CN115979157B - 一种基于远距激光测振的道面结构性能评价方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于远距激光测振的道面结构性能评价方法及系统，该方法包括：通过激光测振器对机场道面进行检测，获得飞机运行时机场道面的弯沉检测数据；根据弯沉检测数据，对机场道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演；根据反演所得的机场道面板弹性模量和基顶反应模量计算道面等级号PCN，对机场道面结构性能进行评价。本发明方法通过检测出飞机运行时道面的实际弯沉值，能够更加准确地评价道面的结构性能；通过获得机场道面的实时弯沉数据，能够长期检测道面结构性能的变化，且不影响机场跑道的正常运行。本发明方法抗干扰能力强，检测结果较为稳定，能够实现机场道面弯沉的非接触式、大规模、高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及机场道面的结构性能评价，具体地指一种基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法及系统。
背景技术
弯沉是荷载作用下路表的变形量，是反应道面结构性能的综合指标，基于弯沉信息，可以获得结构承载力、各结构层模量、接缝传荷能力、板底脱空状况等道面结构信息。
结构性能评价是机场道面适航安全评价的核心内容之一，最初机场道面弯沉检测以贝克曼梁等静态弯沉仪为主，但这类弯沉检测设备的测试存在速度慢、效率低、操作步骤复杂、参照系不稳定等缺点，很难作为大规模的弯沉检测手段使用。近些年来，道面弯沉检测的主流设备是落锤式弯沉仪(FWD)和重锤式弯沉仪(HWD)，其主要原理是通过释放落锤对地面施加脉冲荷载，获取路面结构弯沉响应数据的无损检测设备。由于机场道面较厚，一般选用HWD进行机场道面的弯沉检测。相较于贝克曼梁来说，FWD/HWD具有测试效率高、测试精度高等优点。但在实际的道面弯沉检测中仍然存在以下不足：
1、弯沉检测数据的离散性较大。通过对上海虹桥国际机场、常州奔牛国际机场等8座国内机场跑道测试的现场调研，发现调研机场中大部分测试数据的变异系数超过15％，离散性较大。
2、只能利用FWD/HWD定期对机场道面进行弯沉检测，无法实时追踪机场道面的结构性能信息。
3、弯沉检测对机场的交通具有一定的影响。检测时需要占用机场跑道，会影响机场跑道的正常运行。
因此，如何长期、准确地评价机场道面的结构性能且不影响机场跑道的正常运行成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于激光测振的机场道面结构性能检测方法及系统，该方法利用激光测振器在飞机经过时对机场道面进行非接触式、高精度的实时弯沉检测工作，从而实现对机场道面的结构性能进行评价。
实现本发明目的采用的技术方案是一种基于激光测振的机场道面结构性能检测方法，该方法包括：
S1、通过激光测振器对机场道面进行检测，获得飞机运行时机场道面的弯沉检测数据；
S2、根据弯沉检测数据，对机场道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演；
S3、根据反演所得的机场道面板弹性模量和基顶反应模量计算道面等级号PCN，对机场道面结构性能进行评价。
在上述技术方案中，步骤S1包括：
S1.1、在机场跑道两侧的边灯处安装好激光测振器、高清照相机、激光轮迹仪；
S1.2、选定合适的飞机机型，确定其轮迹带的位置，调整激光测振器前端的透镜，使激光打在该机型的飞机轮迹带上；
S1.3、收集飞机运行过程中，激光测振器检测到的测点振动情况、高清照相机拍摄的高清照片、激光轮迹仪检测的飞机机型和轮迹信息；
S1.4、综合S1.3中检测到的信息，根据高清照片选择有效的检测数据，利用激光测振器获得在飞机在运行过程中，测点弯沉δ随着时间t变化的曲线；
S1.5、同类机型或载重相近的机型在机场道面上运行时，将短期内同一测点的弯沉数据进行处理，获得多组同类机型在道面上运行时的弯沉检测数据，并通过计算弯沉检测数据的变异系数，评价该检测方法的检测精度；绘制同一测点弯沉检测数据随时间的变化曲线，分析机场道面弯沉的变化情况；
