一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构和方法

技术领域

本发明涉及机场工程领域，尤其是涉及一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构和方法。

背景技术

当前石油炼制和道面施工铺筑技术不断发展，由于沥青道面具有适用性强、起降平稳舒适、铺设施工快且易维修养护的优点，沥青混凝土在机场跑道当中的应用也越来越为广泛。然而近来航线航班量持续增长，机场超容量运行的情况逐渐成为常态，这就使得沥青道面面临飞机机轮高频次的重荷载作用，极易诱发沥青道面车辙病害的发生，影响飞机运行安全。

在机场沥青道面车辙检测领域，早期为人工利用刚性梁和直尺手动测量，逐渐发展为在人工辅助下利用横断面仪进行测量，近年来发展到全自动车载快速检测，采用激光、红外和超声等非接触位移传感器进行检测并通过数据处理得到车辙指标。但现有检测技术手段存在灵敏度低、易受干扰和检测设备规模较大等问题，应用以上技术的传感设备在使用时一般需要搭载在车辆上，由车辆在待测跑道上行驶进行检测。且传感器一般受环境影响较为明显，如面临温湿度引起仪器性能下降，空气中的污染物和跑道表面的水膜影响光学仪器精度等情况。且无法实现对车辙的实时监测，已逐渐与当前机场监测自动化、实时化的发展方向相违背。

综上，目前的沥青道面车辙监测方法存在灵敏度低、易受干扰、无法实时检测的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供得到一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构，包括光纤，所述光纤置于沥青道面的中间部分，光纤的安装位置作为有效监测区域，有效监测区域和沥青道面的两侧之间留有调整以及接线空间，沥青道面的一侧布置光纤解调仪，光纤解调仪在调整以及接线空间中与光纤的两端连接，光纤解调仪连接供电系统和计算机终端。

进一步地，沥青道面包括压实的道面中下面层和上面层，光纤设于中下面层和上面层之间。

进一步地，光纤在沥青道面中以螺旋线形分布。

进一步地，光纤在沥青道面中以口字形分布。

本发明还提出一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测方法，应用于上述的基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构，方法包括以下步骤：

将布里渊频移量在应变量和温度均为各自的初始值处分别按泰勒公式展开并联立，得到布里渊频移量的表达式，所述初始值为沥青道面投入使用前的初始应变量和初始温度；

基于光纤解调仪监测当前的布里渊频移量，计算机终端将光纤对应的应变比例系数和温度比例系数、应变量和温度均为初始值时的布里渊频移量、温度的变化量以及当前的布里渊频移量代入布里渊频移量的表达式中，得到光纤各微段的轴向应变值；

将光纤各微段的轴向应变值作为当前光纤轴向应变，基于当前光纤轴向应变和共轭梁法原理，建立当前光纤轴向应变和挠度的微分方程，所述当前光纤轴向应变为纯荷载引起的应变；

求解微分方程得到挠度，所述挠度作为车辙深度。

进一步地，泰勒展开后，布里渊频移量的表达式为：

其中，v

进一步地，应变比例系数和温度比例系数与光纤的光纤折射率、杨氏模量、泊松比和光纤纤芯密度相关。

进一步地，初始应变量ε

进一步地，当前光纤轴向应变和挠度的微分方程的表达式为：

其中，Δε表示当前光纤轴向应变，r为一点至中性面的距离，ω为挠度。

进一步地，求解得到的挠度的表达式为：

其中，ω为挠度，x表示一点与道面一侧控制点间的距离，r为一点至中性面的距离，A和B为常数，根据道面两侧设置控制点，确立边界条件确定，所述控制点的挠度为0。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的车辙监测结构中，光纤置于沥青道面的中间部分，相比于传统埋入式传感器，对沥青路面层间粘结力的影响大大降低，也改变了原本安装传感器需要逐个单独安装的问题。在监测时，光信号在光纤中传输，由解调仪对光信号进行解析，不与电磁场产生相互干扰，正常运行不会对飞机起降时通信或雷达信号产生任何干扰，且光纤结构在沥青道面内部较为稳定，不易受到环境影响，使用寿命长。

