邵飛 楊寧 孫維 申景詩 張建德

(1 山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670) (2 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，特別是長壽命近地空間站、載人飛船、深空探測器等特殊航天器技術(shù)的迅速發(fā)展，使得新一代航天器服役周期長、服役環(huán)境惡劣。航天器長期工作在惡劣的空間環(huán)境中，時刻面臨著各類嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)，包括空間輻照、微流星體與空間碎片撞擊、氣動加熱、熱循環(huán)等，且常伴隨劇烈的結(jié)構(gòu)振動，這些因素可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞、裂紋、屈曲等，給航天飛行帶來較大隱患，甚至導(dǎo)致航天任務(wù)的失敗，因此，對航天器結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)力應(yīng)變、形變等參數(shù)的實時監(jiān)測提出了迫切需求[1]。以空間站為例，空間站在其服役期間需要對承力件、壓力艙蒙皮等結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行監(jiān)測，檢測結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)疲勞裂紋或小孔損傷；另外，空間站等大型航天結(jié)構(gòu)在服役期間會進行多次交會對接，還需實時監(jiān)測交會對接對結(jié)構(gòu)的影響，尤其是一些外伸結(jié)構(gòu)，如太陽電池翼等。然而，電子傳感等傳統(tǒng)傳感器易受電磁影響，在空間環(huán)境中難以滿足上述這些航天任務(wù)需求。

光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，工作原理是光在光纖中傳輸時，其特征參量振幅、波長、相位、偏振態(tài)等會受到外界因素如溫度、應(yīng)力應(yīng)變等的調(diào)制而發(fā)生直接或間接的變化，只要通過解調(diào)受調(diào)制光的各種本征參數(shù)即可獲得外界物理量的信息[2-3]。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、測點密度高等優(yōu)點。光纖傳感器能在復(fù)雜環(huán)境下高精度、穩(wěn)定、實時監(jiān)測航天器結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變等參數(shù)，全方位感知航天器結(jié)構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而有效保證航天器的正常運行和航天員的生命安全，提高航天任務(wù)的可靠性和安全性。

針對航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測對先進傳感技術(shù)的需求，本文對基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的國內(nèi)外研究情況進行了分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架，梳理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。最后，結(jié)合國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在軌應(yīng)用情況，給出基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展建議，以進一步推動其在航天中的深入應(yīng)用。

1 基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)是應(yīng)用最廣泛的光纖傳感器之一，具有光的選擇性。當(dāng)光在光纖中傳播時，滿足布拉格條件的光會被反射回來，其余的光則繼續(xù)向前傳播，如圖1所示。研究表明，溫度、應(yīng)變等物理量會引起FBG中心波長的變化，并且兩者呈線性關(guān)系且具有良好的重復(fù)性，因此可以利用FBG中心波長實現(xiàn)對溫度、應(yīng)變等物理量的測量，進而根據(jù)結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變等物理量的變化情況實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測。

1.1 國外光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代開始，光纖光柵傳感技術(shù)就已在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，展示了巨大的發(fā)展前景。在基于光纖光柵傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測方面，國外比較有代表性的有美國國家航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)以及日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(JAXA)等。

1.1.1 NASA光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

1998年，為了對X-33試驗航天器結(jié)構(gòu)進行健康狀態(tài)監(jiān)測，NASA在其燃料儲箱以及保溫層安裝了基于FBG傳感器的多方向應(yīng)變和溫度測量系統(tǒng)[4]，如圖2所示。2001年，NASA又利用12個FBG傳感器研制了一套分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于監(jiān)測X-38試驗航天器發(fā)射和返航過程中結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)載荷和熱載荷，并對主要部件剩余壽命進行估計[5]。

從20世紀(jì)90年代中期開始，NASA的阿姆斯特朗飛行研究中心(Armstrong Flight Research Center, AFRC)開始研制光纖傳感系統(tǒng)FOSS(Fiber Optical Sensing System)，以實現(xiàn)光纖傳感數(shù)據(jù)的高速、高密度解調(diào)[6]。在FOSS系統(tǒng)中，單根光纖FBG傳感器復(fù)用容量可達2000個，支持8路光纖并行解調(diào)，因此整個系統(tǒng)的FBG傳感器復(fù)用容量達到了16 000個。FOSS系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取航天器應(yīng)變、溫度、載荷、形變等關(guān)鍵參數(shù)，從而完成對航天器結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測，如圖3所示。

