變跡-啁啾光柵在瞬態(tài)溫度測試中的研究與應(yīng)用

王 高， 祁樂融， 劉智超， 劉志明， 鄭光金， 武京治

1. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室， 山西 太原 030051

2. 長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院, 吉林 長春 130000

3. 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院， 吉林 長春 130000

變跡-啁啾光柵在瞬態(tài)溫度測試中的研究與應(yīng)用

王 高1， 祁樂融1， 劉智超2, 3， 劉志明1， 鄭光金1， 武京治1

1. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室， 山西 太原 030051

2. 長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院, 吉林 長春 130000

3. 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院， 吉林 長春 130000

為了快速準(zhǔn)確地獲取火炮發(fā)射時炮管的瞬態(tài)溫度場信息， 設(shè)計了基于變跡-啁啾光纖光柵傳感器的瞬態(tài)測溫系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用啁啾光纖光柵實現(xiàn)對回波光的帶寬調(diào)制， 從而使回波光帶寬大幅提高， 大大增加了系統(tǒng)帶光柵傳感器數(shù)量及回波光能量。 在分析了五種常見變跡函數(shù)切趾性能的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)采用超高斯函數(shù)形式完成對回波信號的切趾處理， 有效地抑制了由于啁啾調(diào)制所造成的旁瓣增大以及光譜抖動， 使系統(tǒng)符合瞬態(tài)溫度測試的設(shè)計要求。 實驗采用調(diào)制范圍1 532.0～1 548.0 nm的變跡-啁啾光柵傳感器， 并在炮管上均勻纏繞， 共50個測試點位。 針對某型火炮發(fā)射時炮管的瞬態(tài)溫度進行測試， 實驗數(shù)據(jù)與WRP-130S型高速溫度探測器的測試結(jié)果比較。 實驗結(jié)果顯示， 該系統(tǒng)與WRP-130S型探測器測溫結(jié)果相近， 平均誤差小于2%， 在溫降平穩(wěn)區(qū)優(yōu)于1%。 測試結(jié)果中， 溫度-波長數(shù)據(jù)滿足1 ℃約引起0.041 3 nm(均值)的波長偏移。 該系統(tǒng)在一次采集過程中可獲得50個獨立位置的瞬態(tài)溫度， 大大提高了炮管溫度場重建的效率。

變跡-啁啾光柵； 瞬態(tài)溫度； 超高斯函數(shù)； 炮管

引 言

對于火炮、 導(dǎo)彈等火工品的性能測試中， 速度、 溫度、 力學(xué)及空氣動力學(xué)的分析都至關(guān)重要， 是分析評判該武器穩(wěn)定性的重要依據(jù)[1-2]。 其中， 對于瞬態(tài)溫度的測試尤為重要， 因為其瞬態(tài)溫度變化往往決定了炮管瞬時耐受能力、 導(dǎo)彈彈體的極限變化情況[3]。 對于炮管瞬態(tài)溫度的測試， 有采用黑體腔技術(shù)實現(xiàn)的， 該技術(shù)通過分析計算被測物的輻射譜反演其溫度。 優(yōu)點是可以非接觸完成溫度測試， 缺點是黑體對輻射能幾乎沒有選擇性， 容易受到干擾， 并且一套系統(tǒng)一次僅能針對一個位置進行測試， 這對于希望構(gòu)建炮管溫度場分布是遠遠不夠的。 為了構(gòu)建相對連續(xù)而廣泛的溫度場， 有采用密布型熱電偶高溫探測器實現(xiàn)的， 應(yīng)用熱電偶實現(xiàn)高溫測試， 然后通過多點排列分布構(gòu)成測試網(wǎng)絡(luò)， 這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是重點部分可以根據(jù)需要設(shè)置足夠多的探測點， 對于溫度分布場的建立非常有效， 但其缺點是每個探測器需要獨立的放大、 AD等外圍電路， 這大大增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性， 并使其重復(fù)使用或者說兼容性大幅降低， 并且成本高、 穩(wěn)定性低。 相比而言， 光纖布拉格光柵(FBG)[4-8]測溫網(wǎng)絡(luò)既能滿足多點式分布探測， 又能僅采用一套放大、 處理系統(tǒng)實現(xiàn)炮管的溫度場測試， 其不受電磁干擾影響， 穩(wěn)定性好， 是用于多點位瞬態(tài)溫度檢測的最佳選擇[9]。