(2)本发明的监测方法可以批量和灵活地应用在有车辙监测需求的机场沥青道面建设项目中，可以快速的求出路面的车辙深度，实现了对沥青道面车辙深度指标的实时监测，为数字机场跑道的建设推广和产业化发展提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明的一种结构平面示意图；

图2为本发明的另一种结构平面示意图；

图3为本发明的结构的剖面图；

图4为本发明的结构的连接关系图；

图5为本发明的监测数据解析结果示意图，

图中，1光纤，2光纤解调仪，3计算机终端，4供电系统，5沥青道面，6有效监测区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种机场沥青道面车辙监测结构，结构包括光纤1，光纤1置于沥青道面5的中间部分，光纤1的分布形状规则稳定的区域作为有效监测区域6，有效监测区域6和沥青道面5的两侧之间留有调整以及接线空间，沥青道面5的一侧布置光纤解调仪2，光纤解调仪2在调整以及接线空间中与光纤1的两端连接，光纤解调仪2连接供电系统4和计算机终端3。

光纤1经过特殊封装且依据一定方式布设在沥青道面车辙有效监测区域6内，布设方式不限定，可为“口”形、螺旋线形或其他任意形状，其目的为获取道面横断面的多点应变数据。光纤1被沥青混凝土完全包裹，与沥青混凝土协同变形，由引入方向一侧引出，两端接入光纤解调仪2，通过解析处理光信号，可实现对光纤轴向应变的监测，由计算机终端3进行数据记录、处理和车辙深度指标的计算，进而实现对布设区域内道面面层横断面应变机型精确监测的目的，供电系统4为结构运行供电。本发明实现了对沥青道面车辙的实时精确监测，埋入式光纤结构避免了原本需停航进行道面检测从而影响航班起降的问题。同时，本发明主要利用的光纤传感器质量轻、体积小，相比于传统埋入式传感器，对沥青路面层间粘结力的影响大大降低，也改变了原本安装传感器需要逐个单独安装，单独解析的现状。总体来看，本发明提供的沥青道面车辙检测结构能够在降低对沥青道面力学性能和机场运行效率影响的基础上，大幅提升对道面车辙的监测频率和监测精度，有利于道面检测工作高效、准确、稳定地进行，给出了针对监测数据的良好解析方法，为机场道面性状监测领域和智慧跑道的产业化发展给予助力。

如图1所示为本发明的一种结构平面示意图，根据机场沥青道面设计要求确定的光纤1在道面中的一种“口”形分布形式，在道面两侧预留出调整以及接线空间，光纤1分布形状规则稳定的区域为有效监测区域6，在沥青道面5一侧布置光纤解调仪2，与光纤1两端连接，负责解析光纤信号。

如图2所示为本发明的另一种结构平面示意图，根据机场沥青道面设计要求确定的光纤1在道面中的一种螺旋线形分布形式，在道面两侧预留出调整以及接线空间，光纤1分布形状规则稳定的区域为有效监测区域6，在沥青道面5一侧布置光纤解调仪2，与光纤1两端连接，负责解析光纤信号。

如图3所示为本发明的结构的剖面图，在道面中下面层铺设并压实结束后，在其上方布设光纤1，然后进行上面层铺设及压实，压实结束后记录光纤初始应变值。最终道面内的光纤完全包裹在沥青混凝土中。

如图4所示为本发明的结构的连接关系图，此结构由供电系统4供电，光纤1感知数据由其本身传输至光纤解调仪2，并由其进行数据处理，得到轴向应变等数据，并上传至计算机终端3进行数据记录、处理和车辙深度指标的计算。

本发明海提出一种基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测方法，应用于上述的基于光纤感知的机场沥青道面车辙监测结构，方法包括以下步骤：

