随着科学技术的进步和飞速发展以及国民经济建设、国防现代化的需求,航天器向着“高精度、高可靠性、长寿命”的方向发展。航天器在发射、变轨、交会对接和在轨运行过程中长期面临着包括空间辐照、微流星体与空间碎片撞击、气动加热、热循环等较为复杂的太空环境,且常伴随剧烈的结构振动。这些因素均可能导致结构的形变、疲劳、损伤等,给航天飞行带来较大隐患,甚至导致航天任务的失败。因此,对航天器结构应变和冲击的实时监测提出了迫切需求。近年来,光纤传感技术飞速发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器因其尺寸小、精度高、抗电磁干扰能力强、易波分复用与待测结构相容性好,被认为是结构健康监测的理想传感元件,相较于传统的传感器,将FBG传感器应用于航天飞行器的结构状态分析具有明显的优越性。但在航天特殊环境下,传感系统要长期可靠地工作,仍有不少理论和技术问题需要解决。本文分析了FBG传感器在航天器应用中的传感机理,研究了适用于航天器的传感器、信号解调系统以及信号处理、特征提取、超高速冲击位置识别技术,建立航天器结构状态分析监测系统,实现了航天器应变、温度监测以及舱壁超高速冲击等隐患的实时感知和准确评估。主要开展的研究工作如下:(1)在分析航天器在轨运行环境、应变检测需求和光纤光栅传感机理的基础上,设计开发了适用于空间环境的FBG传感器。首先对所设计的应变传感器进行了力学仿真分析,为了解决传感器应变和温度的交叉敏感问题,设计了温度传感器以补偿温度变化对应变传感器测量结果的影响,提出了一种温度传感器的增敏方法,以提高测量精度和灵敏度。开展了常温下应变传感器的精度、极限温度下的精度以及高低温环境下的温度传感器的性能测试实验,研究结果表明所设计开发的应变传感器和温度传感器具有较好的稳定性、重复性和较高的测试精度。在此基础上,将FBG传感器按照航天器监测需求,利用某型号航天器开展了实际安装测试,结果表明所开发的传感器可以满足航天器在轨结构应变的测量要求。(2)设计开发了适用于航天环境的光纤光栅应变检测解调系统。提出了一种基于F-P标准具和乙炔气室相结合的可调谐滤波解调方案,采用自适应阈值法解决了光源平坦度差引起的F-P标准具寻峰不准确的技术难题。并对所开发的解调系统进行温度稳定性和精度验证试验,实验结果表明该系统能有效克服F-P标准具透射波长随温度漂移而造成的解调精度下降问题,从而实现FBG传感器中心波长的稳定解调,误差在1%左右。(3)开展了超高频解调系统研制和单层金属板结构超高速撞击板波信号特征的仿真研究,深入了解撞击波在金属板中的传播规律。首先,在对FBG传感器超高速撞击响应机理分析与研究的基础上,通过改进设备及光路,构建了基于边缘滤波解调原理和未平坦宽带光源的FBG超高速撞击检测系统,并搭建了系统性能测试平台,对系统的响应特性进行了实验研究。然后,利用ANSYS软件建立的超高速撞击仿真模型,采用数值仿真方法,研究超高速撞击信号传播过程、金属板损伤演变过程及超高速撞击信号的模态、频散和时频特性,为利用超高速撞击信号对弹丸超高速撞击铝合金板的源定位和损伤模式识别提供了硬件和数据支撑。(4)在撞击信号特性研究的基础上,提出了基于菱形传感器阵列时差定位与极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)网络的声源定位技术。建立了基于极限学习机网络的区域定位模型和基于菱形传感阵列的时差定位模型,然后将实验采集数据的一部分作为测试样本验证了所建立定位模型的准确性。最后对超高速撞击信号进行同样的信号处理及特征提取,将所提取特征输入到定位模型得到撞击源位置。结果证明,两种定位技术均能实现超高速撞击源位置的准确定位,很好地解决了太空复杂环境中撞击源精确定位的难题。基于光纤光栅传感技术设计的适用于空间环境的FBG传感器和开发的应变传感器解调系统为航天器在轨结构应变检测提供了实践基础。搭建的超高频检测系统与分析的板波信号特征以及提出的超高速撞击智能识别算法和时差定位方法为航天器结构的在轨状态及时感知、评估和定位提供理论和实践基础。