2012年，阿姆斯特朗飛行研究中心聯(lián)合澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO Australia)對熱防護系統(tǒng)(Thermal Protection System, TPS)損傷監(jiān)測進行了研究，開發(fā)了一套基于FOSS系統(tǒng)的TPS健康狀態(tài)監(jiān)測演示系統(tǒng)，對TPS損傷位置、損傷程度以及損傷后的性能進行計算或評估，如圖4所示。2016年，NASA在安塔瑞斯火箭上搭載了緊湊型光纖傳感系統(tǒng)(compact Fiber Optic Sensing System，cFOSS)，主要完成低溫液體燃料液位監(jiān)測、火箭結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、加速度測量等任務(wù)，并為新一代火箭設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

1.1.2 ESA光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

太陽帆由于面積大、質(zhì)量輕，因而結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)較大形變。太陽帆的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對評估結(jié)構(gòu)極限以及結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化十分重要，但電磁類傳統(tǒng)傳感器難以在太陽帆上進行大量部署。針對這一問題，ESA在太陽帆帆桁上部署了大量FBG傳感器，利用FBG光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進行了太陽帆帆桁形變監(jiān)測的地面實驗[7]。

2006年，ESA針對再入飛行器“EXPERT”項目開發(fā)了一套TPS健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在整個飛行器再入過程中，利用FBG傳感網(wǎng)絡(luò)對TPS性能狀況進行監(jiān)測[8]，如圖5所示。

2009年，ESA在星上自主性項目-2(Proba-2)衛(wèi)星上搭載了光纖傳感樣機(Fiber Sensor Demonstrator，F(xiàn)SD)，包括12個溫度傳感器、1個推進器光纖高溫傳感器和1個氙氣罐氣壓傳感器[9]。FSD是第一個搭載在衛(wèi)星上的光纖傳感樣機，2010年下傳的10個月衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)表明光纖傳感樣機在空間環(huán)境中工作穩(wěn)定。

1.1.3 JAXA光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

2012年，JAXA的Takeda等人利用FBG傳感器對由沖擊力引起的碳纖維復(fù)合材料加筋板應(yīng)變進行了監(jiān)測，證明FBG傳感器可以用作航天結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測[10]。2015年，JAXA研制了一套基于FBG傳感器的運載火箭結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于Epsilon-1火箭的地面試驗。

1.2 國內(nèi)光纖光柵傳感結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，一些高校和科研機構(gòu)也緊隨國際研究前沿開展了相關(guān)研究工作。天津大學(xué)在光纖光柵傳感器及解調(diào)技術(shù)方面進行了大量研究工作，構(gòu)建了溫度、應(yīng)變、壓力、振動等傳感系統(tǒng)[11]。

武漢理工大學(xué)采用相位掩模法在線連續(xù)制備弱光柵陣列，可用于研制基于全同弱光柵的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)[12]，同時武漢理工大學(xué)對全同弱光柵弱反射信號的檢測進行了研究，采用恒溫恒壓法設(shè)計了基于雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode, APD)的弱光探測模塊[13]，并利用波分復(fù)用與時分復(fù)用分段混合復(fù)用的方式實現(xiàn)了FBG傳感器的大容量復(fù)用[14]。華中科技大學(xué)、燕山大學(xué)等也在基于全同弱反射的光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)以及波分/時分混合復(fù)用等方面進行了深入研究[15-16]。

2009年，南京航空航天大學(xué)利用FBG傳感網(wǎng)絡(luò)對某型號飛機機翼盒段結(jié)構(gòu)載荷情況進行了有效監(jiān)測[17]。2011年，南京航空航天大學(xué)又基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)對可變翼體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)變分布情況進行了研究[18]。2015年，山東大學(xué)以航空復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)為研究對象，建立了基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的高可靠性低速沖擊定位方法，實現(xiàn)了航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷準(zhǔn)確診斷及評估[19]。

中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所進行了光纖光柵傳感系統(tǒng)的機載飛行試驗，對某飛機關(guān)鍵部位應(yīng)變、加速度及機艙溫度進行了測試，如圖6所示。結(jié)果表明，光纖傳感系統(tǒng)在飛行環(huán)境下可有效獲得飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度信號，能夠滿足機上結(jié)構(gòu)應(yīng)變和溫度測試需求。

山東航天電子技術(shù)研究所一直致力于飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究，設(shè)計并制作了多種適用于熱真空環(huán)境的光纖傳感器。2016年，研制完成的光纖光柵傳感系統(tǒng)進行了在軌測試，完成了衛(wèi)星艙內(nèi)、艙外溫度與應(yīng)變參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了國內(nèi)光纖傳感系統(tǒng)的首次在軌應(yīng)用，如圖7所示。

