CN112254769B - 一种航天器结构多功能健康监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器结构多功能健康监测系统和方法，用以解决现有技术中对航天器监测设备过多、无数据整合的问题。所述航天器结构多功能健康监测方法，通过数据集成处理模块连接外部电源并传递给其他模块，同时为其他模块下发设置的采集参数、采集开始、停止指令，三大监测模块采集完数据后发送至数据集成处理模块；在接收采集数据后，整合结构温度、应变状态、弹性导波及声发射数据，分析温度曲线、裂纹损伤、碰撞损伤及泄漏状态并进行显示。本发明实现了航天器结构多参数的集成采集、数据整合与分析，更高效更便捷地对航天器的几何结构、应变、温度等健康状态进行监测，对裂纹、碰撞和泄漏等损伤进行预警，确保航天器的安全性和可靠性。

Description

一种航天器结构多功能健康监测系统和方法

技术领域

本发明属于航天器结构监测领域，具体涉及一种航天器结构多功能健康监测系统和方法。

背景技术

空间站等航天器结构复杂，发射和在轨运行期间的力、热等载荷环境恶劣，特别是长期在轨运行的载人航天器，为保证任务执行的稳定性和安全性，需要在航天器结构上布设监测其振动应变、加速度、温度等结构状态的传感器，对载人航天器的密封舱，还需要布设监测密封舱是否发生空间碎片碰撞、甚至导致密封舱泄漏的传感器，并设置数据采集和分析装置，对传感器采集的振动、温度、速度、泄漏等信号进行数据分析，评估航天器结构的健康状态。

现有技术中，针对航天器的不同结构，分别采用不同的监测原理及装置，对结构状态及异常进行监测。例如，基于光纤传感测试的结构健康监测，对航天器关键结构的温度、应变、振动等参数进行实时监控；安装测量应变和温度的光纤传感网络，对飞行器结构可靠性进行实时在线地监测；通过超声导波传感器网络，对飞机机翼结构健康状态进行实时数据收集和显示；通过超声阵列传感器，对航天器遭受碰撞和泄漏情况进行判断和定位等。但是，当对航天器结构进行全面的状态监测及异常判断时，则需要分别调用各种状态监控的数据；同时各种数据之间是相互独立的，无法充分实现监测数据的价值。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种航天器结构多功能健康监测系统和方法，通过对光纤传感数据、弹性导波传感数据及声发射传感数据的整合，实现对航天器结构的几何结构、应变、温度、裂纹和泄漏等损伤的全面监测，提高对监测数据的利用效率，从而提高监测准确度和精度，确保航天器的安全性和稳定性。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述多功能健康监测系统包括：光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块、数据集成处理模块及显示模块；其中，

所述光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块同时与所述数据集成处理模块相连；

所述光纤传感监测模块用于对布设在航天器结构上的光纤温度传感器、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块；

所述弹性导波传感监测模块用于对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块；

所述声发射传感监测模块用于对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将声信号数据上传至数据集成处理模块；

所述数据集成处理模块用于连接外部电源并传递给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块及显示模块，还用于为光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块下发设置的采集参数、采集开始指令、采集停止指令，接收光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块采集的数据，并整合结构温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给所述显示模块进行状态显示；

所述显示模块用于接收来自数据集成处理模块的监测数据及结果，对结构温度、应变状态、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

作为本发明的一个优选实施例，所述光纤传感监测模块包括：多通道分光单元、光信号控制单元、第一中央控制单元、信号采集与处理单元、第一电源管理单元；其中，

所述第一中央控制单元同时与所述多通道分光单元、光信号控制单元、信号采集与处理单元、所述第一电源管理单元相连，所述多通道分光单元同时与所述光信号控制单元相连；所述光信号控制单元与所述信号采集与处理单元相连；

所述多通道分光单元用于实现多个通道光纤传感器参数测量，并生成便于存储和处理的信号发送给信号采信和处理单元；

所述光信号控制单元用于实现驱动激光器输出指定强度和波长的光、激光器内部温度控制和对光功率的监测；

所述第一中央控制单元还与所述数据集成处理模块相连，用于控制系统的运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输，对结构温度和实时应变进行监测；还用于控制光信号控制单元输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制；

所述信号采集与处理单元用于将光路中的光信号转换为模拟电信号同，并将模拟电信号转换为数字信号，还用于对转换后数字信号的读取、对激光器输出波长的校准、对光谱的解算和上传；还用于光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变状态信息数据；

所述第一电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述弹性导波传感监测模块包括第二中央控制单元、信号激励单元、通道切换控制单元、第一信号采集与存储单元和第二电源管理单元；其中，

所述第二中央控制单元同时与所述信号激励单元、通道切换控制单元、第一信号采集与存储单元、第二电源管理单元相连；

所述第二中央控制单元还同时与所述数据集成处理模块相连，用于控制运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输；

所述信号激励单元用于产生可引起压电晶片振动的不同频率、周期、幅值的高压导波激励信号；

所述通道切换控制单元用于控制单路高压激励通道的切换和多路回波信号通道的同步切换，同时也对回波信号进行信号调理，满足信号远距离传输要求；

所述第一信号采集与存储单元用于完成回波信号的调理、采集和存储；

所述第二电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述声发射传感监测模块包括第三中央控制单元、通道切换控制单元、第二信号采集与存储单元和第三电源管理单元；其中，

