基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測研究

邵飛 楊寧 孫維 申景詩 張建德

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

隨著航天技術的發展，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的迅速發展，使得新一代航天器服役周期長、服役環境惡劣。航天器長期工作在惡劣的空間環境中，時刻面臨著各類嚴酷的挑戰，包括空間輻照、微流星體與空間碎片撞擊、氣動加熱、熱循環等，且常伴隨劇烈的結構振動，這些因素可能導致結構的疲勞、裂紋、屈曲等，給航天飛行帶來較大隱患，甚至導致航天任務的失敗，因此，對航天器結構溫度、應力應變、形變等參數的實時監測提出了迫切需求[1]。以空間站為例，空間站在其服役期間需要對承力件、壓力艙蒙皮等結構狀態進行監測，檢測結構是否出現疲勞裂紋或小孔損傷；另外，空間站等大型航天結構在服役期間會進行多次交會對接，還需實時監測交會對接對結構的影響，尤其是一些外伸結構，如太陽電池翼等。然而，電子傳感等傳統傳感器易受電磁影響，在空間環境中難以滿足上述這些航天任務需求。

光纖傳感技術是隨著光纖通信技術發展起來的一種新型傳感技術，工作原理是光在光纖中傳輸時，其特征參量振幅、波長、相位、偏振態等會受到外界因素如溫度、應力應變等的調制而發生直接或間接的變化，只要通過解調受調制光的各種本征參數即可獲得外界物理量的信息[2-3]。與傳統傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、體積小、質量輕、抗電磁干擾、測點密度高等優點。光纖傳感器能在復雜環境下高精度、穩定、實時監測航天器結構的溫度、應變等參數，全方位感知航天器結構的狀態數據，從而有效保證航天器的正常運行和航天員的生命安全，提高航天任務的可靠性和安全性。

針對航天器結構健康狀態監測對先進傳感技術的需求，本文對基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測的國內外研究情況進行了分析。在此基礎上，結合航天器結構健康狀態監測系統框架，梳理系統關鍵技術。最后，結合國內光纖傳感技術在軌應用情況，給出基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測的發展建議，以進一步推動其在航天中的深入應用。

1 基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測研究現狀

光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)是應用最廣泛的光纖傳感器之一，具有光的選擇性。當光在光纖中傳播時，滿足布拉格條件的光會被反射回來，其余的光則繼續向前傳播，如圖1所示。研究表明，溫度、應變等物理量會引起FBG中心波長的變化，并且兩者呈線性關系且具有良好的重復性，因此可以利用FBG中心波長實現對溫度、應變等物理量的測量，進而根據結構溫度、應變等物理量的變化情況實現對結構的健康狀態監測。

1.1 國外光纖光柵傳感結構健康狀態監測研究現狀

從20世紀70年代開始，光纖光柵傳感技術就已在航天領域得到了廣泛應用，展示了巨大的發展前景。在基于光纖光柵傳感的航天器結構健康狀態監測方面，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機構(JAXA)等。

1.1.1 NASA光纖光柵傳感結構健康狀態監測研究現狀

1998年，為了對X-33試驗航天器結構進行健康狀態監測，NASA在其燃料儲箱以及保溫層安裝了基于FBG傳感器的多方向應變和溫度測量系統[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絡系統，用于監測X-38試驗航天器發射和返航過程中結構部件的力學載荷和熱載荷，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FOSS(Fiber Optical Sensing System)，以實現光纖傳感數據的高速、高密度解調[6]。在FOSS系統中，單根光纖FBG傳感器復用容量可達2000個，支持8路光纖并行解調，因此整個系統的FBG傳感器復用容量達到了16 000個。FOSS系統能夠實時獲取航天器應變、溫度、載荷、形變等關鍵參數，從而完成對航天器結構的健康狀態監測，如圖3所示。

2012年，阿姆斯特朗飛行研究中心聯合澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO Australia)對熱防護系統(Thermal Protection System, TPS)損傷監測進行了研究，開發了一套基于FOSS系統的TPS健康狀態監測演示系統，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(compact Fiber Optic Sensing System，cFOSS)，主要完成低溫液體燃料液位監測、火箭結構應力應變監測、加速度測量等任務，并為新一代火箭設計提供參考數據。

1.1.2 ESA光纖光柵傳感結構健康狀態監測研究現狀

太陽帆由于面積大、質量輕，因而結構易出現較大形變。太陽帆的結構狀態對評估結構極限以及結構設計與優化十分重要，但電磁類傳統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光纖傳感網絡進行了太陽帆帆桁形變監測的地面實驗[7]。

2006年，ESA針對再入飛行器“EXPERT”項目開發了一套TPS健康狀態監測系統，在整個飛行器再入過程中，利用FBG傳感網絡對TPS性能狀況進行監測[8]，如圖5所示。