S1.6、对于其他机型弯沉检测数据的获取，重复步骤S1.2～S1.5，以获得多种机型的弯沉数据。
在上述技术方案中，步骤S2包括：
S2.1、根据测点弯沉δ和时间t，拟合出测点弯沉时域曲线表达式δ(t)；
S2.2、通过测点弯沉时域曲线构造衍生指标弯沉时域曲线面积指数Ai:
式中：v(t)——飞机运行速度曲线；
S2.3、通过Ai计算基顶反应模量Ki：
式中：q——飞机轮胎接地压强，MPa；
r——等效圆形均布荷载接地面积半径；
ωi(Ai)——测点处的弯沉系数；
δi——测点处的弯沉；
S2.4、根据Ki计算水泥混凝土板的弹性模量Ei；
式中：li(Ai)——测点处的道面结构的相对刚度半径；
μ——水泥混凝土的泊松比；
g——道面结构有效厚度。
此外，本发明还提供一种基于远距激光测振的机场道面结构性能检测系统，该系统包括：
激光测振器，设于机场跑道两侧的边灯处，用于检测道面上测点的弯沉数据；
高清照相机，设于机场跑道两侧的边灯处，用于拍摄弯沉测点处的高清照片；
激光轮迹仪，用于对飞机在跑道上的运行位置进行检测，同时识别飞机的机型，并确定该飞机运行过程中对机场道面施加的荷载。
进一步地，上述基于远距激光测振的机场道面结构性能检测系统还包括：
加速度计，设于激光测振器的正上方，用于检测激光测振器所在位置的轴向、横向和角向加速度。
本发明具有以下优点：
1、本发明的抗干扰能力强，检测结果较为稳定，搭载在机场跑道的附属设施上，无需人员现场操作，降低了机场道面的检测成本，能够实现机场道面弯沉的非接触式、大规模、高精度测量。
2、本发明通过安装在机场跑道两侧的边灯上，可以获得飞机运行时道面的实际弯沉值，与HWD测试相比，更具有实际意义和价值，提高了检测精度和道面结构参数的反演精度，能够更加准确地评价道面的结构性能。
3、本发明通过安装在边灯上，实现道面弯沉的远距离测量，可以实现道面弯沉的长期、实时监测，极大地提高了检测频率，且检测时无需占用跑道，不会影响跑道正常运行。
附图说明
图1为本发明基于激光测振的机场道面结构性能检测方法的流程示意图。
图2为激光测振器检测机场道面弯沉的工作示意图。
图3为获取测点弯沉时域曲线的示意图。
图4为根据机场道面板弹性模量和基顶反应模量计算道面等级号PCN，对道面结构性能评价的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种基于远距激光测振的道面结构性能评价方法包括：
S1、通过激光测振器对机场道面进行检测，获得飞机运行时机场道面的弯沉检测数据，具体包括以下操作：
S1.1、在机场跑道两侧的边灯处安装好激光测振器、、高清照相机和激光轮迹仪；
本发明基于激光多普勒效应和外差干涉原理检测路面弯沉的方法，其主要原理为：多普勒效应是指由于物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化，即当观测者与波源相互远离时，波被拉长，波长变长，频率变低；当观测者与波源相互靠近时，波被压缩，波长变短，频率变高。外差干涉原理是指两只相干光束的广播频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机计算出干涉场的相位差。激光测振器原理为：光束分离器(BS1)将激光束分成参考光束和测量光束，在通过第二个光束分离器(BS2)后，测量光束聚焦到样本上，并进行反射，该反射光束由BS2向下偏转，然后与参考光束合并到检测器上。由于参考光束的光路为常数，测量对象的移动会在检测器上产生亮/暗条纹，由此产生光束的干涉。检测器上的一个完整的亮/暗周期条纹正好与所用激光的半个波长的位移量相对应。每单位时间的光程改变表现为测量光束的多普勒频移，意味着多普勒频移直接与样本振动速度成正比。由于远离或朝向干涉仪的物体运动所产生的明暗条纹和调制频率均相同，因此这种设计无法确定物体移动的方向。鉴于此，将光频移典型值为40MHz的声光调制器(布拉格盒)放置在参考光束中(激光频率为4.7x1014Hz)。当样本处于静态时，将产生40MHz的典型干涉调制频率；当样本朝向干涉仪移动时，检测器接收到的频率大于40MHz；当样本远离干涉仪移动时，则检测器接收到的频率则小于40MHz。由此精确检测光程的长度和测量对象的移动方向。