所述通道切换控制单元、第二信号采集与存储单元和第三电源管理单元同时与所述第三中央控制单元相连；

所述第三中央控制单元用于控制模块的运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输；

所述通道切换控制单元用于控制采集通道与传感器单元之间的切换，采集通道与声发射传感器器连接，根据监测结果，适时将采集通道切换至矢量声传感器阵列上；

所述第三信号采集与存储单元用于完成回波信号的调理、采集和存储；

所述第三电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述数据集成处理模块包括第四中央控制单元、通信接口单元、数据存储和整合单元、监测分析单元和第四电源管理单元；其中，

所述第四中央控制单元同时与所述通信接口单元、数据存储与整合单元、监测分析单元和第四电源管理单元相连；

所述第四中央控制单元用于控制系统的总体运行逻辑、向光纤传感、弹性导波、声发射监测模块发送工作指令、控制与光纤传感、弹性导波、声发射监测模块的数据传输、控制数据处理结果输出；

所述通信接口单元分别连接第一中央控制单元、第二中央控制单元和第三中央控制单元的通信接口和数据集成处理模块自身的第四中央控制单元；

所述数据存储与整合单元用于在第四中央控制单元的控制下接收第一中央控制单元、第二中央控制单元和第三中央控制单元的监测数据，并对数据按温度、应变、裂纹、碰撞、泄漏进行数据的整合和分类，对数据进行存储，以供监测分析单元的调用；

所述监测分析单元同时与所述数据存储与整合单元相连，用于调用数据存储与整合单元中的所有数据，进行结构健康状态分析；

所述第四电源管理单元，用于引入外部电源并为各模块提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述监测分析单元的健康状态分析，包括温度分析、应变分析、裂纹损伤分析、碰撞损伤分析、泄漏及泄漏定位分析。

第二方面，本发明实施例还提供了一种航天器结构多功能健康监测方法，所述多功能健康监测方法包括如下步骤：

步骤S1，外部电源通过数据集成处理模块将电能提供给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块；

步骤S2，光纤传感监测模块对布设在航天器结构上的光纤温度、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块；

步骤S3，弹性导波传感监测模块对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块；

步骤S4，声发射传感监测模块对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将数据上传至数据集成处理模块；

步骤S5，数据集成处理模块根据数据采集要求发设置采集参数、采集开始指令、采集停止指令并下发给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块，并接收光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块采集的数据；再整合结构温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给显示模块；

步骤S6，显示模块接收来自数据集成处理模块的数据，对所述结构温度、应变状态及裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S1通过光纤传感监测模块实现，包括如下步骤：

步骤S101，第一中央控制单元首先与光信号控制单元连接，控制光信号控制单元内部的激光器、驱动电路及温控组件，输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制；

步骤S102，光信号控制单元将激光输出给多通道分光单元，将一路激光分割为多路激光，实现多通道参数测量；多通道分光单元与光纤传感器网络连接，光纤传感器将探测到的信号反馈给多通道分光单元，将多路光信号进行隔离和耦合，生成便于存储和处理的信号；

步骤S103，多通道分光单元将光信号反馈给信号采集与处理单元，通过该模块的光电探测组件将光路中的光信号转换为模拟电信号；然后，信号采集处理组件将转换后的模拟电信号转换为数字信号，然后信号处理组件对转换后数字信号进行读取、对激光器输出波长进行校准、对光谱进行解算；

步骤S104，信号采集与处理单元将光谱数据传输给中央控制单元的从控器，进行光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变的物理状态信息数据；

步骤S105，通过第一中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的温度、应变的物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S106，第一电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S2通过弹性导波传感监测模块实现，包括如下步骤：

步骤S201，第二中央控制单元首先与信号激励单元连接，控制信号激励单元的波形发生器产生特定频率、周期、幅值的导波激励信号，然后信号激励单元的功率放大器将波形发生器的低压信号进行线性放大，输出电压为百伏级的信号；

步骤S202，信号激励单元将功率放大后的导波激励信号输出给通道切换控制单元的激励通道控制继电器，控制多路激励信号中的单一通路的开关，激励通道控制继电器与导波传感器连接，将导波激励信号施加到导波传感器，使导波传感器产生激励，施加到被监测的结构上，使被监测的结构内部产生导波，并在结构中传递；

步骤S203，被监测结构上的其他位置的导波传感器感知到传递过来的导波信号，回波信号与通道切换控制单元的回波通道切换开关矩阵连接，将指定回波信号通道打开，接收指定通道的回波信号；

步骤S204，通道切换控制单元将回波信号输出给信号采集与存储单元，通过信号采集与存储单元的信号调理器对回波信号进行AD转换、滤波处理，通过数据采集器对滤波后的信号进行采集，并存储到数据存储器；

步骤S205，第一信号采集与存储单元将导波信号传输给第二中央控制单元，对导波信号进行处理分析，得到被监测结构的裂纹损伤物理状态信息数据；

步骤S206，通过第二中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的裂纹损伤物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S207，第二电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路提供电源管理。

