摘要:随着空间碎片数量的逐年增加，以及航天器任务复杂度与极端环境适应性要求的不断提高，航天器结构的运行状况、损伤诊断、寿命预测与可靠安全性评估，显得尤为重要。航天器结构健康监测技术作为有效手段，通过布置于结构中的传感系统，获取结构特征信息并经算法处理，分析评估结构状态，从而确保航天器各阶段的安全稳定运行。本文聚焦于航天器结构健康监测的关键技术，首先从信息获取的传感端，综述了光纤传感、声发射传感、声表面波传感的技术特征、应用现状、当前问题与发展方向，随后介绍了传感系统部署方法与信息处理的诊断评估算法研究进展，最后总结展望了航天器结构健康监测技术的发展趋势与主要挑战。

摘要:微型电容式压力传感器在生物医疗、无人机定位、可穿戴设备等领域有着重要的应用价值。本研究以MEMS电容式表压压力传感器为研究对象，面向植入式生物医疗应用设计并制造了一款高精度的压力传感器。本器件由带固定极板的玻璃衬底和带膜片的SOI晶圆通过阳极键合形成。当存在压强差时，膜片产生形变导致器件电容的变化，进而读出电路通过检测变化电容计算出外界压强。在结构设计上，本文提出了带膜片的凸台设计，实现了对电容式压力传感器非线性问题的改善，在ANSYS有限元仿真下，非线性度由无膜片的约17%改善到7%。凸台结构的制造工艺采用TMAH对硅的各向异性腐蚀而成，并将SOI埋氧层作为停止层得到了较高的器件一致性。最后搭建了电容式压力传感器的封装测试平台，并对输出结果进行标定。最终在0~40kPa相对大气压的压力值的测量范围下，本器件实现了0.30%的测试精度、8%的非线性度以及低至0.09%的重复性误差。

摘要:在火箭发动机超高声压噪声测量领域，无振膜封装的光纤激光传声器耐压优势凸显。然而在工程应用中由非平衡干涉仪引入的相位噪声问题限制了其性能发挥。本文围绕光纤激光传声器阵列调制系统中非平衡干涉仪引入的相位噪声问题展开分析。首先，分析了调制系统的工作原理以及非平衡干涉仪相位噪声的来源，并将稳定的激光器光源入射至传声器系统共用的非平衡干涉仪，建立了具备光相位噪声抑制的光纤激光传声器阵列系统；之后，结合微分交叉相乘解调算法对抑制原理进行分析，利用光参考噪声去抵消干涉仪引入的噪声，进而达到动态抑制噪声的目的；最后，对传声器阵列系统进行了数值仿真和实验验证。实验结果表明：在外场实验条件下，非平衡干涉仪中测量的相位噪声与未引入光参考噪声的系统相比，传声器阵列7个基元的噪声由±0.34 rad左右减小到±0.15 rad以内，在噪声峰值处实现了7 dB以上的抑制效果，噪声功率谱密度由-25.02 dB/Hz降至-32.93 dB/Hz以下，相位噪声的抑制效果显著。

摘要:为满足惯性导航、自动驾驶等领域的应用需求，实现微电子机械系统（MEMS）硅陀螺仪向高精度、数字化和微小型化的方向发展，本文基于0.35 μm BCD工艺（双极型-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体工艺），采用单芯片集成方式，设计并实现了一款具有数字化输出的MEMS硅陀螺仪接口电路。采用基于噪声自激的闭环驱动方案，使陀螺仪在驱动方向上实现简谐振动。检测电路使用低噪声电容-电压（C/V）转换电路，将检测模态位移信号转换为电压信号。信号处理通过开关相敏解调技术进行精确解调，并结合低通滤波处理，有效抑制系统噪声，从而获得低噪声的模拟角速度输出信号。为了实现硅陀螺角速度的数字化输出，设计了集成的四阶全前馈Sigma-Delta （ΣΔ）模数转换器（ADC），将模拟角速度信号转换为数字信号。芯片测试结果表明：ΣΔ调制器的动态范围达到110 dB，低频噪底约为-120 dB。陀螺整机的量程为±200(°)/s，标度因数为21 310 LSB/（(°)/s）（最低有效位每度每秒），非线性误差为178×10^-6，零偏不稳定性为0.259(°)/h，角度随机游走为0.028 7(°)/√h（度每平方根小时）。该芯片面积为4.3 mm×4.3 mm。通过采用单片集成的接口ASIC（专用集成电路）替代传统的PCB（印制电路板）板级系统，显著提高了系统集成度，成功满足了MEMS硅陀螺微小型化的需求，推动了其在高精度数字化应用中的发展。

摘要:固体火箭发动机被广泛应用于航天运载火箭、导弹武器推进以及航天器姿态和轨道控制等领域，其尾焰温度是评估推进剂燃烧性能和发动机工作效率的关键参数。由于固体火箭发动机尾焰具有高温、高压和强冲刷的特点，试验现场环境通常伴随着强振动、强杂散辐射、粉尘污染和高噪音，这对测温技术提出了挑战。本文总结了现有固体火箭发动机尾焰接触式测温和非接触式测温技术的发展状况，分析了现有测温技术的优势与不足之处，并指出多光谱辐射成像测温法及其真温反演算法是目前及今后研究热点。