雖然FBG技術(shù)優(yōu)勢明顯， 但其也存在一定的不足， 首先， 為了符合多點同時測試的設(shè)計要求， 就需要在單根光纖上集成多個光柵探測點。 但由于均勻布拉格光柵回波光帶寬窄能量低， 故在單根光纖上能攜帶的FBG傳感器數(shù)量十分有限， 限制了其應(yīng)用。 為了獲得更多的傳感器攜帶能力， 常常通過調(diào)整光纖光柵結(jié)構(gòu)的方式實現(xiàn)， 例如采用啁啾光柵、 漸變光柵或者采樣光柵等技術(shù)， 提高回波帶寬或者增大回波波長峰個數(shù)的方法提高系統(tǒng)探測能力[10]。 其中， 啁啾光柵技術(shù)被廣泛應(yīng)用， 但其回波光波動大、 反射光譜區(qū)有震蕩不平坦， 故對于瞬態(tài)溫度測試具有嚴(yán)重的影響。 本文針對該問題設(shè)計了變跡啁啾光柵結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)了對啁啾光柵回波信號的有效優(yōu)化， 從而達到了獲取瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)的目的。

1 瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)

基于變跡-啁啾光柵的瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示， 處理系統(tǒng)控制寬帶光源產(chǎn)生紅外光， 測試光通過耦合器進入測試光纖中， 在被測炮管上均勻纏繞， 分布間距可根據(jù)溫度場測試要求進行調(diào)節(jié)。 在單根測試光纖上帶有多個變跡-啁啾光柵傳感器， 傳感器的回波光信息由耦合器傳給F-P解調(diào)儀， 經(jīng)解調(diào)的光信號被處理系統(tǒng)處理分析， 然后將被測炮管的溫度場信息顯示。 該系統(tǒng)的兩個重要優(yōu)勢是： (1) 利用啁啾光柵調(diào)制技術(shù)， 大幅提高了回波光的帶寬及能量， 使系統(tǒng)具備一套處理系統(tǒng)附加單根光纖可實現(xiàn)多達幾十個傳感器同時測溫的復(fù)用要求； (2) 利用變跡光柵技術(shù)完成了回波光波形的整形， 盡可能的抵消了由于啁啾調(diào)制造成的光譜抖動及不平坦， 保證了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性， 使得瞬態(tài)溫度檢測成為了可能。

圖1 瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 變跡-啁啾光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 啁啾光柵

相比均勻光柵而言， 啁啾光柵對光纖折射率的周期進行調(diào)制， 在光纖軸方向上光柵常數(shù)線性改變， 構(gòu)成線性啁啾光柵[11]。 該技術(shù)可有效實現(xiàn)波分復(fù)用的設(shè)計要求， 使單根光纖上可傳輸信息量大大增加。 其折射率函數(shù)可表示為

(1)

其中，n0為光纖折射率，ν為可見度，Λ(z)為中心位置的周期，φ(z)為相位函數(shù)， 而φ(z)又可表示為

(2)

其中，L表示光柵尺寸， 而F表示啁啾系數(shù)。

2.2 變跡光柵

變跡光柵也別稱為切趾光柵， 通過將光纖折射率的振幅在光纖軸方向上構(gòu)成一個鐘型包絡(luò)變化， 從而產(chǎn)生一個數(shù)字濾波函數(shù)的效果， 其常用的函數(shù)形態(tài)有漢明函數(shù)、 高斯函數(shù)、 超高斯函數(shù)、 Sinc函數(shù)以及Blackman函數(shù)[12]。 不同變跡函數(shù)的切趾效果、 旁瓣抑制能力及反射率保留效果各不相同， 所以， 根據(jù)不同的應(yīng)用場合采用不同的切趾函數(shù)。 本系統(tǒng)中的變跡光柵采用超高斯切趾函數(shù)， 其切趾函數(shù)表達式有

(3)

其中，δnoff為啁啾調(diào)制能力， FWHM為高斯分布對應(yīng)的半高全寬，n為階數(shù)。

該變跡光柵在保留盡量多的回波光能量的基礎(chǔ)上， 對回波信號進行旁瓣抑制并實現(xiàn)調(diào)制區(qū)域的光譜平滑， 選擇該切趾函數(shù)的依據(jù)在2.3節(jié)中介紹。