作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S4通过数据采集处理模块实现，以第四中央控制单元为核心单元，数据采集处理模块各单元之间操作执行过程如下：

步骤S401，第四中央控制单元与通信接口单元连接，通过通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，向其他三个模块下发采集信号指令；同时，中央控制单元控制通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，接收三个监测模块上传的信号数据；

步骤S402，第四中央控制单元将接受的数据传输给数据存储与整合单元，将数据进行整合和存储；

步骤S403，第四中央控制单元控制监测分析单元以预定间隔调用数据存储与整合模块的数据，根据数据进行结构健康状态分析，并将监测分析单元所反馈的分析结果发送给所述显示模块；

步骤S404，第四电源管理单元与其他各单元进行连接及外部电源连接，对所有模块提供电源管理。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例所述航天器结构多功能健康监测系统，实现了航天器结构多参数的集成采集与数据分析，通过数据的整合和相互印证，实现多功能的结构状态监测，可以更高效更便捷地对航天器特别是载人密封舱结构的几何结构、应变、温度等健康状态进行全面的监测与分析，对损伤、碰撞和泄漏等异常情况及时预警，确保航天器特别是载人航天器的安全性、可靠性和稳定性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施方式提供的航天器结构多功能健康监测系统结构框图；

图2为本发明实施方式中光纤传感监测模块结构框图；

图3为本发明实施方式中弹性导波传感监测模块结构框图；

图4为本发明实施方式中声发射传感监测模块结构框图；

图5为本发明实施方式中数据集成处理模块结构框图；

图6为本发明实施方式提供的航天器结构多功能健康监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施方式提供了一种航天器结构多功能健康监测系统。如图1所示，所述多功能健康监测系统包括：光纤传感监测模块100、弹性导波传感监测模块200、声发射传感监测模块300、数据集成处理模块400及显示模块500。其中，所述光纤传感监测模块100、弹性导波传感监测模块200、声发射传感监测模块300同时与所述数据集成处理模块400相连。

所述光纤传感监测模块100用于对布设在航天器结构上的光纤温度、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块400。

所述弹性导波传感监测模块200用于对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块400。

所述声发射传感监测模块300用于对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将数据上传至数据集成处理模块400。

所述数据集成处理模块400用于连接外部电源并传递给其他模块，还用于为光纤传感监测模块100、弹性导波传感监测模块200、声发射传感监测模块300下发设置的采集参数、采集开始指令、采集停止指令，接收光纤传感监测模块100、弹性导波传感监测模块200、声发射传感监测模块300采集的数据，并整合结构温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给所述显示模块500进行状态显示。

所述显示模块500接收来自数据集成处理模块400的数据，对所述结构温度、应变状态及裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

如图1和图2所示，所述光纤传感监测模块100包括：多通道分光单元110、光信号控制单元120、第一中央控制单元130、信号采集与处理单元140、第一电源管理单元150；所述第一中央控制单元130同时与所述多通道分光单元110、光信号控制单元120、信号采集与处理单元140、所述第一电源管理单元150相连，所述多通道分光单元110同时与所述光信号控制单元120相连；所述光信号控制单元120与所述信号采集与处理单元140相连。

其中，所述多通道分光单元110，包括分光器111、隔离器与耦合器112。通过多光路分光单元110实现多个通道光纤传感器参数测量；多通道分光单元110与光纤传感器网络连接，光纤传感器将探测到的信号反馈给多通道分光单元110，隔离器与耦合器112将多路光信号进行隔离和耦合，生成便于存储和处理的信号发送给信号采信和处理单元140。

所述光信号控制单元120包括激光器121、激光器驱动电路122和温控组件123组成，在第一中央控制单元130的控制下实现驱动激光器121输出指定强度和波长的激光、激光器内部温度控制和对光功率的监测。

所述第一中央控制单元130同时与所述数据集成处理模块400相连，包含对采集的光谱进行数据处理、控制的解调模块131、上位机交互模块132和内电源管理模块133。第一中央控制单元130采用数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)与现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)协调工作，控制系统的运行逻辑、控制与数据集成处理模块400的数据通讯、接收数据集成处理模块400的工作指令、控制与数据集成处理模块400的数据传输；FPGA为主控器，DSP为从控器，完成光谱信号的数据处理计算功能，对结构温度和实时应变进行监测。

所述第一中央控制单元130同时与所述数据集成处理模块400的指令和数据通讯接口软件上采用TCP/IP协议，硬件上通过例如HJ30J-12ZK型号的电连接器与数据集成处理模块的路由器进行连接，实现物理上的指令和数据传输通道。第一中央控制单元130的数据通讯接口，将处理得到的温度、应变等物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块400。

所述第一中央控制单元130还用于控制光信号控制单元120内部的激光器121和驱动电路122及温控组件123，输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制。

所述信号采集与处理单元140，包括依次相连的光电探测组件141、信号采集组件142和信号处理组件143，光电探测组件141将光路中的光信号转换为模拟电信号；信号采集处理组件142将转换后的模拟电信号转换为数字信号供处理器进行读取，对转换后数字信号的读取、对激光器输出波长的校准、对光谱的解算和上传；还用于将将光谱数据传输给第一中央控制单元130的从控器DSP，进行光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变等物理状态信息数据。

