CN116223763A - 一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，包括机场跑道着陆区道面，机场跑道着陆区道面为多层道面结构层，多层道面结构层中各层均设有多个光栅阵列振动传感光缆，多个光栅阵列振动传感光缆与健康状态监测装置连通；多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为：包括机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号；基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。获取各层道面结构层的回波反射信号，可对机场跑道着陆区道面健康状态进行全天候不停航监测。
Description
技术领域
本发明涉及道面健康状态监测领域，尤其是涉及一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法。
背景技术
随着国内航班、航线数量的不断增加，密集的航班起降，使得道面着陆区长时间多频次承受着巨大的水平制动荷载和竖向冲击荷载，极易发生道面着陆区的结构损伤。然而道面着陆区结构健康状态涉及机场飞机起降安全，对于机场安全运营至关重要，因此需要对道面着陆区结构进行长期持续的健康评价和病害识别，为机场跑道维护提供重要依据。
目前机场常用的道面表面和内部结构病害检测技术包括：1、探地雷达技术和落锤式弯沉仪技术。探地雷达技术和落锤式弯沉仪技术均由集成有检测设备的测试车对道面进行巡回扫描式检测实现对道面表面和内部结构进行无损检测，无法实现不停航式检测。2、超声波、声音、红外、雷达、图像等跑道实时监测方式，可实现对航空器着陆位置的准确定位，无法实现着陆区道面结构的瞬时状态监测和后续损伤预测与评估。3、通过埋设于跑道着陆区关键断面的应变传感系统对跑道进行监测，仅获取应变参量用以评估跑道着陆区关键断面承受荷载，无法实现跑道着陆区道面结构受航空器多次起降冲击后的自身结构的健康状态持续监测。为此我们提出一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法用于解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，解决存在的无法实现对机场着陆区道面健康状态进行全天候不停航监测的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，包括机场跑道着陆区道面，机场跑道着陆区道面为多层道面结构层，多层道面结构层中各层均设有多个光栅阵列振动传感光缆，多个光栅阵列振动传感光缆与健康状态监测装置连通；
多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为：包括机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号；
基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。
优选的方案中，多层道面结构层包括由上至下依次设置的面板层、上水泥稳定碎石层以及下水泥稳定碎石层，多根光栅阵列振动传感光缆包括埋设于上水泥稳定碎石层的多个第一光栅阵列振动传感光缆和埋设于下水泥稳定碎石层的多个第二光栅阵列振动传感光缆。
优选的方案中，多个第一光栅阵列振动传感光缆和多个第一光栅阵列振动传感光缆均等间隔设置，第一光栅阵列振动传感光缆与第二光栅阵列振动传感光缆的夹角θ满足：0°＜θ≤90°。
优选的方案中，光栅阵列振动传感光缆上等间隔设有多个测点，每个测点监测出多个振动瞬态冲击响应子信号；基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力的方法包括：
振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力包括：每个振动瞬态冲击响应子信号获取多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值和目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
多个振动瞬态冲击响应子信号的多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值以及目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
将目标振动瞬态冲击响应子信号对应的测点位置作为着陆位置；
将目标振动响应幅值作为着陆冲击力。
优选的方案中，基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别方法包括：
获取各层道面结构层的纵波波速，并根据纵波波速以及回波反射信号确定时域响应图谱；
获取机场跑道着陆区道面不存在道面缺陷的标准时域响应图谱，并根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定机场跑道着陆区道面是否存在道面缺陷。
优选的方案中，缺陷特征值包括缺陷位置和缺陷厚度；确定道面缺陷的缺陷特征值，缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值方法为：
当机场跑道着陆区道面存在道面缺陷时，根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定缺陷位置；
将时域响应图谱进行傅里叶变换，获得频域响应图谱；
根据频域响应图谱确定所述缺陷厚度；