如图2所示，本发明将激光测振器布设在机场跑道两侧的边灯上，当飞机在道面滑跑时，布设在边灯上的激光器可以捕捉道面上测点的弯沉。当激光测振器工作时，飞机的滑跑、外界的风等因素会引起激光测振器的振动，从而引起所测的弯沉数据中包含了激光测振器本身的振动情况。因此在弯沉检测时，需要一种补偿器去消除外界因素振动对测试的影响。本发明将加速度计和激光测振器安装在一处，即加速度计位于激光测振器的正上方，加速度计获取待补偿仪器(激光测振器)所在位置的轴向、横向和角向加速度，通过两次积分来得到待补偿仪器所在位置的轴向、横向和角向位移；再通过算法调整位移所对应的时域，对激光测振器测得的数据进行补偿。
S1.2、选定合适的飞机机型，确定其轮迹带的位置，调整激光测振器前端的透镜，使激光打在该机型的飞机轮迹带上；
在对机场道面进行弯沉检测时，应选择合适的弯沉测点的位置，并确定飞机的作用位置、机型、荷载等主要因素，以利于后续道面结构性能评价工作的进行。
(1)弯沉测点的选择：为了检测出飞机运行时道面的最大弯沉，并兼顾激光的可达性，应选择飞机主起落架轮胎外缘与道面的接触点作为最大弯沉的测点。因此进行机场道面的弯沉检测时，应将激光的测点位置打在选定的飞机机型的轮迹带上，以提高有效的检测次数。为对多种机型对道面产生的弯沉进行检测，选择在激光器前端安装透镜，通过调整透镜对激光的折射角度，以完成对多种机型产生的道面弯沉数据的检测。但飞机在跑道的运行过程中，飞机运行位置与该机型的轮迹带会有所偏离，为确定弯沉的检测数据的准确性，在激光测振器检测时搭配同步高清照相机，聚焦激光在道面上的接触位置，以确定弯沉的测点为主起落架轮胎外缘与道面的接触点。
(2)飞机的位置、机型及荷载：选择激光轮迹仪对飞机在跑道上的运行位置进行检测，同时识别飞机的机型，并确定该飞机运行过程中对机场道面施加的荷载。
S1.3、收集飞机运行过程中，激光测振器检测到的测点振动情况、高清照相机拍摄的高清照片、激光轮迹仪检测的飞机机型和轮迹信息；
S1.4、综合S1.3中检测到的信息，根据高清照片选择有效的检测数据(激光测点在飞机主起落架轮胎外缘在道面运行轨迹上)，利用激光测振器获得在飞机在运行过程中，测点弯沉δ随着时间t变化的曲线，如图3所示。
S1.5、同类机型或载重相近的机型在机场道面上运行时，可将短期内同一测点的弯沉数据进行处理，获得多组同类机型在道面上运行时的弯沉检测数据。并可以通过计算弯沉检测数据的变异系数，评价该检测方法的检测精度；绘制同一测点弯沉检测数据随时间的变化曲线，分析机场道面弯沉的变化情况。
S1.6、对于其他机型弯沉检测数据的获取，可以重复步骤S1.2～S1.5，以获得多种机型的弯沉数据。
S2、根据弯沉检测数据，对机场道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演；
根据机场道面板结构层有效厚度、飞机的机型及荷载信息、步骤S1中测得的测点的弯沉的时域变化曲线等信息对道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演，具体操作如下：
S2.1、根据测点弯沉δ和时间t，拟合出测点弯沉时域曲线表达式δ(t)；
S2.2、通过测点弯沉时域曲线构造衍生指标弯沉时域曲线面积指数Ai:
式中：v(t)——飞机运行速度曲线；
S2.3、通过Ai计算基顶反应模量Ki：
式中：q——飞机轮胎接地压强，MPa；
r——等效圆形均布荷载接地面积半径，m；
ωi(Ai)——测点处的弯沉系数，m-1；
δi——测点处的弯沉，m。
S2.4、通过Ki计算水泥混凝土板的弹性模量Ei；
式中：li(Ai)——测点处的道面结构的相对刚度半径，m；
μ——水泥混凝土的泊松比；
h——道面结构有效厚度，m；
S3、根据反演所得的机场道面板弹性模量和基顶反应模量计算道面等级号PCN，对机场道面结构性能进行评价。