所述第一电源管理单元150，为模块内部的各单元提供电源管理。采用28V直流供电，内部由开关电源将28V变换为5V、3.3V等不同幅值的电压，用于为模块内部电路供电。电源输入接口实现与数据集成处理模块400的28V直流电源的物理连接，优选地，采用例如NF28050-3R型号的标准条形接插件实现与数据集成处理模块400的物理连接。

如图1和图3所示，弹性导波传感监测模块200包括第二中央控制单元210、信号激励单元220、通道切换控制单元230、第一信号采集与存储单元240、第二电源管理单元250。其中，所述第二中央控制单元210同时与所述信号激励单元220、通道切换控制单元230、第一信号采集与存储单元240、第二电源管理单元250相连。

所述第二中央控制单元210还同时与所述数据集成处理模块400相连，采用ARM微处理器和FPGA实现，通过ARM微处理器211和FPGA212进行协同工作。ARM微处理器211为主控器，运行在嵌入式操作系统上，控制运行逻辑、控制与数据集成处理模块400的数据通讯、接收数据集成处理模块400的工作指令、控制与数据集成处理模块400的数据传输、控制与FPGA212的数据传输；FPGA212为从控器，完成与主控器ARM微处理器211的数据传输、控制导波激励信号、控制回波数据采集。

优选地，与数据集成处理模块400的指令和数据通讯接口软件上采用TCP/IP协议，硬件上通过例如HJ30J-12ZK型号的电连接器与数据集成处理模块的路由器进行连接，实现物理上的指令和数据传输通道。

所述信号激励单元220，包括波形发生器221和信号功率放大器222，用于产生可引起压电晶片振动的高压导波激励信号。波形发生器221由中央控制单元210的FPGA212控制，实现不同频率、周期、幅值的导波波形信号。信号发生带宽范围：10～500kHz。信号输出幅值：2Vpp。功率放大器222将波形发生器221的低压信号进行线性放大，输出电压为百伏级。

所述通道切换控制单元230包括激励通道控制继电器231和回波通道切换开关矩阵232组成，控制单路高压激励通道的切换和多路回波信号通道的同步切换，同时也对回波信号进行信号调理，以满足信号远距离传输要求。激励通道控制继电器231用于实现某一指定激励通道的打开；回波通道切换开关矩阵232用于实现指定回波信号通道打开，实现高压激励信号与低压回波信号隔离。

所述第一信号采集与存储单元240包括信号调理器243、数据采集器242和数据存储器241，用于完成回波信号的调理、采集和存储。来自通道切换控制单元230的信号经过增益调节、低通滤波、A/D采集等最终存入信号采集与存储单元240。信号采集为4路同步采集，采样率为6MS/s，A/D分辨率为12bit，单路径单次采样点数最大10000，数据存储容量64GB。

所述第二电源管理单元250，采用28V直流供电，内部由开关电源将28V变换为5V、3.3V等不同幅值的电压，为模块内部电路供电。电源输入接口采用例如NF28050-3R型号的标准条形接插件实现与数据集成处理模块28V直流电源的物理连接。

如图1和图4所示，声发射传感监测模块300包括第三中央控制单元310、通道切换控制单元320、第二信号采集与存储单元330和第三电源管理单元340；其中，所述通道切换控制单元320、第二信号采集与存储单元330和第三电源管理单元340同时与所述第三中央控制单元310相连。

所述第三中央控制单元310，采用ARM和FPGA实现，进行协同工作。ARM为主控器，运行在嵌入式操作系统上，控制模块的运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输、控制与FPGA的数据传输；FPGA为从控器，完成与主控器ARM的数据传输、控制信号同步采集、控制通道及矢量阵列的切换。

其中与数据集成处理模块的指令和数据通讯接口软件上采用TCP/IP协议，硬件上通过例如HJ30J-12ZK型号的电连接器与数据集成处理模块的路由器进行连接，实现物理上的指令和数据传输通道。

所述通道切换控制单元320，包含通道切换器321和声发射传感器阵列切换器322，所述通道切换控制单元320控制声发射模块300四路采集通道与传感器单元之间的切换，正常监测状态下，四路采集通道与四只声发射传感器器连接，根据监测结果，适时将四路采集通道切换至第一矢量声传感器阵列、第二矢量声传感器阵列或第三矢量声传感器阵列上。该单元还控制声发射传感器阵列切换器的工作，使声发射传感器阵列中各阵元与阵列后续放大电路的连接，每一个声发射传感器阵列配置一个四路信号放大器，除参考阵元一直连通放大器外，其余63个阵元按照每3个一组，通过21次切换，实现与另外三路信号放大器的连通。

所述第三信号采集与存储单元330，包括数据存储器331、数据采集器332、信号调理器333，用于完成回波信号的调理、采集和存储。来自通道切换控制单元320的信号经过增益调节、带通滤波、A/D采集等最终存入存储芯片。信号采集为四路同步采集，采样率为2MS/s，A/D分辨率为14bit，存储芯片容量64GB。