对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正。
优选的方案中，根据频域响应图谱确定缺陷厚度包括：确定频域响应图谱中的多个峰值，并确定多个峰值中各峰值的峰值频率；
根据各峰值的峰值频率确定缺陷厚度。
优选的方案中，对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正方法包括：根据纵波波速以及回波反射信号确定时频响应图谱；
根据时频响应图谱确定机场跑道着陆区道面的弯曲模态或厚度模态；
根据弯曲模态或厚度模态确定参考缺陷位置和参考缺陷厚度；
基于参考缺陷位置和参考缺陷厚度对缺陷位置和缺陷厚度进行修正。
优选的方案中，健康状态监测装置获取历史时频响应图谱，并根据历史时频响应图谱构建道面预测模型；
基于时频响应图谱以及道面预测模型对机场跑道着陆区道面的演变状态进行预测。
优选的方案中，健康状态监测装置包括：信号获取单元、冲击响应信号分析单元和回波反射信号分析单元：
信号获取单元：用于基于多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为对机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号以及各层道面结构层的回波反射信号；
冲击响应信号分析单元：用于基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
回波反射信号分析单元：用于基于回波反射信号对所述机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。
本发明的有益效果为：本发明提供的机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，通过基于埋设于机场跑道着陆区道面的多层道面结构层中的多根光栅阵列振动传感光缆获得振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号，可实现对机场跑道着陆区道面的不停航监测。并且，由于当机场跑道着陆区道面发生缺陷时，相比于未发生缺陷的道面，其对应的回波反射信号也会发生变化，因此，本发明通过获取各层道面结构层的回波反射信号，可对机场跑道着陆区道面健康状态进行全天候不停航监测。
本发明通过获取各层道面结构层的回波反射信号，可同时对机场跑道着陆区道面的深层道面结构层和浅层道面结构层的健康状态进行监测，实现全覆盖无遗漏监测，提高健康状态监测的全面性。
由于回波反射信号由航空器着陆时的降落冲击激发，能量大且集中，波长较长，受散射影响小，因此测试深度较深，可提高回波反射信号的精度，从而提高道面健康状态监测的精度。具有较大的推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
图1是本发明流程示意图；
图2是本发明确定航空器的着陆位置和着陆冲击力的流程示意图；
图3是本发明道面缺陷进行识别的流程示意图；
图4是本发明确定道面缺陷的缺陷特征值的流程示意图；
图5是本发明对缺陷特征值进行修正的流程示意图；
图6是本发明道面的演变状态进行预测的流程示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-6中，一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，包括机场跑道着陆区道面，机场跑道着陆区道面为多层道面结构层，多层道面结构层中各层均设有多个光栅阵列振动传感光缆，多个光栅阵列振动传感光缆与健康状态监测装置连通；
多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为：包括机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号；
基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。由此结构，通过基于埋设于机场跑道着陆区道面的多层道面结构层中的多根光栅阵列振动传感光缆获得振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号，可实现对机场跑道着陆区道面的不停航监测。并且，由于当机场跑道着陆区道面发生缺陷时，相比于未发生缺陷的道面，其对应的回波反射信号也会发生变化，因此，本发明通过获取各层道面结构层的回波反射信号，可对机场跑道着陆区道面健康状态进行全天候不停航监测。
本发明通过获取各层道面结构层的回波反射信号，可同时对机场跑道着陆区道面的深层道面结构层和浅层道面结构层的健康状态进行监测，实现全覆盖无遗漏监测，提高健康状态监测的全面性。
由于回波反射信号由航空器着陆时的降落冲击激发，能量大且集中，波长较长，受散射影响小，因此测试深度较深，可提高回波反射信号的精度，从而提高道面健康状态监测的精度。具有较大的推广价值。
优选的方案中，多层道面结构层包括由上至下依次设置的面板层、上水泥稳定碎石层以及下水泥稳定碎石层，多根光栅阵列振动传感光缆包括埋设于上水泥稳定碎石层的多个第一光栅阵列振动传感光缆和埋设于下水泥稳定碎石层的多个第二光栅阵列振动传感光缆。由此结构，通过基于埋设于机场跑道着陆区道面的多层道面结构层中的多根光栅阵列振动传感光缆获得振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号，可实现对机场跑道着陆区道面的不停航监测。
优选的方案中，多个第一光栅阵列振动传感光缆和多个第一光栅阵列振动传感光缆均等间隔设置，第一光栅阵列振动传感光缆与第二光栅阵列振动传感光缆的夹角θ满足：0°＜θ≤90°。由此结构，当θ为90°时，光栅阵列振动传感光数值更加精准，若各第一光栅阵列振动传感光缆垂直于各第二光栅阵列振动传感光缆，即：第一光栅阵列振动传感光缆21与第二光栅阵列振动传感光缆22的夹角θ为90°。