2009年，ESA在星上自主性項目-2(Proba-2)衛星上搭載了光纖傳感樣機(Fiber Sensor Demonstrator，FSD)，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是第一個搭載在衛星上的光纖傳感樣機，2010年下傳的10個月衛星狀態數據表明光纖傳感樣機在空間環境中工作穩定。

1.1.3 JAXA光纖光柵傳感結構健康狀態監測研究現狀

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合材料加筋板應變進行了監測，證明FBG傳感器可以用作航天結構的損傷監測[10]。2015年，JAXA研制了一套基于FBG傳感器的運載火箭結構健康狀態監測系統，并應用于Epsilon-1火箭的地面試驗。

1.2 國內光纖光柵傳感結構健康狀態監測研究現狀

在國內，一些高校和科研機構也緊隨國際研究前沿開展了相關研究工作。天津大學在光纖光柵傳感器及解調技術方面進行了大量研究工作，構建了溫度、應變、壓力、振動等傳感系統[11]。

武漢理工大學采用相位掩模法在線連續制備弱光柵陣列，可用于研制基于全同弱光柵的光纖光柵傳感網絡[12]，同時武漢理工大學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]，并利用波分復用與時分復用分段混合復用的方式實現了FBG傳感器的大容量復用[14]。華中科技大學、燕山大學等也在基于全同弱反射的光纖光柵準分布式傳感技術以及波分/時分混合復用等方面進行了深入研究[15-16]。

2009年，南京航空航天大學利用FBG傳感網絡對某型號飛機機翼盒段結構載荷情況進行了有效監測[17]。2011年，南京航空航天大學又基于FBG傳感網絡對可變翼體結構關鍵部位應變分布情況進行了研究[18]。2015年，山東大學以航空復合材料板結構為研究對象，建立了基于FBG傳感網絡的高可靠性低速沖擊定位方法，實現了航空復合材料結構損傷準確診斷及評估[19]。

中航工業北京長城計量測試技術研究所進行了光纖光柵傳感系統的機載飛行試驗，對某飛機關鍵部位應變、加速度及機艙溫度進行了測試，如圖6所示。結果表明，光纖傳感系統在飛行環境下可有效獲得飛機結構應變和溫度信號，能夠滿足機上結構應變和溫度測試需求。

山東航天電子技術研究所一直致力于飛行器結構健康監測技術的研究，設計并制作了多種適用于熱真空環境的光纖傳感器。2016年，研制完成的光纖光柵傳感系統進行了在軌測試，完成了衛星艙內、艙外溫度與應變參數的實時監測，實現了國內光纖傳感系統的首次在軌應用，如圖7所示。

1.3 國內外主要差距

通過對國內外研究現狀分析可知，國外已經將光纖傳感技術應用到多類航天器結構的健康狀態監測，包括載人艙、熱防護系統、運載火箭等，而我國對光纖傳感技術的研究主要集中在基礎理論方面，并且主要應用在建筑、電力、石油、鋼鐵等民用領域，在航空航天領域的研究剛剛起步，直至2016年才實現了光纖傳感技術在星上的首次應用。從應用的深度來看，國外已將光纖傳感技術應用于一些航天器比較關鍵的測試，形成了一定的特殊服務能力，我國在這方面還需進一步探索。在光纖傳感技術方面，如測量精度、測量范圍、測點密度等，國內現有光纖傳感系統與國外NASA等的相關系統相比也存在顯著差距[20]，如表1所示。總之，我國需要進一步加快光纖傳感技術在航天器結構健康狀態監測方面的應用研究以及核心單元模塊技術的研究。

表1 不同光纖傳感系統性能指標對比Table 1 Comparison of capabilities of differentoptical fiber sensing system

2 基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測關鍵技術

基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測系統在航天器結構上布設光纖傳感網絡，通過光纖傳感器獲取結構溫度、應變等參數，進而通過相應的數據分析對航天器結構性能進行識別與評估。基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測系統主要由光纖傳感網絡、數據采集解調單元、數據分析單元以及人機交互單元4部分組成，如圖8所示。

系統中光纖傳感網絡主要是通過復用技術將光纖溫度、應變等傳感器組成傳感網絡，以獲取各測點的狀態參數；數據采集解調單元接收光纖傳感網絡的信號，并對其進行解調得到相應的溫度、應變等數據；數據分析單元根據獲得的溫度、應變數據對航天器結構損傷進行識別、定位與評估，并對其剩余壽命進行預測；人機交互單元則是以直觀、人性化的界面對相關數據及分析結果進行顯示，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構健康狀態監測系統組成以及國內與國外主要差距，可知需要對光纖傳感器密集復用技術進行研究，從而組成高密度傳感網絡，實現航天器結構狀態的密集感知與監測。同時，為提高航天器狀態感知精度，需要對高性能光纖解調技術進行研究。另外，光纖傳感設備的小型化和輕量化，是光纖傳感技術應用于航天器結構健康狀態監測的基礎，需要對光纖傳感設備的輕小型化技術進行研究。