摘要:先驱体陶瓷（Polymer Derived Ceramics， PDCs）薄膜热电偶具有制备工艺简单、高温性能稳定等优点，非常适用于给航空发动机涡轮叶片等热端部件测温，但随着先进发动机工作温度的不断提升，其耐温上限亟待进一步提高。本文开发了一款先驱体陶瓷封装的PDCs： ITO/In₂O₃薄膜热电偶，其封装层以SiCN为先驱体溶液、纳米Al₂O₃粉末为填充材料，采用丝网印刷工艺制备。高温测试结果表明：所制备的传感器能够在短期内于1 500 ℃环境下正常工作，并在1 400 ℃内有稳定的信号输出；在1 100 ℃下进行标定测试，其线性度优于0.999，多次循环误差小于1%。

摘要:普通的丙烯酸酯涂覆光纤的工作温度通常为-65 ℃~80 ℃，常见的耐高温聚酰亚胺涂覆光纤工作温度最高为300 ℃。在更高温度工况下，通常采用金属涂覆的特种光纤进行信号传输，如铝涂覆、铜涂覆、金涂覆光纤。本文通过测试金涂覆光纤在不同环境温度下的传输损耗，发现在环境温度变化时，金涂覆光纤的传输损耗变化较大。针对基于黑体辐射原理的光纤温度传感器，传输损耗变化引入的误差可超过60 ℃。在此基础上，本文基于不同波段的光在金涂覆光纤中的传输特性，提出了一种双波段修正方法，能够对环境温度引起的光纤传输损耗进行修正。修正之后，传输损耗引起的误差小于15 ℃。

摘要:目前，基于硅酸镓镧（LGS）的无线SAW传感器能够在高达600 °C的温度下工作。但随着频率和温度的增加，LGS的传播损耗也会急剧上升，因此基于LGS的SAW传感器工作频率仅在1 GHz左右。而基于氮化铝/蓝宝石（AlN/sapphire）结构的声表面波（SAW）谐振器因其耐高温、高Q值、低传播损耗在高温传感领域有着巨大的应用前景。本文针对基于AlN/sapphire结构SAW谐振器，采用耦合模式（COM）模型结合有限元（FEM）方法，建立了仿真谐振器的有效模型。研究了不同的叉指换能器（IDT）对数、反射栅对数及孔径长度对器件性能的影响，模拟了不同温度下的谐振频率与温度的关系，并与实验结果进行对比。结果表明：谐振器的工作频率高达2.45 GHz，在高达500 °C的温度范围内可靠工作，频率温度特性具有较好的线性度，温度系数高达-67×10^‒6 ℃^‒1。这为设计高性能的声表面波高温传感器提供了重要的参考。

摘要:空间站在轨运行期间，合适的舱内总压、温度和湿度环境是保障空间站稳定运行和航天员生命安全的基本条件。面向舱内总压和温湿度环境的长期可靠测量需求，本文介绍了一种智能温压湿集成化监测技术，以及设备的总体方案、传感器设计、集成化挑战和标定验证情况。在轨应用结果分析表明：采用智能温压湿集成监测技术的设备能够在轨实现空间站舱内总压、温湿度参数的高可靠测量。这不仅提升了我国空间站环境测量水平，也为未来载人航天工程中环境探测需求提供新技术支撑。

摘要:针对光纤光栅传感器温度测量需求，本文提出并实现了一种基于Zynq的光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）温度解调系统。该系统采用Zynq异构架构，在硬件系统中实现FBG光谱采集与中心波长解算。通过优化高斯拟合寻峰算法，利用矩阵运算减少了曲线拟合的计算量，在硬件系统中实现了对FBG中心波长的解算，兼顾解调精度的同时提升系统解调速率与实时性。研制的小型化光纤光栅温度解调系统波长解调范围为1 510 nm ~ 1 590 nm，稳定性可达 ±2 pm，在结构监测等领域中具有良好的潜在应用价值。

摘要:光纤陀螺是光纤捷联惯导系统的核心器件，已经广泛应用于航空、航天、航海等领域。标度因数是影响光纤陀螺动态性能的主要因素。由于光纤陀螺内部的光电器件对温度变化十分敏感，受温度影响会产生标度因数误差，进而影响了光纤陀螺的精度。在变温环境下，各光电器件受热不均匀，使得标度因数误差具有迟滞性。本文针对光纤陀螺标度因数迟滞误差进行了研究，搭建了多温度传感器测量系统，通过实验结果明确了标度因数迟滞误差的来源及特性。基于此，提出了一种基于引力搜索算法（Gravitational Search Algorithm，GSA）和长短期记忆（Long Short-Term Memory，LSTM）网络的误差补偿算法，通过GSA对LSTM网络的参数进行寻优，并将LSTM模型用于标度因数迟滞误差补偿。实验结果表明：本文提出的算法将全温范围内的标度因数误差的峰值由835.1×10^-6减小至38.02×10^-6。通过与多层感知机（Multilayer Perceptron，MLP）和传统LSTM等算法的补偿结果进行对比，进一步验证了本文提出的算法在标度因数迟滞误差补偿方面的有益效果。