本发明实施例通过设置第一光栅阵列振动传感光缆与第二光栅阵列振动传感光缆的夹角θ为90°，可最大化获得的振动瞬态冲击响应信号和回波反射信号的强度，从而提高获得的着陆位置、着陆冲击力以及缺陷特征值的准确性。并且，本发明通过设置第一光栅阵列振动传感光缆与第二光栅阵列振动传感光缆的夹角θ为90°，可提高光栅阵列振动传感光缆敷设的密集程度，实现密集式监测，从而可进一步提高获得的着陆位置、着陆冲击力以及缺陷特征值的准确性。
优选的方案中，光栅阵列振动传感光缆上等间隔设有多个测点，每个测点监测出多个振动瞬态冲击响应子信号；基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力的方法包括：
振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力包括：每个振动瞬态冲击响应子信号获取多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值和目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
多个振动瞬态冲击响应子信号的多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值以及目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
将目标振动瞬态冲击响应子信号对应的测点位置作为着陆位置；
将目标振动响应幅值作为着陆冲击力。由此结构，判断着陆冲击力是否大于道面设计最大冲击力，若着陆冲击力大于道面设计最大冲击力，则生成告警信号，提示冲击力过大，可能会机场跑道着陆区道面造成损坏。
优选的方案中，基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别方法包括：
获取各层道面结构层的纵波波速，并根据纵波波速以及回波反射信号确定时域响应图谱；
获取机场跑道着陆区道面不存在道面缺陷的标准时域响应图谱，并根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定机场跑道着陆区道面是否存在道面缺陷。由此结构，纵波波速为：
式中，为纵波波速，为道面结构层的厚度；为形状系数，一般取0.98，为反射主频率，取自频谱最高峰值对应的频率。
缺陷识别中，航空器降落振动冲击在每层材料界面会引起新的反射，当机场跑道着陆区道面结构内部存在缺陷时，会产生新的反射界面，因此，当机场跑道着陆区道面结构存在缺陷时，其与没有缺陷的道面结构的标准时域响应图谱不相同，也即：通过对比标准时域响应图谱和时域响应图谱即可识别出机场跑道着陆区道面是否存在道面缺陷。
优选的方案中，缺陷特征值包括缺陷位置和缺陷厚度；确定道面缺陷的缺陷特征值，缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值方法为：
当机场跑道着陆区道面存在道面缺陷时，根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定缺陷位置；
将时域响应图谱进行傅里叶变换，获得频域响应图谱；
根据频域响应图谱确定所述缺陷厚度；
对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正。
优选的方案中，根据频域响应图谱确定缺陷厚度包括：确定频域响应图谱中的多个峰值，并确定多个峰值中各峰值的峰值频率；
根据各峰值的峰值频率确定缺陷厚度。
优选的方案中，对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正方法包括：根据纵波波速以及回波反射信号确定时频响应图谱；
根据时频响应图谱确定机场跑道着陆区道面的弯曲模态或厚度模态；
根据弯曲模态或厚度模态确定参考缺陷位置和参考缺陷厚度；
基于参考缺陷位置和参考缺陷厚度对缺陷位置和缺陷厚度进行修正。由此结构，通过基于时频域响应图谱获得的参考缺陷位置和参考缺陷厚度对缺陷位置和缺陷厚度进行修正，可进一步提高缺陷位置和缺陷厚度的准确性。
缺陷位置的修正过程可具体为：当参考缺陷位置与缺陷位置相同时，不作修正；当参考缺陷位置与缺陷位置不相同，但差值小于预设差值时，基于参考缺陷位置对缺陷位置进行修正，即：将参考缺陷位置作为缺陷位置；当参考缺陷位置与缺陷位置不相同，且差值大于或等于预设差值时，则需重新获取缺陷位置。
缺陷厚度的修正过程与缺陷位置的修正过程相同。
优选的方案中，健康状态监测装置获取历史时频响应图谱，并根据历史时频响应图谱构建道面预测模型；
基于时频响应图谱以及道面预测模型对机场跑道着陆区道面的演变状态进行预测。由此结构，通过设置根据历史时频响应图谱构建道面预测模型，可实现对机场跑道着陆区道面的演变状态的预测，可为机场跑道的运维管理提供策略性规划，全面提高机场智能化管理水平。
优选的方案中，健康状态监测装置包括：信号获取单元、冲击响应信号分析单元和回波反射信号分析单元：
信号获取单元：用于基于多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为对机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号以及各层道面结构层的回波反射信号；
冲击响应信号分析单元：用于基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