1.3 國內(nèi)外主要差距

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，國外已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到多類航天器結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測，包括載人艙、熱防護系統(tǒng)、運載火箭等，而我國對光纖傳感技術(shù)的研究主要集中在基礎(chǔ)理論方面，并且主要應(yīng)用在建筑、電力、石油、鋼鐵等民用領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的研究剛剛起步，直至2016年才實現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)在星上的首次應(yīng)用。從應(yīng)用的深度來看，國外已將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于一些航天器比較關(guān)鍵的測試，形成了一定的特殊服務(wù)能力，我國在這方面還需進一步探索。在光纖傳感技術(shù)方面，如測量精度、測量范圍、測點密度等，國內(nèi)現(xiàn)有光纖傳感系統(tǒng)與國外NASA等的相關(guān)系統(tǒng)相比也存在顯著差距[20]，如表1所示?？傊覈枰M一步加快光纖傳感技術(shù)在航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用研究以及核心單元模塊技術(shù)的研究。

表1 不同光纖傳感系統(tǒng)性能指標(biāo)對比Table 1 Comparison of capabilities of differentoptical fiber sensing system

2 基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在航天器結(jié)構(gòu)上布設(shè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，通過光纖傳感器獲取結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變等參數(shù)，進而通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析對航天器結(jié)構(gòu)性能進行識別與評估?；诠饫w傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集解調(diào)單元、數(shù)據(jù)分析單元以及人機交互單元4部分組成，如圖8所示。

系統(tǒng)中光纖傳感網(wǎng)絡(luò)主要是通過復(fù)用技術(shù)將光纖溫度、應(yīng)變等傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)，以獲取各測點的狀態(tài)參數(shù)；數(shù)據(jù)采集解調(diào)單元接收光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的信號，并對其進行解調(diào)得到相應(yīng)的溫度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析單元根據(jù)獲得的溫度、應(yīng)變數(shù)據(jù)對航天器結(jié)構(gòu)損傷進行識別、定位與評估，并對其剩余壽命進行預(yù)測；人機交互單元則是以直觀、人性化的界面對相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進行顯示，供操作人員查看和操作。

通過分析基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成以及國內(nèi)與國外主要差距，可知需要對光纖傳感器密集復(fù)用技術(shù)進行研究，從而組成高密度傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)狀態(tài)的密集感知與監(jiān)測。同時，為提高航天器狀態(tài)感知精度，需要對高性能光纖解調(diào)技術(shù)進行研究。另外，光纖傳感設(shè)備的小型化和輕量化，是光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)，需要對光纖傳感設(shè)備的輕小型化技術(shù)進行研究。

2.1 光纖光柵傳感器密集復(fù)用技術(shù)

光纖布拉格光柵(FBG)是一種典型的波長調(diào)制型傳感器，其利用外界參量對FBG中心波長的調(diào)制來獲取傳感信息。為了實現(xiàn)對航天器結(jié)構(gòu)狀態(tài)的高密度測量，采用全同弱反射技術(shù)突破波分復(fù)用對光源帶寬的限制，實現(xiàn)FBG傳感器的密集復(fù)用。弱反射光纖光柵反射率、中心波長和帶寬等光學(xué)參數(shù)均相同，稱為“全同”光柵。因其反射率低，可以實現(xiàn)光纖光柵傳感器的大容量復(fù)用。

為了更好的分析全同弱反射光纖光柵陣列中信號的傳輸過程，針對寬帶脈沖入射法構(gòu)建時分陣列模型。假定寬帶脈沖的波長函數(shù)為I0(λ)(λ表示寬帶脈沖光波長)，經(jīng)過環(huán)形器進入光柵陣列被各個光柵依次反射，當(dāng)光脈沖經(jīng)過(n-1)個光柵FBG1,FBG2,…,FBGn-1后，下行光脈沖的光譜分別為I1(λ),I2(λ),…,In-1(λ)，則下行光譜可表達為

(1)

式中：fi(λ,λB)為第i個光柵的響應(yīng)函數(shù)；Ri為第i個光柵的反射率；λB為光柵的布拉格波長。

當(dāng)光脈沖依次透過前(n-1)個光柵后，其光譜In-1(λ)入射到第n個光柵，反射光依次經(jīng)過FBGn-1,…,FBG2,FBG1返回到入射端，則該光柵的反射信號可表示為

Gn(λ,λB)=Rnfn(λ,λB)In-1(λ)·

(2)

將式(1)帶入式(2)，可以得到第n個光柵反射信號為

Gn(λ,λB)=Rnfn(λ,λB)I0(λ)·

(3)

