置阈值：${P_{{\rm{th}}}}$
for $i = 1, \;\cdots ,\;{\rm{length}}\left[ {{X_i}} \right]$
if ${P_i}$> ${P_{{\rm{th}}}}$ then
${\rm{temp}}1[]$ ← ${P_i}$
end if
end for
取$A$点相邻$A'\left( {{x_1},{p_1}} \right),B'\left( {{x_2},{p_2}} \right)$，取$B$点相邻$A''( {x_3}, {p_3} )$, $B''\left( {{x_4},{p_4}} \right)$，
$ {\rm{add}}\_p\_x\_A = \left( {{P_{{\rm{th}}}} - {p_1}} \right)/\left[ {\left( {{p_1} - {p_2}} \right)/\left( {{x_1} - {x_2}} \right)} \right] + {x_1} $
$ {\rm{add}}\_p\_x\_B = \left( {{P_{{\rm{th}}}} - {p_3}} \right)/\left[ {\left( {{p_3} - {p_4}} \right)/\left( {{x_3} - {x_4}} \right)} \right] + {x_3} $
将所有大于${P_{{\rm{th}}}}$的点整合到一起${P_i}$
for $i = 1, \;\cdots\;,{\rm{ length}}\left[ {{\rm{temp}}} \right]/2$
根据公式$ {\lambda _{\rm{C}}} = \dfrac{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{\lambda _i}\left( {{P_{{i}}} - {P_{{\rm{th}}}}} \right)} }}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{P_i} - {P_{{\rm{th}}}}} \right)} }} $计算得到$\lambda_ {\rm{C}}$
end for
Output $\lambda _{\rm{C} }$

3 实验结果与分析 3.1 测试系统搭建

为研究解调仪在复杂宽温环境下的适应性以及起落架载荷监测应用，搭建了本文设计的解调系统，测试系统如图7所示，由计算机（PC）、解调系统、ETALON-S/N904902（珠海奥普光电科技有限公司）型号标准具等组成。测试时通过PC机LabVIEW平台向解调系统下发控制参数，驱动激光器输出波长，实时采集波长并将光谱数据通过网口发送给PC机进行解调。

3.2 F-P标准具标定实验及分析

F-P标准具能输出一系列固定波长的波峰，受温度影响较小，不仅可以用于校准解调仪，还可验证解调性能。选用F-P标准具接入解调系统进行校正实验。解调仪通过连续扫描光源得到了1 527～1 567 nm范围内波长分辨率在20 pm间隔的光强值，采集的光谱数据如图8所示。

采用标准具对解调系统进行测试，选取1540～1550 nm波长范围内的光谱数据进行分析，光谱图如图9所示。

从图9可以看出，在1540～1 550 nm波长范围中，共有12个波峰。在第6个和12个波谷中，可以明显看到出现了两个小的波峰，是电路中的噪声所产生的。在解调过程中，通过设置阈值的方式，截取光强值为12000以上的数据进行解调以此来减小误差。标准具解调结果如表1所示，标准具标称值与解调结果进行比较，经计算最大误差为9.12 pm，最小误差为0.54 pm。解调结果标准差为2.7 pm，结果表明解调仪解调准确。

3.3 温度循环实验

为了测试解调仪在宽温环境下的稳定性，需验证解调系统在不同温度下的解调性能。将解调系统放入高低温试验箱（GDW-100）中进行温度循环实验，测试稳定性，测试系统如图10所示。

设置温箱起始温度为25 ℃，温度变化为先上升再下降，最高为70 ℃，最低为−45 ℃。在实验过程中，对激光器内部温度进行实时监测并采集数据，内部温度变化如图11所示。监测结果表明当环境温度在−45～70 ℃范围内变化时，激光器内部温度始终保持在25 ℃左右，最大温差为±0.2 ℃，解调系统具有良好的温度适应性。

在温度变化过程中，选取25 ℃下中心波长为1535.140 nm的峰值进行分析，如图12所示。温箱温度变化过程中，中心波长发生漂移，随着温度升高而增大，温度降低而减小。对其进行拟合处理，斜率为7.5，截距为1535.13 nm，R²为0.9748，表明中心波长与环境温度呈线性关系。但是，从图中可以看出温度变化过程中有明显的分段趋势，不同温度范围段之间有跳跃现象。实际应用中，低精度测量可以采用全温度范围进行直接测量，高精度测量中通过对不同温度范围段进行单独补偿进而提高测量精度。为进一步探究解调系统在恒定温度下的解调精度，在55 ℃下对1530～1535 nm波长范围内光谱数据采集490次并进行解调，结果如图13所示。结果共有14个中心波长，经计算同一温度下中心波长的标准差最大仅为0.16 pm。

温度循环实验中选取1540～1 550 nm波长范围段，分别采集以5 ℃为分度值的不同温度下的光谱数据。解调每个温度下峰值所对应的中心波长，对其标准差进行分析。实验结果表明，在此波长范围段中共有24个中心波长，经计算每个中心波长在不同温度下的解调标准差小于28 pm，如图14所示。该实验证明了光纤光栅解调系统在不同温度下的适应性，具有一定的实际应用价值，在不同温度下解调出稳定中心波长。