2.3 變跡-啁啾光柵

針對啁啾光柵回波光抖動大及光譜不平坦的特性而言， 要求濾波效果可以最大限度的克服由于抖動產(chǎn)生的旁瓣干擾， 并且在可調(diào)制區(qū)間內(nèi)具有較好的低通特性， 從而依據(jù)此要求選擇合適的濾波函數(shù)。 在仿真分析的過程中發(fā)現(xiàn)， 各種函數(shù)在通過調(diào)節(jié)濾波參數(shù)均能達到抑制旁瓣并使可調(diào)區(qū)域光譜平穩(wěn)的效果， 但其抑制能力與回波反射率會存在一定的差異。 以上五種函數(shù)的濾波效果圖及數(shù)據(jù)分析較多， 由于篇幅限制不一一列舉， 僅將仿真結(jié)論給出。 漢明切趾中參數(shù)H在 0.55～0.60之間時， 抑制效果和反射率達到最優(yōu)； 高斯切趾中參數(shù)G為6, 7時， 抑制效果和反射率達到最優(yōu)； 超高斯切趾中參數(shù)n為2, 3時， 抑制效果和反射率達到最優(yōu)； Sinc切趾中參數(shù)A，B相同且介于2～4之間時， 抑制效果和反射率達到最優(yōu)； Blackman切趾中參數(shù)B為0.02時， 抑制效果和反射率達到最優(yōu)。 綜合比較可知， 漢明和高斯切趾的旁瓣抑制效果較好， 而回波反射率為90%； 超高斯的回波反射率優(yōu)于95%， 旁瓣抑制次優(yōu)； Sinc切趾的回波反射率最好達98%， 旁瓣抑制一般； Blackman切趾的旁瓣抑制效果最好， 但其反射率僅有80%。 為了能夠帶足夠的光柵傳感器， 故濾波后應(yīng)保留高反射率從而保證回波光能量損失盡量小， 并且要求旁瓣抑制效果較好才能起到克服啁啾調(diào)制的光譜震蕩的問題。

最終， 其折射率表達式有

(4)

由式(4)可知， 系統(tǒng)利用δnoff實現(xiàn)調(diào)制， 再采用n值控制切趾效果。

3 實驗部分

3.1 環(huán)境

測試針對某型火炮發(fā)射時炮管的瞬態(tài)溫度場進行， 光纖傳感器沿光纖旋轉(zhuǎn)排布在炮管上(如圖1所示)， 溫度測試范圍0～500 ℃。 變跡-啁啾光柵的光柵長度為20.0 mm， 光纖的主折射率為1.482 2， 啁啾系數(shù)為0.085 0 nm·cm-1， 調(diào)制度為1.62×10-4， 有效調(diào)制帶寬1 532.0～1 548.0 nm。

3.2 光譜調(diào)制及切趾效果分析

采用啁啾調(diào)制后得到的回波光的帶寬明顯增大， 范圍覆蓋1 530.0～1 550.0 nm， 但是相比均勻光柵的回波光有明顯地旁瓣噪聲及光譜抖動。 從圖2(a)中可以看出旁瓣的振幅最高超過總反射率的40%， 這相比均勻光纖中低于10%的旁瓣而言對信號的影響很大， 并且調(diào)制區(qū)域的抖動振幅最大也接近20%， 故必須進行有效濾波才能完成對瞬態(tài)溫度的測試， 否則， 無法區(qū)分波長偏移是由于溫度變化引起的還是抖動噪聲。

圖2 變跡-啁啾光纖光柵回波光譜數(shù)據(jù)圖

系統(tǒng)變跡函數(shù)采用超高斯函數(shù)形式完成對啁啾光柵的調(diào)制回波進行切趾， 切趾后回波光譜分布如圖2(b)所示。 可以發(fā)現(xiàn)調(diào)制區(qū)域的抖動幾乎被完全消除， 達到了平滑的效果， 旁瓣最高值低于20%， 并且收斂速度更快， 基本符合實際要求。 雖然在調(diào)制范圍上被小幅壓縮， 其有效調(diào)制區(qū)域為1 532.0～1 548.0 nm， 略低于1 530.0～1 550.0 nm的理論值， 但仍能滿足測試需求。

3.3 炮管瞬態(tài)溫度測試結(jié)果及分析

測試火炮炮管上安裝一根傳導(dǎo)光纖， 此根光纖上一共有50個FBG傳感器分布與各個位置上(為了重建溫度場圖提供數(shù)據(jù))， 雖然數(shù)量多， 但原理一致故僅列出一個中間位置上FBG傳感器的測試數(shù)據(jù)， 測試位置為火炮膛線起始處。 標(biāo)定用的瞬態(tài)溫度測試設(shè)備選用WRP-130S型高速鎧裝熱電偶溫度探測器， 測溫范圍0～800 ℃， 該設(shè)備與本系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)對比如表1所示。

