《Journal of Sensor and Actuator Networks》：Fiber Bragg Grating-Based Deformation Monitoring in Space Infrastructure: A Comprehensive Review
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现代空间基础设施的日益复杂化和运行寿命的延长，显著增强了对可靠结构健康监测（SHM）系统的需求。然而，极端空间环境，以辐射暴露、微重力、超高真空和剧烈热循环为特征，对传统电学传感技术施加了关键限制，导致测量精度降低、不稳定性和长期退化。本研究综述了基于光纤布拉
现代空间基础设施的日益复杂化和运行寿命的延长，显著增强了对可靠结构健康监测（SHM）系统的需求。然而，极端空间环境，以辐射暴露、微重力、超高真空和剧烈热循环为特征，对传统电学传感技术施加了关键限制，导致测量精度降低、不稳定性和长期退化。本研究综述了基于光纤布拉格光栅（FBG）的传感技术作为空间基础设施变形监测中一种有前景的解决方案进行了全面分析。研究人员研究了FBG传感器在空间条件下的基本工作原理，并系统分类了现有的基于FBG的SHM架构，包括点式、复用、长距离和混合传感系统。此外，FBG传感器的优势——如抗电磁干扰、无源操作和高分辨率多点传感——与传统电传感器进行了批判性评估。另外，分析了影响FBG系统在空间环境中性能的关键挑战，包括辐射诱导波长漂移、温度-应变交叉敏感性、信号衰减和长期稳定性问题。本文还强调了最近在解调技术和网络架构方面的进展，这些进展能够实现对空间结构的可靠原位和实时变形监测。结果表明，基于FBG的传感系统为极端环境下的SHM提供了可扩展且稳健的框架，同时也揭示了现有的局限性和开放的研究挑战。这项工作为开发下一代空间基础设施智能监测系统建立了结构化基础。
1. Introduction
现代空间基础设施的快速发展，包括卫星、轨道平台和长期任务，显著增加了对可靠结构健康监测（SHM）系统的需求。极端空间环境因素，如电离辐射、微重力、超高真空和剧烈热循环，导致传统电学传感技术性能受限。光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其抗电磁干扰、无源操作和高分辨率多点传感能力，成为变形监测的有前景替代方案。本文旨在系统分析FBG传感器在空间环境下的工作原理、分类现有SHM架构、评估优势与局限，并识别研究空白。与现有综述不同，本文采用系统级视角，专门针对空间基础设施，结合了架构分类、环境耦合效应分析和工程验证等方面。
1.1. Structural Degradation Factors in Space Environment
空间结构面临多种同时作用的物理退化机制，包括热循环引起的材料膨胀收缩、辐射暴露改变材料特性、微重力改变应力分布、超高真空导致放气和不稳定性。这些因素导致累积变形、疲劳损伤和长期参数漂移。结构变形模式包括热弹性变形、辐射诱导材料退化、复合材料疲劳积累和微振动动态变形。测量系统需应对温度-应变耦合和辐射引起的传感器响应漂移。未检测到的结构变化可能导致光学系统失调、天线性能下降和指向精度丧失，因此需要连续高分辨率监测。
1.2. Key Challenges in FBG-Based SHM Systems
在空间环境中实现FBG-SHM的关键技术挑战包括：辐射诱导波长漂移，即电离辐射导致光纤芯缺陷，引起折射率变化和布拉格波长偏移；温度-应变交叉敏感性，即FBG同时对机械应变和温度敏感，需要解耦技术；信号衰减和长距离传输限制，需要光学放大；复用限制和光谱重叠，即密集波分复用（WDM）导致光谱拥挤；长期稳定性和老化效应，即材料退化导致灵敏度变化和基线漂移；以及传感器集成和嵌入约束，即粘接和嵌入方法影响应变传递精度。
2. FBG-Based Structural Health Monitoring Technologies