S1、将布里渊频移量在应变量和温度均为各自的初始值处分别按泰勒公式展开并联立，得到布里渊频移量的表达式，初始值为沥青道面投入使用前的初始应变量和初始温度；

S2、基于光纤解调仪2监测当前的布里渊频移量，计算机终端3将光纤1对应的应变比例系数和温度比例系数、应变量和温度均为初始值时的布里渊频移量、温度的变化量以及当前的布里渊频移量代入布里渊频移量的表达式中，得到光纤各微段的轴向应变值；

S3、将光纤各微段的轴向应变值作为当前光纤轴向应变，基于当前光纤轴向应变和共轭梁法原理，建立当前光纤轴向应变和挠度的微分方程，当前光纤轴向应变为纯荷载引起的应变；

S4、求解微分方程得到挠度，挠度作为车辙深度。

S1中，布里渊频移量和区域内的温度和应变信息呈现了良好的线性关系，见下式(1)：

式中：v(ε,T)为受应变和温度所影响的光纤中心频率，即布里渊频移量；n为光纤折射率；λ为入射光波长；E为杨氏模量；μ为泊松比；ρ为光纤纤芯密度。

S2中，将布里渊频移量在应变量和温度均为各自的初始值，即ε和T分别为ε

其中，v

ε

目前广泛应用的感测光缆，出厂时均有对应的应变比例系数和温度比例系数，通过光纤信号传输以及解调仪的精密计算，可得到相应的微应变情况值，可以得到光纤各微段的轴向应变值Δε。

S3中，基于共轭梁法原理，得到由于荷载因素引起的当前光纤轴向应变Δε与挠度ω的微分方程，见下式(3)：

S4中，r为该点至中性面的距离，经过二次积分得到计算挠度的最终方程，如式(4)：

其中，ω为挠度，x表示一点与道面一侧控制点间的距离，r为一点至中性面的距离，A、B为常数，根据道面两侧设置控制点，确立边界条件确定。控制点的挠度为0。

如上所述，本发明通过在机场沥青道面内埋设具有传输及传感功能的光纤，进行对光纤轴向应变的监测，利用一定解析方法，能够实现对沥青道面车辙深度指标的精确监测，可以批量和灵活地应用在有车辙监测需求的机场沥青道面建设项目中，并具有以下优势：

1)本发明所利用的光纤传感器质量轻、体积小，普通光纤外径为250μm，经过一定封装后的直径也能控制在毫米数量级，安装方便，且布设在道面中对沥青混合料的力学性能影响极低。

2)光纤传感器耐腐蚀性强，光纤结构在沥青道面内部较为稳定，不易受到环境影响，使用寿命长。

3)光纤传感器采用光学原理，采用波长调制技术，监测精度可以达到纳米量级，灵敏度高。

4)光信号在光纤中传输，由解调仪对光信号进行解析，不与电磁场产生相互干扰，正常运行不会对飞机起降时通信或雷达信号产生任何干扰。

5)正常服役期内不需要大规模维护保养，维护成本低。

实际使用本发明的结构和方法时，某机场沥青道面车辙监测项目，需通过在道面中布设光纤监测道面车辙深度指标。光纤布置在上面层和中面层界面。在投入使用前结构开始工作，记录光纤初始应变，在投入使用一段时间后获取光纤实时当前应变。应用本发明所示沥青道面车辙监测结构，计算机终端应用本发明提供的车辙监测方法对光纤轴向应变数据进行解析，获得道面车辙曲线如图5所示。

综上所述，本发明采用光纤作为主体结构，本身灵敏度高、稳定性强，对道面结构力学性能的不利影响实现最小化，应用的本发明的解析方法准确得到道面变形曲线，能同时监测车辙深度和车辙发生位置，能够适应高承载量机场的道面监测需求。以此为基础，未来的机场沥青道面的状态监测精度将进一步提高，为及时采取道面维护措施提供坚实技术支撑，助力机场建设高质量发展。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。