1. 研究背景与意义：

• 跨介质航行器：具备在水下与空中自由切换的能力，应用于海洋观测、通信及军事领域。

• 旋翼健康监测：执行任务时需频繁穿越水-空界面，旋翼承受剧烈载荷变化，易引发动态应变，威胁结构安全与任务可靠性。

• 光纤布喇格光栅（FBG）传感器：具备体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优势，适用于复杂环境下的长期监测。

2. 研究目的与方法：

• 目的：解决传统电学传感器在旋翼结构健康监测中易受电磁干扰、耐久性差的问题。

• 方法：基于叶素理论建立旋翼力学模型，研制高响应速度FBG传感器，结合格拉姆角场编码与卷积神经网络进行特征提取与分类识别。

3. 旋翼力学模型建立：

• 叶素理论：将叶片沿展向离散为若干独立微段（叶素），通过积分获得整片叶片的受力分布。

• 载荷分析：考虑流体、重力及离心载荷的耦合作用，建立旋翼叶片载荷坐标系，推导各载荷的分布形式与作用方向。

4. FBG传感器研制与系统设计：

• 传感器研制：响应时间小于100 ms，应变灵敏度达1.2 pm/με。

• 准分布式应变传感网络：采用总线型网络拓扑架构，通过单根主干光纤串联各叶片上的FBG传感单元。

• 传感器布设工艺与防护：严格的粘贴工艺，涂覆柔性防水密封层，布置温度补偿光栅，光纤走线防护确保信号传输稳定。

• 可升降式旋翼实验平台：模拟跨介质工况，集成升降机构、旋翼驱动结构与光纤传感系统，实现旋翼工况的灵活调节与应变信号的高质量同步采集。

5. 传感器性能测试：

• 动态响应时间测试：在不同转速下，传感器上升沿时间均小于1 ms，满足动态应变监测需求。

• 应变分辨率标定：基于悬臂梁应变调谐原理，传感器应变灵敏度为1.2 pm/με，具有良好的线性度。

6. 旋翼结构损伤识别方法研究与实验验证：

• 损伤对动态响应的影响分析：损伤导致信号波动范围扩大，出现锯齿状起伏与阶跃平台等畸变特征。

• 数据集构建：包含正常与损伤状态旋翼的应变信号数据库，转速覆盖140～395 r/min。

• 信号预处理与GAF图像编码：自适应小波包降噪，GAF图像编码将一维时序信号转化为二维图像。

• 网络训练与识别结果：构建以ResNet为骨架的深度卷积神经网络，识别准确率达95.7%。

• 系统实时监测验证：在不同转速下，系统能准确识别旋翼状态，实时监测满足工程应用需求。

7. 结论与展望：

• 主要结论：建立了旋翼力学模型，研制了FBG传感器，构建了实验平台与传感网络，实现了旋翼出入水全过程动态应变同步采集，提出了有效的损伤识别方法。

• 后续研究：聚焦于多源数据融合、FPGA微型化解调及轻量化模型部署，推动系统向工程化应用发展。

文章通过理论建模、传感器研制、系统设计与实验验证，系统研究了跨介质航行器旋翼结构健康监测技术，为旋翼结构健康监测与服役安全评估提供了有效的实验方法与技术支撑。