回波反射信号分析单元：用于基于回波反射信号对所述机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：包括机场跑道着陆区道面，机场跑道着陆区道面为多层道面结构层，多层道面结构层中各层均设有多个光栅阵列振动传感光缆，多个光栅阵列振动传感光缆与健康状态监测装置连通；
多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为：包括机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号和各层道面结构层的回波反射信号；
基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。
2.根据权利要求1所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：多层道面结构层包括由上至下依次设置的面板层、上水泥稳定碎石层以及下水泥稳定碎石层，多根光栅阵列振动传感光缆包括埋设于上水泥稳定碎石层的多个第一光栅阵列振动传感光缆和埋设于下水泥稳定碎石层的多个第二光栅阵列振动传感光缆。
3.根据权利要求2所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：多个第一光栅阵列振动传感光缆和多个第一光栅阵列振动传感光缆均等间隔设置，第一光栅阵列振动传感光缆与第二光栅阵列振动传感光缆的夹角θ满足：0°＜θ≤90°。
4.根据权利要求2所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：光栅阵列振动传感光缆上等间隔设有多个测点，每个测点监测出多个振动瞬态冲击响应子信号；基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力的方法包括：
振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力包括：每个振动瞬态冲击响应子信号获取多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值和目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
多个振动瞬态冲击响应子信号的多个振动响应幅值；
确定多个振动响应幅值中幅值最大的目标振动响应幅值以及目标振动响应幅值对应的目标振动瞬态冲击响应子信号；
将目标振动瞬态冲击响应子信号对应的测点位置作为着陆位置；
将目标振动响应幅值作为着陆冲击力。
5.根据权利要求1所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：基于回波反射信号对机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别方法包括：
获取各层道面结构层的纵波波速，并根据纵波波速以及回波反射信号确定时域响应图谱；
获取机场跑道着陆区道面不存在道面缺陷的标准时域响应图谱，并根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定机场跑道着陆区道面是否存在道面缺陷。
6.根据权利要求1所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：缺陷特征值包括缺陷位置和缺陷厚度；确定道面缺陷的缺陷特征值，缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值方法为：
当机场跑道着陆区道面存在道面缺陷时，根据标准时域响应图谱和时域响应图谱确定缺陷位置；
将时域响应图谱进行傅里叶变换，获得频域响应图谱；
根据频域响应图谱确定所述缺陷厚度；
对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正。
7.根据权利要求6所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：根据频域响应图谱确定缺陷厚度包括：确定频域响应图谱中的多个峰值，并确定多个峰值中各峰值的峰值频率；
根据各峰值的峰值频率确定缺陷厚度。
8.根据权利要求6所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：对缺陷位置和所述缺陷厚度进行修正方法包括：根据纵波波速以及回波反射信号确定时频响应图谱；
根据时频响应图谱确定机场跑道着陆区道面的弯曲模态或厚度模态；
根据弯曲模态或厚度模态确定参考缺陷位置和参考缺陷厚度；
基于参考缺陷位置和参考缺陷厚度对缺陷位置和缺陷厚度进行修正。
9.根据权利要求1所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：健康状态监测装置获取历史时频响应图谱，并根据历史时频响应图谱构建道面预测模型；
基于时频响应图谱以及道面预测模型对机场跑道着陆区道面的演变状态进行预测。
10.根据权利要求1所述一种机场跑道着陆区道面健康状态监测方法，其特征是：健康状态监测装置包括：信号获取单元、冲击响应信号分析单元和回波反射信号分析单元：
信号获取单元：用于基于多个光栅阵列振动传感光缆实时获取航空器着陆行为对机场跑道着陆区道面的振动瞬态冲击响应信号以及各层道面结构层的回波反射信号；
冲击响应信号分析单元：用于基于振动瞬态冲击响应信号确定航空器的着陆位置和着陆冲击力；
回波反射信号分析单元：用于基于回波反射信号对所述机场跑道着陆区道面的道面缺陷进行识别，并确定道面缺陷的缺陷特征值。
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