由表1溫度測試數(shù)據(jù)可知， 隨著炮彈出射計時后， 被測

表1 炮管瞬時溫度分布數(shù)據(jù)表

炮管位置的溫度會迅速上升， 當(dāng)采樣時間間隔設(shè)置為10 ms時， 在20 ms時達到最大值394 ℃。 隨后溫度逐漸下降， 下降幅度在10～100 ms段速度較快， 約為1.512 5 ℃·ms-1， 在100～500 ms段速度趨緩， 約為0.402 5 ℃·ms-1， 在500～1 000 ms段速度很慢， 約為0.032 0 ℃·ms-1。 變跡-啁啾光纖光柵傳感器得到的溫度測試值與WRP-130S型溫度傳感器的測溫結(jié)果基本一致， 檢測誤差均小于2%， 在溫度下降平穩(wěn)的區(qū)間具有優(yōu)于1%的測試效果， 其中， 若從回波波長的角度分析， 隨著中心波長的偏移越接近中間部分， 系統(tǒng)越具有較穩(wěn)定的測試效果及精度， 分析其原因是調(diào)制區(qū)間中間部分的穩(wěn)定性及回波反射率都較高所致。 根據(jù)波長的變化規(guī)律可知， 在已列出溫度-波長數(shù)據(jù)中滿足1 ℃約引起0.041 3 nm(均值)的波長偏移， 并且該變化在這個溫度變化過程中基本滿足線性變化的規(guī)律， 為了獲得更準(zhǔn)確的溫度計算結(jié)果， 可以在300 ℃以下的測溫區(qū)間引入一個校正參數(shù)， 從而使測溫精度均優(yōu)于1%。 系統(tǒng)最終僅用了一套光纖測試結(jié)構(gòu)在一次采集過程中就獲得了相當(dāng)于50個獨立WRP-130S型溫度傳感器在不同位置獲取的溫度數(shù)據(jù)， 大大提高了炮管溫度場重建的效率。

4 結(jié) 論

研究了一種基于變跡-啁啾光柵傳感器的瞬態(tài)溫度測試系統(tǒng)， 系統(tǒng)利用啁啾調(diào)制技術(shù)增大了回波光帶寬， 從而達到了在單根光纖上攜帶大量FBG傳感器的設(shè)計要求。 同時， 系統(tǒng)采用超高斯型變跡光柵結(jié)構(gòu)有效地抑制了由于采用啁啾光柵所引起的旁瓣增大及光譜抖動的問題。 相比傳統(tǒng)瞬態(tài)測溫技術(shù)而言， 系統(tǒng)的測試精度與WRP-130S型探測器相近， 而單次測試的溫度信息數(shù)據(jù)量大幅提高， 并且通過變跡-啁啾的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了傳統(tǒng)FBG在瞬態(tài)溫度測試中穩(wěn)定性不足的缺點， 證明了該系統(tǒng)的可行性及很高的實用價值。

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The Research and Application of Transient Temperature Test Based on Apodized-Chirped FBG

WANG Gao1, QI Le-rong1, LIU Zhi-chao2, 3, LIU Zhi-ming1, ZHENG Guang-jin1, WU Jing-zhi1

1. Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, Taiyuan 030051, China

2. College of Optical and Electronical Engineering, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130000, China

3. College of Optical and Electronical Information, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130000, China

In order to quickly and accurately obtain the transient temperature field information of the barrel when the gun is firing, the transient temperature measurement system was designed with apodized-chirped fiber Bragg grating (FBG) probe. In the system, chirped fiber grating was used to modulate the bandwidth of echo light. The bandwidth of echo light had been greatly improved. So the number of apodized-chirped FBGs in one fiber could be greatly increased, and the energy of echo light was increased too. The performances of five common apodization functions were analyzed, and the super-Gaussian function was used to process the echo signals in the system. This function effectively suppressed sidelobe increases and spectral dispersion caused by chirp modulation, which indicated that it could meet the design requirements of the transient temperature measurement. 50 apodized-chirped FBGs, which evenly wound on the barrel, were used in the experiments, and they modulation range was from 1 532.0 to 1 548.0 nm. Transient temperature of a certain type of gun barrel was tested when it fired, and test data from the system were compared to WRP-130S high-speed temperature detector. Experimental results show that the two methods are similar ones with average error of less than 2%, and better than 1% in the region of temperature steady drop. 1 ℃ can cause 0.041 3 nm wavelength shift in temperature-wavelength data. Transient temperatures of 50 independent positions can be obtained in an acquisition, so the efficiency of the barrel temperature field reconstruction is greatly improving.

Apodized-chirped fiber Bragg grating; Transient temperature; Super-Gaussian function; Barrel

Nov. 2, 2015; accepted Mar. 15, 2016)

2015-11-02，

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金項目(61573323， 11304289)， 國防基金項目(9140A08080115BG04119)， 山西省留學(xué)人員科研資助項目(2014054， 2015076)， 吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項目(2014[B060])資助

王 高， 1973年生， 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室教授 e-mail： wanggao@nuc.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2660-04