所述第三电源管理单元340，采用28V直流供电，内部由开关电源将28V变换为5V、3.3V等不同幅值的电压，为模块内部电路供电。电源输入接口采用例如NF28050-3R型号的标准条形接插件实现与数据集成处理模块28V直流电源的物理连接。

如图1和图5所示，数据集成处理模块400包括第四中央控制单元410、通信接口单元420、数据存储和整合单元430、监测分析单元440和第四电源管理单元450；其中，所述第四中央控制单元410同时与所述通信接口单元420、数据存储与整合单元430、监测分析单元440和第四电源管理单元450相连。

所述第四中央控制单元410采用ARM实现，控制系统的总体运行逻辑、向光纤传感、弹性导波、声发射监测模块发送工作指令、控制与光纤传感、弹性导波、声发射监测模块的数据传输、控制数据处理结果输出。

所述通信接口单元420，采用微型交换机实现与其他模块的通信接口功能，包括四个百兆网口，分别连接第一中央控制单元130、第二中央控制单元210和第三中央控制单元310的TCP/IP通信接口和数据集成处理模块自身的第四中央控制单元410。

所述数据存储与整合单元430，采用1TB固态硬盘来实现，与第四中央控制单元410连接。所述数据存储与整合单元430在第四中央控制单元410的控制下接收第一中央控制单元130、第二中央控制单元210和第三中央控制单元的监测数据，并对数据按温度、应变、裂纹、碰撞、泄漏进行数据的整合和分类，对数据进行存储，以供监测分析单元440的调用。

所述监测分析单元440同时与所述数据存储与整合单元430相连，用于调用数据存储与整合单元430中的所有数据，进行结构健康状态分析。所述健康状态分析，包括温度分析、应变分析、裂纹损伤分析、碰撞损伤分析、泄漏及泄漏定位分析，并将所述分析结果反馈给所述第四中央控制模块410。所述监测分析单元是系统的核心，同时调用三个监测模块的数据，并对数据进行整合，通过对数据的整体分析，得到某个状态的监测数据。

当所述监测分析单元440进行温度分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时通过弹性导波模块及声发射模块的数据，对温度的分布情况进行验证，最终分析得到温度变化曲线；当对应变状态进行分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时结合弹性导波模块的数据、声发射模块的数据，得到航天器结构整体几何结构的状态及应变状态数据；同样的，当进行裂纹等损伤分析时，将弹性导波数据、声发射数据与温度、应变等数据相互结合，最终得到裂纹、碰撞、泄漏等损伤状态的数据。通过几种数据间的结合和相互印证，提高数据的精度及准确性，从而保证航天器结构的安全性和可靠性。

所述第四电源管理单元450，采用28V直流供电，内部设置4个隔离单元，将输入的单路28V直流电压转换为4路独立的28V电源，分别与数据集成处理模块自身和其他3个模块连接，对各模块进行供电。

如上所述，显示模块500与第四中央控制单元410相连，用于对结构温度、实时应变、及数据分析结果的显示。优选地，所述显示模块500通过液晶显示屏实现。

本发明实施方式还提供了一种航天器结构多功能健康监测方法。如图6所示，所述多功能健康监测方法，通过上述航天器结构多功能健康监测系统实现，具体包括如下步骤：

步骤S1，外部电源通过数据集成处理模块将电能提供给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块；

步骤S2，光纤传感监测模块对布设在航天器结构上的光纤温度、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块；

步骤S3，弹性导波传感监测模块对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块；

步骤S4，声发射传感监测模块对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将数据上传至数据集成处理模块；

步骤S5，数据集成处理模块根据数据采集要求发设置采集参数、采集开始指令、采集停止指令并下发给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块，并接收光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块采集的数据；再整合结构温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给显示模块；

步骤S6，显示模块接收来自数据集成处理模块的数据，对所述结构温度、应变状态及裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

其中，步骤S2至步骤S4之间没有顺序要求，是同时进行的。

如上所述，步骤S1通过光纤传感监测模块实现，以第一中央控制单元为中心，光纤传感监测模块各单元间的操作执行过程如下：

步骤S101，第一中央控制单元首先与光信号控制单元连接，控制光信号控制单元内部的激光器和驱动电路及温控组件，输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制；

步骤S102，光信号控制单元将激光输出给多通道分光单元，将一路激光分割为多路激光，实现多通道参数测量。多通道分光单元与光纤传感器网络连接，光纤传感器将探测到的信号反馈给多通道分光单元，将多路光信号进行隔离和耦合，生成便于存储和处理的信号；

步骤S103，多通道分光单元将光信号反馈给信号采集与处理单元，通过该模块的光电探测组件将光路中的光信号转换为模拟电信号；然后，信号采集处理组件将转换后的模拟电信号转换为数字信号，然后信号处理组件对转换后数字信号进行读取、对激光器输出波长的校准、对光谱的解算；

步骤S104，信号采集与处理单元将光谱数据传输给中央控制单元的从控器(DSP)，进行光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变等物理状态信息数据；

步骤S105，通过中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的温度、应变等物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S106，第一电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路进行供电。