由于解調(diào)過程主要是監(jiān)測反射光柵信號的峰值波長變化，不考慮光譜形狀的影響，用Ri(λ)表示第i個光柵對峰值波長反射率，則式(3)可以簡化為

(4)

當(dāng)光柵為全同光柵時，式(4)可以簡化為

Gn(λ)=R(λ)I0(λ)[1-R(λ)]2(n-1)

(5)

假定入射光功率為0 dBm，根據(jù)式(5)分析光柵復(fù)用數(shù)量與反射信號功率下降的關(guān)系，如圖9所示。當(dāng)光柵反射率為-27 dB(0.2%)時，第1000個光柵的反射功率下降約30 dB，而當(dāng)光柵反射率為-50 dB(0.001%)時，下游光柵反射率下降約1 dB。反射率越低，下游光柵所受的影響越小，可復(fù)用光柵數(shù)量越大。

2.2 基于光頻域反射的密集光纖光柵解調(diào)技術(shù)

在光纖光柵傳感測量中，F(xiàn)BG中心波長的解調(diào)是獲取溫度、應(yīng)變等外界參量的前提。對于全同弱反射光纖光柵，常用的解調(diào)技術(shù)包括光學(xué)低相干反射技術(shù)(Optical Low Coherence Reflectmetry, OLCR)、光時域反射技術(shù)(Optical Time Domain Reflectmetry, OTDR)以及光頻域反射技術(shù)(Optical Frequency Domain Reflectmetry, OFDR)。其中，光學(xué)低相干反射技術(shù)具有微米量級距離分辨率，但測量范圍只能達到米量級(<5 m)；光時域反射技術(shù)測量距離可達幾十千米，但距離分辨率僅為米量級；光頻域反射技術(shù)在具有毫米量級空間分辨率的同時，測量距離達到百米量級，適合進行航天器結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測。

基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光頻域反射原理如圖10所示，由光源發(fā)出的線性掃頻激光經(jīng)過光纖耦合器分為兩路，一路進入待測光纖中，作為信號臂；另一路進入末端置有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的長度固定的光纖鏈路中，作為參考臂。信號臂中的反射信號與參考臂中端面反射信號在耦合器中發(fā)生干涉。由于兩路返回信號的光程不同，引入了時延，則干涉信號中含有拍頻信號。經(jīng)光電探測器后，干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由帶通濾波器取其差頻信號，并在頻譜分析儀中進行分析。在已知光纖中光速和掃頻速率的前提下，利用線性掃頻光源，測得的拍頻信號頻率可映射為物理距離，而拍頻信號功率則反應(yīng)了其相應(yīng)反射點的反射強度。

光頻域反射系統(tǒng)為了能獲得良好的干涉現(xiàn)象，激光光源必須為長相干光源，并且其輸出光頻為線性掃頻。線性掃頻光源特性如圖11所示，其中v0為起始光頻;γ為掃頻斜率;δvs為掃頻范圍;Ts為掃頻周期;τz為時間延時;fb為產(chǎn)生的拍頻信號。

參考臂反射信號與相對參考臂距離長度為z處的信號臂反射信號之間的延時為

(6)

式中:c為真空中的光速；nb為待測光纖的折射率。

所得拍頻信號的頻率如式(7)所示?？梢钥闯?，拍頻信號的頻率由反射信號和參考信號的光程差(即待測光纖與參考臂的相對距離)決定，而其強度則正比于反射信號的強度。

(7)

光頻域反射的定位原理是在獲取拍頻信號下，通過快速傅里葉變換FFT計算出拍頻的大小，并結(jié)合線性光源掃頻速率、光速以及光纖折射率反算而來，如式(8)所示。

(8)

2.3 光纖傳感設(shè)備輕小型化技術(shù)

航天器的艙室容積、載重等受到嚴(yán)格的限制。增加航天器載重量，不僅發(fā)射成本隨之大幅增加，而且航天器也要承受更大的沖擊過載和振動。因此，航天器上搭載的儀器設(shè)備需要體積小、質(zhì)量輕，并且能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。針對基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測需求，攻克光源小型輕量化、數(shù)采邏輯控制小型化以及電源小型輕量化等關(guān)鍵技術(shù)，研制小型化的高精度光纖傳感信號采集設(shè)備，實現(xiàn)多通道、多參數(shù)的快速同時實時采集，在提供高性能一體化監(jiān)測的同時，大幅降低傳感設(shè)備的體積和質(zhì)量。具體實施路線如下：

(1)設(shè)計相應(yīng)的小型化硬件，將解調(diào)所需的驅(qū)動模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號采集模塊、信號處理模塊集成一體，采用超大規(guī)模集成芯片，簡化外圍電子線路，使硬件電路滿足小型化要求；