根据道面板弹性模量和基顶反应模量确定道基强度等级，并采用设计飞机法计算评价期内道面板的PCN值，完成机场道面的结构性能评价工作，如图4所示，包括以下步骤：
S3.1、根据道面板弹性模量E和基顶反应模量K，以及评价期内累计作用次数，计算容许弯拉疲劳强度σrm。
S3.2、根据拟定给定飞机的重量Gi，计算板边应力σp，
∣σp-σrm∣≤0.025σrm
S3.3、根据板边应力σp确定飞机最大容许重量。
S3.4、计算i机型的飞机重量对应的ACN。
S3.5、计算i机型的道面的ACN。
S3.6、输出各种机型最大的PCN作为道面PCN。
Claims (5)
1.一种基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法，其特征在于，包括：
S1、通过激光测振器对机场道面进行检测，获得飞机运行时机场道面的弯沉检测数据；具体包括：
S1.1、在机场跑道两侧的边灯处安装好激光测振器、高清照相机、激光轮迹仪；
S1.2、选定合适的飞机机型，确定其轮迹带的位置，调整激光测振器前端的透镜，使激光打在该机型的飞机轮迹带上；
S1.3、收集飞机运行过程中，激光测振器检测到的测点振动情况、高清照相机拍摄的高清照片、激光轮迹仪检测的飞机机型和轮迹信息；
S1.4、综合S1.3中检测到的信息，根据高清照片选择有效的检测数据，利用激光测振器获得在飞机在运行过程中，测点弯沉δ随着时间t变化的曲线；
S1.5、同类机型或载重相近的机型在机场道面上运行时，将短期内同一测点的弯沉数据进行处理，获得多组同类机型在道面上运行时的弯沉检测数据，并通过计算弯沉检测数据的变异系数，评价该检测方法的检测精度；绘制同一测点弯沉检测数据随时间的变化曲线，分析机场道面弯沉的变化情况；
S1.6、对于其他机型弯沉检测数据的获取，重复步骤S1.2～S1.5，以获得多种机型的弯沉数据；
S2、根据弯沉检测数据，对机场道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演；
S3、根据反演所得的机场道面板弹性模量和基顶反应模量计算道面等级号PCN，对机场道面结构性能进行评价。
2.根据权利要求1所述基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法，其特征在于：激光测振器的正上方设有加速度计，加速度计获取待补偿仪器所在位置的轴向、横向和角向加速度，通过两次积分来得到待补偿仪器所在位置的轴向、横向和角向位移；再通过算法调整位移所对应的时域，对激光测振器测得的数据进行补偿。
3.根据权利要求1所述基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法，其特征在于，步骤S2包括：
根据机场道面板结构层有效厚度、飞机的机型及荷载信息、所述弯沉检测数据对道面板弹性模量和基顶反应模量进行反演，确定出最佳的结构参数组合。
4.根据权利要求3所述基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法，其特征在于：道面板弹性模量和基顶反应模量的计算过程如下：
S2.1、根据测点弯沉δ和时间t，拟合出测点弯沉时域曲线表达式δ(t)；
S2.2、通过测点弯沉时域曲线构造衍生指标弯沉时域曲线面积指数Ai:
式中：v(t)——飞机运行速度曲线；
S2.3、通过Ai计算基顶反应模量Ki：
式中：q——飞机轮胎接地压强，MPa；
r——等效圆形均布荷载接地面积半径；
ωi(Ai)——测点处的弯沉系数；
δi——测点处的弯沉；
S2.4、根据Ki计算水泥混凝土板的弹性模量Ei；
式中：li(Ai)——测点处的道面结构的相对刚度半径；
μ——水泥混凝土的泊松比；
h——道面结构有效厚度。
5.根据权利要求1-4任一所述基于远距激光测振的机场道面结构性能检测方法，其特征在于：
步骤S3：根据道面板弹性模量和基顶反应模量确定道基强度等级，并采用设计飞机法计算评价期内道面板的PCN值，完成机场道面的结构性能评价工作。
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