如上所述，步骤S2通过弹性导波传感监测模块实现，以第二中央控制单元为核心单元，弹性导波传感监测模块各单元之间操作执行过程如下：

步骤S201，第二中央控制单元首先与信号激励单元连接，控制信号激励单元的波形发生器产生特定频率、周期、幅值的导波激励信号，然后信号激励单元的功率放大器将波形发生器的低压信号进行线性放大，输出电压为百伏级的信号；

步骤S202，信号激励单元将功率放大后的导波激励信号输出给通道切换控制单元的激励通道控制继电器，控制多路激励信号中的单一通路的开关，激励通道控制继电器与导波传感器连接，将导波激励信号施加到导波传感器，使导波传感器产生激励，施加到被监测的结构上，使被监测的结构内部产生导波，并在结构中传递；

步骤S203，被监测结构上的其他位置的导波传感器感知到传递过来的导波信号，即回波，回波信号与通道切换控制单元的回波通道切换开关矩阵连接，将指定回波信号通道打开，接收指定通道的回波信号；

步骤S204，通道切换控制单元将回波信号输出给信号采集与存储单元，通过信号采集与存储单元的信号调理器对回波信号进行AD转换、滤波处理等，通过数据采集器对滤波后的信号进行采集，并存储到数据存储器；

步骤S205，第一信号采集与存储单元将导波信号传输给中央控制单元的从控器(FPGA)，对导波信号进行处理分析，得到被监测结构的裂纹损伤物理状态信息数据；

步骤S206，通过第二中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的裂纹损伤物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S207，第二电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路进行供电。

如上所述，步骤S3通过声发射传感监测模块实现，以第三中央控制单元为核心单元，声发射传感监测模块各单元之间操作执行过程如下：

步骤S301，第三中央控制单元首先与通道切换控制单元连接，控制多路采集通道与传感器之间的切换，实现模块与指定传感器的连通；

步骤S302，然后，声发射传感器阵列监测结构内的超声波信号，反馈给矢量声传感器阵列切换控制器，对声发射传感器采集信号进行连通控制，接收指定通道的超声波信号；

步骤S303，然后，通道切换控制单元将超声波信号输出给信号采集与存储单元，通过第二信号采集与存储单元的信号调理器对超声波信号进行AD转换、滤波处理等，通过数据采集器对滤波后的信号进行采集，并存储到数据存储器；

步骤S303，然后，信号采集与存储单元将超声波信号传输给中央控制单元的从控器(FPGA)，对超声波信号进行处理分析，得到被监测结构的是否发生碰撞和泄漏的物理状态信息数据；

步骤S304，然后，通过中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的是否发生碰撞和泄漏的物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S305，第三电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路进行供电。

如上所述，步骤S4通过数据采集处理模块实现，包括如下步骤：

步骤S401，第四中央控制单元与通信接口单元连接，通过通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，向其他三个模块下发采集信号指令；同时，中央控制单元控制通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，接收其他三个模块上传的信号数据；

步骤S402，第四中央控制单元将接受的数据传输给数据存储与整合单元，将数据进行整合和存储；

步骤S403，第四中央控制单元控制监测分析单元以预定间隔调用所述数据存储与整合模块的数据，根据数据进行结构健康状态分析，并将监测分析单元所反馈的分析结果发送给所述显示模块；

步骤S404，电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路进行供电。

需要说明的是，所述航天器结构多功能健康监测方法，与所述航天器结构多功能健康监测系统是相对应的，对所述航天器结构多功能健康监测系统的描述和限定，同样适用于本实施方式中的航天器结构多功能健康监测方法，在此不再赘述。

由以上可以看出，本发明实施方式提供的种航天器结构多功能健康监测系统和方法，实现了航天器结构温度、应变、裂纹等损伤、碰撞和泄漏多参数的集成采集与数据分析，实现多功能的结构状态监测，可以更高效更便捷地对航天器特别是载人密封舱结构的健康状态进行全面的监测与分析，对发生的结构温度、损伤、碰撞和泄漏异常情况及时预警，确保航天器特别是载人航天器的安全性、可靠性和稳定性。

以上描述仅为本发明的较佳实施例及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述多功能健康监测系统包括：光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块、数据集成处理模块及显示模块；其中，

所述光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块同时与所述数据集成处理模块相连；

所述光纤传感监测模块用于对布设在航天器结构上的光纤温度传感器、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块；所述光纤传感监测模块包括第一中央控制单元，第一中央控制单元通过电连接器实现与所述数据集成处理模块的物理连接，同时采用TCP/IP协议实现数据传输；

所述弹性导波传感监测模块用于对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块；所述弹性导波传感监测模块包括第二中央控制单元，第二中央控制单元通过电连接器实现与所述数据集成处理模块的物理连接，同时采用TCP/IP协议实现数据传输；

所述声发射传感监测模块用于对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将声信号数据上传至数据集成处理模块；所述声发射传感监测模块包括第三中央控制单元，第三中央控制单元通过电连接器实现与所述数据集成处理模块的物理连接，同时采用TCP/IP协议实现数据传输；

