在无人机平台上演示超稳定基于散斑的光纤传感

在飞行中监测机翼

随着无人机承担从包裹投递到搜救等任务，一个挥之不去的问题仍然存在：如何在飞行过程中判断其机翼和机体是否处于健康状态？每次任务后都让无人机回车间检修既缓慢又昂贵，而错过正在形成的裂纹或应变热点可能导致失效。该研究展示了一种手掌大小的光学装置，搭载在无人机内部，能够在飞行中实时监测机翼弯曲，且具有显著的稳定性，即使在飞行器振动并承受高G力时也能可靠工作。

为何微小光纤能成为强大的“神经”

现代飞行器越来越依赖光纤作为内置的“神经”来感测应变和温度。一种重要器件是光纤布拉格光栅（FBG），它是在光纤内部的微观周期结构，会反射一个窄带光，其颜色会随着光纤拉伸而变化。然而读取该波长位移通常需要笨重或耗电的仪器来扫描波长或用透镜和光栅分散光——这对于小型电池供电的无人机来说并不理想。更新的“散斑”方法承诺提供紧凑、无透镜的读取器：反射光被搅拌成颗粒状图案，其细节能揭示光谱信息。但问题在于这些图案极不稳定，极易受微小弯曲、温度漂移或振动影响，这限制了它们在实验室外的应用。

驯服散斑的新方法

作者提出了一种重新设计的基于散斑的读取器，称为STASIS（Speckle-based Tracking and Stabilized Interrogation System，散斑跟踪与稳定化解析系统），直接应对稳定性问题。他们没有采用易受干扰的长圆多模光纤或松散散射介质，而是使用一种超平坦、高纵横比的光纤，内含用激光写入的散射中心。该平面几何结构将光束紧密约束并使光路紧凑，从而减少环境变化扰乱图案的程度。光纤直接与标准光纤熔接，然后与小型相机芯片一起永久封装在3D打印的塑料外壳中。通过消除自由空间光学元件和机械接头，整个光路变成一个刚性的一体化模块，对弯曲和冲击不那么敏感。

让系统经受考验

为检验该紧凑模块在真实世界中能否保持稳定，团队对其进行了严苛的实验室测试。他们在波形振动下将传感头施加±7 G的正弦加速度，频率在5到60 Hz之间，同时反复拉伸光纤光栅。使用了两种简单的数学工具来跟踪散斑图像变化：一种基线帧不相似度度量，用以标记任何变化；另一种是主成分分析，用于提取与波长相关的主要模式。在强振动下，原始相似度指标显示图案确实被扰动，尤其是在最高频率时，但关键的主成分——与来自应变的实际波长位移相关——保持清晰且线性。静止时恢复的应变标准差约为1.6 微应变，相对于机翼飞行中经历的数百微应变而言微不足道。

从实验台到开阔天空

真正的考验是在团队将STASIS单元安装到一架定制的2米翼展无人机的航电舱中，并将光纤传感器粘接到机翼下侧——计算机模型预测那里弯曲最大。在多次飞行中，该系统以10帧/秒的速率流式传输散斑图像，同时自动驾驶仪记录加速度。在起飞、稳定盘旋、特技机动和着陆过程中，恢复的应变值与飞机的垂直G力紧密对应，范围约为−100到400微应变。重要的是，两种独立的重构方法彼此高度一致，并在发动机振动、阵风和电子舱内约35 °C的温度变化下保持良好表现。电子设备的任何缓慢热漂移表现为可预测的平滑趋势，可利用内置温度传感器加以去除。

这对日常飞行器意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：曾经脆弱的光学技巧——从闪烁的散斑图案中读取信息——已被工程化为可用于真实飞机的坚固紧凑传感器。通过精心设计光纤形状、将其固定入固体外壳，并采用直接的数据分析，作者表明基于散斑的读取器可以在恶劣条件下实时可靠地追踪微小的机翼弯曲。这为无人机和其他轻型车辆携带自身“触觉”铺平了道路，能够在无需沉重或昂贵设备的情况下尽早发现结构问题，最终使常规自主飞行更安全、更经济。

引用: Falak, P., King-Cline, T., Maradi, A. et al. Ultra-stable speckle-based optical fiber sensing demonstrated on an uncrewed aerial vehicle platform. Commun Eng 5, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00603-w

关键词: 无人机结构健康监测, 光纤传感, 基于散斑的光谱仪, 光纤光栅, 航空航天应变传感