近年来，大量研究致力于开发基于FBG的传感系统用于航空航天和空间基础设施的结构健康监测。FBG传感器因其固有优势，如抗电磁干扰、无源操作和多点测量能力，受到广泛关注。光学解调技术和网络架构的进步使得高分辨率传感系统能够监测复杂结构中的静态和动态变形过程。基于配置和功能特征，FBG传感系统可分为多种类型。
2.1. Classification of FBG-Based Sensing Approaches
基于FBG的传感系统可根据传感配置、网络架构和测量能力进行分类。第一类为传统点式FBG传感系统，使用独立光栅进行局部应变和温度测量。第二类为复用FBG传感器网络，利用波分复用（WDM）沿单根光纤集成多个传感点，增强空间分辨率并减少布线。进一步发展的是长距离FBG传感系统，通过光学放大（如掺铒光纤放大器EDFA和拉曼放大）补偿信号衰减，适用于大型分布式结构。另一重要类别为混合配置，将FBG传感器与分布式传感技术结合，实现高精度局部测量和连续全局监测。此外，FBG传感方法还可根据功能能力分类，包括检测磁场、折射率变化等物理参数。
2.2. Operating Principles of FBG Sensors
FBG传感器基于光纤芯中折射率调制形成的周期性光栅结构，反射特定波长的光，即布拉格波长。布拉格波长取决于有效折射率和光栅周期。外部机械应变和温度变化会引起这些参数变化，导致反射波长偏移。布拉格波长偏移由应变和温度共同决定，其中应变贡献取决于光弹性系数，温度贡献取决于热膨胀系数和热光系数。这种组合依赖性导致温度-应变交叉敏感性，在空间环境中尤为显著，因为强热梯度和机械载荷可能同时发生。
2.3. FBG Network Architectures and Interrogation Systems
FBG传感系统已从孤立传感元件演变为复杂网络架构，能够实现高分辨率、多点和长距离测量。系统架构包括基于WDM的复用传感阵列、光学放大（如EDFA）和FBG解调器。解调技术包括光谱仪基解调、可调谐激光解调、边缘滤波法等。数据处理单元执行峰值检测、波长跟踪、噪声滤波和信号解调，将光谱信息转换为应变、温度或变形值。高密度波分复用（DWDM）技术可增加单通道传感器数量，但会导致光谱重叠和串扰，需要优化光谱分配。混合架构结合离散FBG和分布式传感，提高了空间覆盖和可靠性。现代解调系统采用高速光谱分析，无移动部件，提高了动态响应和测量速度。
2.4. Comparative Analysis of FBG and Conventional Sensor Technologies
与传统电阻应变片相比，FBG传感器具有多个优点：抗电磁干扰、无源操作、多点复用能力、宽温度范围（-200°C至+300°C）和长距离信号传输能力。FBG传感器可测量0-5000 με应变，精度约±1 με，响应时间小于1 ms。然而，FBG传感器也存在局限性，如温度-应变交叉敏感性、辐射诱导波长漂移和密集复用中的光谱重叠。总体而言，FBG传感器在极端环境下提供更稳健和可扩展的解决方案，但系统性能取决于完整测量链的设计，包括光纤类型、粘接质量和补偿方法。
2.5. Environmental Constraints for FBG-Based SHM in Space Infrastructure
空间环境对FBG传感系统性能影响显著。电离辐射是主要因素，包括地球辐射带的高能粒子，导致光纤折射率变化和布拉格波长漂移。辐射效应与光纤成分、光栅写入条件、累积剂量、剂量率和温度密切相关。掺锗光纤对辐射敏感，而纯硅芯和掺氟光纤具有更好的辐射耐受性。微重力改变应力分布，使地面校准不适用。超高真空导致放气污染光学表面，并加剧热梯度。热循环引起材料疲劳和温度-应变耦合。此外，发射和部署阶段的振动冲击、光学互连可靠性以及校准方法可转移性都是重要约束。温度-应变解耦策略包括参考FBG、双参数传感、混合系统和数字补偿方法，各有优缺点。
2.6. Applications of FBG Sensors in Spacecraft Structures
FBG传感器已广泛应用于航天器结构监测，包括卫星太阳能电池板变形监测、复合材料结构内部应变测量、火箭发动机壳体监测、卫星本体温度和应变测量以及动态事件监测（振动、冲击）。表面安装FBG适用于可接近结构