所述数据集成处理模块用于连接外部电源并传递给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块及显示模块，还用于为光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块下发设置的采集参数、采集开始指令、采集停止指令，接收光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块采集的数据，并整合结构的温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给所述显示模块进行状态显示；并进一步用于：当进行温度分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时通过弹性导波模块及声发射模块的数据，对温度的分布情况进行验证，最终分析得到温度变化曲线；当对应变状态进行分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时结合弹性导波模块的数据、声发射模块的数据，得到航天器结构整体几何结构的状态及应变状态数据；当进行裂纹损伤分析时，将弹性导波数据、声发射数据与温度、应变数据相互结合，最终得到裂纹、碰撞、泄漏损伤状态的数据；

所述显示模块用于接收来自数据集成处理模块的监测数据及结果，对结构的温度、应变状态、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

2.根据权利要求1所述的航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述光纤传感监测模块还包括：多通道分光单元、光信号控制单元、信号采集与处理单元、第一电源管理单元；其中，

所述第一中央控制单元同时与所述多通道分光单元、光信号控制单元、信号采集与处理单元、所述第一电源管理单元相连，所述多通道分光单元同时与所述光信号控制单元相连；所述光信号控制单元与所述信号采集与处理单元相连；

所述多通道分光单元用于实现多个通道光纤传感器参数测量，并生成便于存储和处理的信号发送给信号采信和处理单元；

所述光信号控制单元用于实现驱动激光器输出指定强度和波长的光、激光器内部温度控制和对光功率的监测；

所述第一中央控制单元还与所述数据集成处理模块相连，用于控制系统的运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输，对结构的温度和实时应变进行监测；还用于控制光信号控制单元输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制；

所述信号采集与处理单元用于将光路中的光信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号转换为数字信号，还用于对转换后数字信号的读取、对激光器输出波长的校准、对光谱的解算和上传；还用于光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变状态信息数据；

所述第一电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

3.根据权利要求1所述的航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述弹性导波传感监测模块还包括信号激励单元、通道切换控制单元、第一信号采集与存储单元和第二电源管理单元；其中，

所述第二中央控制单元同时与所述信号激励单元、通道切换控制单元、第一信号采集与存储单元、第二电源管理单元相连；

所述第二中央控制单元还同时与所述数据集成处理模块相连，用于控制运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输；

所述信号激励单元用于产生引起压电晶片振动的不同频率、周期、幅值的高压导波激励信号；

所述通道切换控制单元用于控制单路高压激励通道的切换和多路回波信号通道的同步切换，同时也对回波信号进行信号调理，满足信号远距离传输要求；

所述第一信号采集与存储单元用于完成回波信号的调理、采集和存储；

所述第二电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

4.根据权利要求1所述的航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述声发射传感监测模块还包括通道切换控制单元、第二信号采集与存储单元和第三电源管理单元；其中，

所述通道切换控制单元、第二信号采集与存储单元和第三电源管理单元同时与所述第三中央控制单元相连；

所述第三中央控制单元用于控制模块的运行逻辑、控制与数据集成处理模块的数据通讯、接收数据集成处理模块的工作指令、控制与数据集成处理模块的数据传输；

所述通道切换控制单元用于控制采集通道与传感器单元之间的切换，采集通道与声发射传感器连接，根据监测结果，适时将采集通道切换至矢量声传感器阵列上；

所述第二信号采集与存储单元用于完成回波信号的调理、采集和存储；

所述第三电源管理单元用于为模块内部电路提供电源管理。

5.根据权利要求1所述的航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述数据集成处理模块包括第四中央控制单元、通信接口单元、数据存储和整合单元、监测分析单元和第四电源管理单元；其中，

所述第四中央控制单元同时与所述通信接口单元、数据存储与整合单元、监测分析单元和第四电源管理单元相连；

所述第四中央控制单元用于控制系统的总体运行逻辑，向光纤传感、弹性导波、声发射监测模块发送工作指令，控制与光纤传感、弹性导波、声发射监测模块的数据传输，控制数据处理结果输出；

所述通信接口单元分别连接第一中央控制单元、第二中央控制单元和第三中央控制单元的通信接口和数据集成处理模块自身的第四中央控制单元；

所述数据存储与整合单元用于在第四中央控制单元的控制下接收第一中央控制单元、第二中央控制单元和第三中央控制单元的监测数据，并对数据按温度、应变、裂纹、碰撞、泄漏进行数据的整合和分类，对数据进行存储，以供监测分析单元的调用；

所述监测分析单元同时与所述数据存储与整合单元相连，用于调用数据存储与整合单元中的所有数据，进行结构健康状态分析；

所述第四电源管理单元，用于引入外部电源并为各模块提供电源管理。

6.根据权利要求5所述的航天器结构多功能健康监测系统，其特征在于，所述监测分析单元的健康状态分析，包括温度分析、应变分析、裂纹损伤分析、碰撞损伤分析、泄漏及泄漏定位分析。