3.4 地面静态载荷试验

针对某型飞机起落架三向载荷监测需求，进行解调系统起落架载荷监测试验。在室温环境和标准大气压下，利用FBG应变传感器进行载荷试验。将FBG传感器分别贴在不同位置点进行载荷监测。在试验过程中载荷从0开始，按照10%进行逐级加载，加载到100%峰值后，再按10%一级进行逐级卸载，利用解调系统对FBG应变传感器光谱信息进行采集与解调。

以其中对航向载荷X单向加载的测量为例，左轮和右轮施加航向总载荷从0 kN开始，一直到峰值12 kN。试验中航向加载对称分配，左前轮与右前轮比例为1∶1。每个前轮的载荷分别从0 kN开始，以0.6 kN增量逐级增加，最大为6 kN。以两个通道为例，首先对航向载荷X单向加载第一通道进行载荷监测，两个传感器起始波长为分别为1534.488 nm、1551.199 nm，对应CH1-1、CH1-2。监测结果如图15所示。

从图15可以明显看到，整个施加载荷过程中，应变传感器的中心波长分别在1534.48～1534.62 nm和1551.18～1551.32 nm范围内变化。随着载荷逐级增加，传感器中心波长逐渐增大，与载荷施加过程相吻合。对航向载荷X单向加载第三通道进行监测，采用4个应变传感器分别放置在不同的位置，对应传感器的起始波长分别为1534.256 nm、1545.286 nm、1552.045 nm、1556.304 nm。图16（a）～（d）为4个传感器的采样结果。可以看出 FBG 应变传感器解调波长与施加载荷的力变化一致。证明了该系统可有效应用于飞机起落架载荷监测FBG光谱采集与波长解调，解调波长稳定性好，满足FBG传感器对结构的应变和载荷监测需求。

为进一步研究解调仪在飞机起落架载荷监测中的稳定性，对采集的6组传感器数据进行分析。实验中一共进行10级载荷加载，将每一级载荷采集到的波长求取平均值，每组数据可以得出10个波长均值。将波长均值与对应的载荷施加进行拟合，计算6个传感器的拟合结果，经计算R²均大于0.9983，如图17所示，说明中心波长与载荷施加呈线性关系，具有良好的拟合度，这表明解调仪在数据采集过程中非常稳定。

3.5 系统误差分析

解调系统主要由可调谐激光器、信号采集电路以及寻峰算法三部分构成，对这三部分进行误差分析。MG-Y可调谐激光器是电流调谐类芯片，受温度影响较大，一般情况下，1 ℃的温差导致波长漂移100 pm。尽管在系统中加入了TEC稳定温度控制，但是响应速度较大，会导致产生温差，根据实验结果分析，系统在TEC控制下的最大温差为0.2 ℃。在信号采集电路中，输出信号会产生噪声，噪声包括外部噪声和内部噪声：外部噪声一般由环境或者人为产生，是可以避免的；内部噪声由电子器件以及电路产生，随着环境变化，信噪比随之下降，也会影响到检测精度，但是激光器的电流–波长查找表是在稳定的噪声水平上进行实验标定的，会差生1 pm的出射波长误差。寻峰算法需要对反射光谱进行拟合获取峰值对应的中心波长，设备中噪声的产生，会导致数据产生变化。算法的鲁棒性和精度很大程度上依赖于边界条件和实现结构。在质心法中，光谱响应下方的区域用矩形近似，最后的中心波长通过所有矩形图形面积计算获得，是否限定边界会使质心法求取的面积产生很大的差距，从而导致解调结果产生较大的误差。系统中所采用的解调算法，首先通过阈值切割的形式消除了设备中产生的底噪，增强了峰值的识别性，为了应对波长点可能不在阈值线上的情况，通过补充阈值与光谱交汇处形成的点，形成较为对称的光谱，可以减小算法的误差。经过F-P标准具对解调仪进行标定，测量的中心波长标准差为2.7 pm。实验结果证明，该系统能够实现1527～1567 nm波长范围内反射光谱的高精度稳定解调。

4 结　论

为适应飞机起落架的宽温复杂环境，将该系统放置于温箱中在−45～70 ℃范围内进行循环实验，实验结果表明在环境温度变化过程中，在恒定温度下对标准具进行光谱解调，选取其中的14个波峰进行标准差计算，标准差最大为0.16 pm。为了进一步研究解调系统在飞机起落架载荷监测中的应用，将6个不同波长的FBG传感器放置于不同的位置进行监测。在应力按照10%逐级增加时，中心波长增大，拟合结果说明施加应力与传感器中心波长呈线性关系，相关系数R²大于0.9983。因此，这种解调仪具有复杂环境适应性，在起落架载荷监测中有实际应用价值。