摘要:准确的热流数据对于了解飞行器所处热环境和设计优化飞行器热结构具有重要意义。热流测量技术发展的重要方面是热流的标定和标定数据的处理。基于混合传热原理的热流传感器在处理数据时，需要利用储热项、温差项等不同来源的热流分项。这些分项的误差来源和影响大小存在区别，特别是试验时间较长时，部分误差因素会导致热流误差的变化，使得常规的单系数标定方法存在局限。本文提出了将各热流分项分别进行系数修正，利用试验标定中的温度数据和已知输入热流，通过最小二乘法求解出标定系数矩阵的多系数标定方法。对标定试验数据的分析和处理结果表明：利用多系数标定方法能够获得与试验标定输入热流一致性更好的热流处理结果，在试验数据量足够大时，在标定时间范围内，标定偏差小于5%。

摘要:针对冶金领域钢水温度原位连续测量的需求，本文提出一种新型接触式连续测温传感器结构方案。通过建立三维传热模型对其热响应特性进行了分析；采用高压工艺和高温退火工艺实现了热电偶/陶瓷保护体一体化敏感组件制备，并将其封入MgO-C材质的探枪式支撑结构内部制作成接触式连续测温传感器。在LF炉（钢包精炼炉）钢水环境下进行了连续测温试验，结果表明：在1 600 ℃~1 650 ℃高温钢水环境下，该传感器有效连续测温时间超过16 min。

摘要:随着5G通信和毫米波技术的快速发展，射频微系统对高频无源互连结构的性能需求日益提升。针对传统设计流程中工艺数据分散、模型孤立导致的效率瓶颈，本文提出了一种1~40 GHz硅基无源互连结构工艺设计包（PDK）的自主开发方案。基于等效电路模型与HFSS全波仿真数据融合校准方法，构建了接地共面波导（GCPW）、微凸点等核心结构的参数化模型，并通过梯度优化算法实现模型的高精度匹配。在Keysight ADS平台上完成了PDK开发，包含符号库、参数化单元、设计规则及验证流程。实验结果表明：所开发的PDK在1~40 GHz频段内S参数均方根误差低于10%。基于此PDK，完成了X频段射频微系统仿真设计，微系统满足指标要求，验证了PDK的有效性。该PDK为高频射频系统的高效设计与工艺协同提供了可靠支撑。

摘要:近年来，由于低轨导航增强系统逐步纳入综合PNT体系建设，如何对低轨信号的捕获跟踪逐渐成为热点研究问题。在综合PNT应用终端需要同时接收北斗+低轨导航增强信号的场景下，由于捕获模块的资源庞大，利用两套硬件资源分别对高、中、低轨信号进行兼容接收会造成极大的资源浪费，无法实现用户终端的小体积、低功耗需求。本文在现有北斗信号捕获模块基础上进一步优化算法，通过设计灵活可复用的匹配滤波加FFT结构实现匹配滤波器的长度与FFT点数灵活可配，片内分布式处理加片外超长存储架构存储超长数据，以及高多普勒伪码、载波频率补偿等方法，完成了对高、中、低轨信号的兼容接收，同时可实现对中、高轨北斗B1C信号-145 dBm捕获灵敏度和低轨±40 kHz STL(卫星时间和位置)突发信号的捕获。

摘要:随着雷达信号的复杂性增加，传统的信号处理方法逐渐暴露出诸多不足之处。本文提出了一种基于t-分布随机邻居嵌入（t-SNE）降维技术与基于密度的聚类算法（DBSCAN）的雷达信号分选算法，旨在解决多参数雷达信号分选中的挑战。t-SNE通过降低数据的维度，能够有效提取出数据的主要特征并减少噪声和冗余信息，从而为后续的DBSCAN聚类提供了更清晰的数据分界。实验生成了五种不同类型的雷达信号数据，并使用t-SNE和DBSCAN进行降维和聚类，实验结果显示：t-SNE降维结合DBSCAN聚类算法在纯度和轮廓系数等指标上均表现出色，验证了该方法在复杂雷达信号分选中的有效性。

摘要:星载合成孔径雷达是探测海洋内波的重要手段之一，海面风速对合成孔径雷达探测海洋内波的能力影响显著。本文基于海面风速影响合成孔径雷达探测海洋内波能力理论，结合实测海洋内波参数和相应的海洋环境、合成孔径雷达数据，分析了海洋内波及其在合成孔径雷达图像上成像机理，论述了上升型和下降型海洋内波的不同表现形式，阐述了在不同风速条件下，内波振幅、跃层深度和跃层强度共同作用下的合成孔径雷达探测海洋内波能力。模拟试验分析结果表明：海面风速越小、内波振幅越大、跃层深度越浅、跃层强度越大时，合成孔径雷达探测海洋内波能力越强。本成果可为星载合成孔径雷达探测海洋内波前期的卫星观测任务规划提供技术支撑。