7.一种航天器结构多功能健康监测方法，其特征在于，所述多功能健康监测方法包括如下步骤：

步骤S1，外部电源通过数据集成处理模块将电能提供给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块；

步骤S2，光纤传感监测模块对布设在航天器结构上的光纤温度、应变传感器传感信号进行采集、解调、存储并上传至数据集成处理模块；

步骤S3，弹性导波传感监测模块对布设在航天器结构上的弹性导波传感器进行激励控制、信号采集、数据存储并将监测数据上传至数据集成处理模块；

步骤S4，声发射传感监测模块对布设在航天器结构上的声发射传感器传感信号进行声信号采集和数据存储，并将数据上传至数据集成处理模块；

步骤S5，数据集成处理模块根据数据采集要求设置采集参数、采集开始指令、采集停止指令并下发给光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块，并接收光纤传感监测模块、弹性导波传感监测模块、声发射传感监测模块采集的数据；再整合结构的温度和应变状态数据、弹性导波数据及声发射数据，根据所有数据分析航天器结构的温度曲线、裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态，并将所分析的监测结果发送给显示模块；当进行温度分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时通过弹性导波模块及声发射模块的数据，对温度的分布情况进行验证，最终分析得到温度变化曲线；当对应变状态进行分析时，不仅调用来自光纤传感监测模块的数据，同时结合弹性导波模块的数据、声发射模块的数据，得到航天器结构整体几何结构的状态及应变状态数据；当进行裂纹损伤分析时，将弹性导波数据、声发射数据与温度、应变数据相互结合，最终得到裂纹、碰撞、泄漏损伤状态的数据；

步骤S6，显示模块接收来自数据集成处理模块的数据，对所述结构的温度、应变状态及裂纹损伤状态、碰撞损伤状态及泄漏状态进行显示。

8.根据权利要求7所述的航天器结构多功能健康监测方法，其特征在于，所述步骤S1通过光纤传感监测模块实现，包括如下步骤：

步骤S101，第一中央控制单元首先与光信号控制单元连接，控制光信号控制单元内部的激光器、驱动电路及温控组件，输出指定强度和波长的光，并对激光器内部温度进行控制；

步骤S102，光信号控制单元将激光输出给多通道分光单元，将一路激光分割为多路激光，实现多通道参数测量；多通道分光单元与光纤传感器网络连接，光纤传感器将探测到的信号反馈给多通道分光单元，将多路光信号进行隔离和耦合，生成便于存储和处理的信号；

步骤S103，多通道分光单元将光信号反馈给信号采集与处理单元，通过该模块的光电探测组件将光路中的光信号转换为模拟电信号；然后，信号采集处理组件将转换后的模拟电信号转换为数字信号，然后信号处理组件对转换后数字信号进行读取、对激光器输出波长进行校准、对光谱进行解算；

步骤S104，信号采集与处理单元将光谱数据传输给中央控制单元的从控器，进行光谱信号的数据处理计算，得到被监测结构的温度、应变的物理状态信息数据；

步骤S105，通过第一中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的温度、应变的物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S106，第一电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路提供电源管理。

9.根据权利要求7所述的航天器结构多功能健康监测方法，其特征在于，所述步骤S2通过弹性导波传感监测模块实现，包括如下步骤：

步骤S201，第二中央控制单元首先与信号激励单元连接，控制信号激励单元的波形发生器产生特定频率、周期、幅值的导波激励信号，然后信号激励单元的功率放大器将波形发生器的低压信号进行线性放大，输出电压为百伏级的信号；

步骤S202，信号激励单元将功率放大后的导波激励信号输出给通道切换控制单元的激励通道控制继电器，控制多路激励信号中的单一通路的开关，激励通道控制继电器与导波传感器连接，将导波激励信号施加到导波传感器，使导波传感器产生激励，施加到被监测的结构上，使被监测的结构内部产生导波，并在结构中传递；

步骤S203，被监测结构上的其他位置的导波传感器感知到传递过来的导波信号，回波信号与通道切换控制单元的回波通道切换开关矩阵连接，将指定回波信号通道打开，接收指定通道的回波信号；

步骤S204，通道切换控制单元将回波信号输出给信号采集与存储单元，通过信号采集与存储单元的信号调理器对回波信号进行AD转换、滤波处理，通过数据采集器对滤波后的信号进行采集，并存储到数据存储器；

步骤S205，第一信号采集与存储单元将导波信号传输给第二中央控制单元，对导波信号进行处理分析，得到被监测结构的裂纹损伤物理状态信息数据；

步骤S206，通过第二中央控制单元的数据通讯接口，将处理得到的裂纹损伤物理状态信息数据，按照TCP/IP网络协议，传输给数据集成处理模块；

步骤S207，第二电源管理单元与其他各单元进行连接，对该模块的所有电路提供电源管理。

10.根据权利要求7所述的航天器结构多功能健康监测方法，其特征在于，所述步骤S4通过数据采集处理模块实现，以第四中央控制单元为核心单元，数据采集处理模块各单元之间操作执行过程如下：

步骤S401，第四中央控制单元与通信接口单元连接，通过通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，向其他三个模块下发采集信号指令；同时，中央控制单元控制通信接口单元，按照TCP/IP通信协议，接收三个监测模块上传的信号数据；

步骤S402，第四中央控制单元将接受的数据传输给数据存储与整合单元，将数据进行整合和存储；

步骤S403，第四中央控制单元控制监测分析单元以预定间隔调用数据存储与整合模块的数据，根据数据进行结构健康状态分析，并将监测分析单元所反馈的分析结果发送给所述显示模块；

步骤S404，第四电源管理单元与其他各单元进行连接及外部电源连接，对所有模块提供电源管理。

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