(2)采用G.652等型號的小彎曲半徑光纖研制系統(tǒng)的光學(xué)模塊，光學(xué)模塊的彎曲半徑可由原來的100 mm縮小為20 mm，滿足解調(diào)器的小型化要求；

(3)自主開發(fā)嵌入式集成化系統(tǒng)，充分利用硬件性能，數(shù)據(jù)采集、分析、補償、計算、擬合實時處理，同時集成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，支持串口及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出；

(4)精選高可靠性電子元件，增強元器件可靠性，加強電路抗電磁干擾設(shè)計，有效過濾外界信號對電路工作的干擾，有效保證電路穩(wěn)定可靠的工作應(yīng)用。

3 啟示與建議

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)在基于光纖傳感的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測方面進行了大量研究，取得了一些成果，并在建筑、電力、石油、鋼鐵等民用領(lǐng)域進行了應(yīng)用。然而，面對嚴(yán)酷復(fù)雜的航天環(huán)境，其仍處于發(fā)展初期。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在航天器上的應(yīng)用情況，仍需在以下方面進一步進行深入研究。

1)多參量交叉敏感研究

光纖光柵傳感器存在溫度和應(yīng)變交叉敏感問題，光纖光柵做敏感元件時，對溫度和應(yīng)變都是敏感的，因此當(dāng)光纖光柵作為其中一個參量的傳感元件時，會受到另一參量的干擾。在將光纖光柵傳感器應(yīng)用到航天復(fù)雜環(huán)境中進行應(yīng)力應(yīng)變測量時，需要考慮不同使用環(huán)境溫度條件變化引起的敏感性問題。

2)光纖傳感器封裝技術(shù)研究

光纖傳感器細且脆弱，尤其是抗剪切能力差。航天器飛行過程中作用在結(jié)構(gòu)上的力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致光纖傳感器工作環(huán)境較為惡劣，直接將其粘貼在航天器結(jié)構(gòu)上進行應(yīng)力應(yīng)變測量難度很大，可靠性、安全性難以保證，因此需要針對航天器結(jié)構(gòu)的特點研究相應(yīng)的光纖封裝技術(shù)。

3)光纖傳感器標(biāo)定技術(shù)研究

在進行光纖傳感測量時，直接獲取的是光纖光柵傳感器返回的中心波長數(shù)據(jù)，為了獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，還需在測試前設(shè)計相應(yīng)的標(biāo)定方法，獲得應(yīng)變傳遞系數(shù)，修正應(yīng)變靈敏度系數(shù)，從而提高光纖光柵傳感器的測量精度，以滿足實際應(yīng)用需求。

4)結(jié)構(gòu)損傷定位與評估技術(shù)研究

由航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架可知，損傷識別、定位和評估是系統(tǒng)的重要組成部分，其定位精度和損傷程度的評估對后續(xù)的故障預(yù)測和維修決策具有極其重要的價值。目前，傳感器主要是根據(jù)一定的理論模型來進行布設(shè)，而實際的損傷位置點不確定性很大，因此，如何利用測得的傳感器數(shù)據(jù)來進行精確損傷定位與評估需要進行深入研究。

4 結(jié)束語

在復(fù)雜的空間環(huán)境中，光纖傳感技術(shù)能夠全方位感知航天器結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)。本文分析了國內(nèi)外基于光纖傳感技術(shù)的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測研究現(xiàn)狀。與國外相比，國內(nèi)光纖傳感技術(shù)在測量精度、測量范圍、測點密度等方面與國外存在顯著差距，并且在航天中的應(yīng)用也尚處于起步階段。本文結(jié)合分析結(jié)果與航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測框架，對基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括光纖光柵傳感器密集復(fù)用技術(shù)、基于光頻域反射的密集光纖光柵解調(diào)技術(shù)、光纖傳感設(shè)備輕小型化技術(shù)等，通過關(guān)鍵技術(shù)的研究進一步提高航天器結(jié)構(gòu)狀態(tài)感知能力，實現(xiàn)對航天器結(jié)構(gòu)損傷的精確感知及性能評估。最后，論述了光纖傳感技術(shù)在航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測中的發(fā)展趨勢，如光纖傳感器高精度標(biāo)定技術(shù)、結(jié)構(gòu)損傷精確定位與評估技術(shù)等，進一步推動光纖傳感技術(shù)在不同航天器結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，如長壽命在軌航天器、可重復(fù)使用航天器等，以提高航天任務(wù)的安全性與可靠性。

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