2.1 光纖光柵傳感器密集復用技術

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

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建時分陣列模型。假定寬帶脈沖的波長函數為I0(λ)(λ表示寬帶脈沖光波長)，經過環形器進入光柵陣列被各個光柵依次反射，當光脈沖經過(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個光柵的響應函數；Ri為第i個光柵的反射率；λB為光柵的布拉格波長。

當光脈沖依次透過前(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)

由于解調過程主要是監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，根據式(5)分析光柵復用數量與反射信號功率下降的關系，如圖9所示。當光柵反射率為-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，可復用光柵數量越大。

2.2 基于光頻域反射的密集光纖光柵解調技術

在光纖光柵傳感測量中，FBG中心波長的解調是獲取溫度、應變等外界參量的前提。對于全同弱反射光纖光柵，常用的解調技術包括光學低相干反射技術(Optical Low Coherence Reflectmetry, OLCR)、光時域反射技術(Optical Time Domain Reflectmetry, OTDR)以及光頻域反射技術(Optical Frequency Domain Reflectmetry, OFDR)。其中，光學低相干反射技術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，適合進行航天器結構的健康狀態監測。

基于邁克爾遜干涉儀結構的光頻域反射原理如圖10所示，由光源發出的線性掃頻激光經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。經光電探測器后，干涉光信號轉換為電信號，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了其相應反射點的反射強度。

光頻域反射系統為了能獲得良好的干涉現象，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。可以看出，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 光纖傳感設備輕小型化技術

航天器的艙室容積、載重等受到嚴格的限制。增加航天器載重量，不僅發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備需要體積小、質量輕，并且能夠適應惡劣環境。針對基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測需求，攻克光源小型輕量化、數采邏輯控制小型化以及電源小型輕量化等關鍵技術，研制小型化的高精度光纖傳感信號采集設備，實現多通道、多參數的快速同時實時采集，在提供高性能一體化監測的同時，大幅降低傳感設備的體積和質量。具體實施路線如下：

(1)設計相應的小型化硬件，將解調所需的驅動模塊、光電轉換模塊、信號采集模塊、信號處理模塊集成一體，采用超大規模集成芯片，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的光學模塊，光學模塊的彎曲半徑可由原來的100 mm縮小為20 mm，滿足解調器的小型化要求；

(3)自主開發嵌入式集成化系統，充分利用硬件性能，數據采集、分析、補償、計算、擬合實時處理，同時集成網絡服務，支持串口及網絡數據輸出；

(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計，有效過濾外界信號對電路工作的干擾，有效保證電路穩定可靠的工作應用。

3 啟示與建議

經過多年的發展，國內在基于光纖傳感的結構健康狀態監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、鋼鐵等民用領域進行了應用。然而，面對嚴酷復雜的航天環境，其仍處于發展初期。結合當前國內光纖傳感技術在航天器上的應用情況，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變交叉敏感問題，光纖光柵做敏感元件時，對溫度和應變都是敏感的，因此當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用到航天復雜環境中進行應力應變測量時，需要考慮不同使用環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構上的力學環境復雜，導致光纖傳感器工作環境較為惡劣，直接將其粘貼在航天器結構上進行應力應變測量難度很大，可靠性、安全性難以保證，因此需要針對航天器結構的特點研究相應的光纖封裝技術。

3)光纖傳感器標定技術研究

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據，為了獲取結構應變數據，還需在測試前設計相應的標定方法，獲得應變傳遞系數，修正應變靈敏度系數，從而提高光纖光柵傳感器的測量精度，以滿足實際應用需求。

4)結構損傷定位與評估技術研究

由航天器結構健康狀態監測系統框架可知，損傷識別、定位和評估是系統的重要組成部分，其定位精度和損傷程度的評估對后續的故障預測和維修決策具有極其重要的價值。目前，傳感器主要是根據一定的理論模型來進行布設，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據來進行精確損傷定位與評估需要進行深入研究。

4 結束語

在復雜的空間環境中，光纖傳感技術能夠全方位感知航天器結構狀態數據。本文分析了國內外基于光纖傳感技術的航天器結構健康狀態監測研究現狀。與國外相比，國內光纖傳感技術在測量精度、測量范圍、測點密度等方面與國外存在顯著差距，并且在航天中的應用也尚處于起步階段。本文結合分析結果與航天器結構健康狀態監測框架，對基于光纖傳感的航天器結構健康狀態監測關鍵技術進行了研究，包括光纖光柵傳感器密集復用技術、基于光頻域反射的密集光纖光柵解調技術、光纖傳感設備輕小型化技術等，通過關鍵技術的研究進一步提高航天器結構狀態感知能力，實現對航天器結構損傷的精確感知及性能評估。最后，論述了光纖傳感技術在航天器結構健康狀態監測中的發展趨勢，如光纖傳感器高精度標定技術、結構損傷精確定位與評估技術等，進一步推動光纖傳感技術在不同航天器結構健康狀態監測中的應用，如長壽命在軌航天器、可重復使用航天器等，以提高航天任務的安全性與可靠性。

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