空間光纖傳感測量技術(shù)應(yīng)用研究

馮忠偉 榮 剛 姜 爽 張聲艷

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

空間光纖傳感測量技術(shù)應(yīng)用研究

馮忠偉 榮 剛 姜 爽 張聲艷

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

針對空間環(huán)境參數(shù)測量的需求和特殊環(huán)境約束，研究光纖技術(shù)應(yīng)用于空間飛行器上的系統(tǒng)性解決方案。從不同的參數(shù)敏感形式當(dāng)中選擇光纖光柵實(shí)現(xiàn)溫度、壓力等物理參數(shù)測量，詳細(xì)分析了光纖光柵解調(diào)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議形式實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的封裝和傳輸。針對空間環(huán)境的特殊性，分析空間力學(xué)環(huán)境、輻照環(huán)境對光纖傳感測量系統(tǒng)的影響，研究了提高測量系統(tǒng)空間環(huán)境適應(yīng)性的方法，為空間飛行器上的物理參數(shù)集成化測量提供一種有效的解決方案。

光纖傳感 空間飛行器 測量 光纖光柵

1 引 言

空間飛行器上的溫度、壓力等物理參數(shù)反應(yīng)了飛行器上的環(huán)境特性，是確保飛行器上設(shè)備正常工作的重要指標(biāo)，在空間飛行器上關(guān)鍵部位通常采用大量傳感器進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測。相對于傳統(tǒng)傳感測量技術(shù)，光纖具有體積小、重量輕、抗電磁干擾性能好、易于組網(wǎng)測量等優(yōu)點(diǎn)。本文按照一般測量系統(tǒng)組成，分析了光纖光柵傳感測量原理，闡述了光纖光柵傳感解調(diào)裝置的組成和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)分析了光電探測器的驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集方案。在空間數(shù)據(jù)管理方案的基礎(chǔ)上，采用CCSDS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝和傳輸，滿足一般空間飛行器上數(shù)據(jù)調(diào)度及下行需求。針對空間力學(xué)環(huán)境和輻射環(huán)境，研究了提高光纖傳感測量系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的方法，為空間飛行器上環(huán)境參數(shù)測量提供了一種有效途徑。

2 光纖光柵傳感測量系統(tǒng)

光纖光柵的反射或透射譜的中心波長受應(yīng)變、溫度等因素的調(diào)制而發(fā)生變化，波長的變化量同應(yīng)變和溫度等因素具有確定的關(guān)系，因此波長解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[1～3]。

圖1為光纖光柵傳感系統(tǒng)的原理示意圖。寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)3dB耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵上，光纖光柵反射光再經(jīng)耦合器傳輸?shù)讲ㄩL解調(diào)系統(tǒng)中，從波長解調(diào)端觀測到的典型反射光譜如圖2所示。由圖2可知，寬帶光源入射的所有光束中，波長值在光纖光柵中心波長λB附近的光具有較高的反射率，反射功率隨偏離中心波長λB距離的增加迅速下降。當(dāng)光纖光柵受溫度或應(yīng)變調(diào)制時(shí)，其有效折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖光柵反射譜中心波長λB發(fā)生偏移ΔλB，ΔλB的大小同作用在光纖光柵上的溫度或應(yīng)變相關(guān)，因此通過波長解調(diào)測得ΔλB即可得到溫度或應(yīng)變的大小。

應(yīng)變和溫度是引起光纖光柵中心波長變化最根本、最直接的物理量，它們的變化使光纖光柵的周期和折射率發(fā)生變化，從而引起光纖光柵中心波長的變化。應(yīng)變及溫度同波長變化量之間的關(guān)系可以通過下式表示

(1)

式中:ρa(bǔ)——彈光系數(shù)；ξ—光纖的熱光系數(shù)；α——光纖的熱膨脹系數(shù)。典型的光纖光柵的應(yīng)變靈敏度約為1pm/με，溫度靈敏度約為10pm/℃。

3 光纖光柵傳感解調(diào)裝置

3.1 雙衍射光柵解調(diào)原理

基于衍射光柵的光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)如圖 3所示，實(shí)線框中的部分為本文的研究內(nèi)容，由準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、反射鏡和光電探測器組成；硬件電路由驅(qū)動(dòng)模塊、A/D采樣模塊、通訊模塊和FPGA控制模塊組成。

由ASE寬帶光源入射的光經(jīng)光纖光柵反射后入射到準(zhǔn)直鏡上，由于入射光波長相近，準(zhǔn)直鏡出射的光可以近似認(rèn)為是平行光束，經(jīng)過兩塊衍射光柵后不同波長的光束在空間按一定的角度展開，由反射鏡將光束匯聚成像在探測器上。該系統(tǒng)中采用兩塊衍射光柵可以保證在提高波長分辨率的同時(shí)減小解調(diào)器的空間尺寸。由于系統(tǒng)中心波長為1550nm，因此光電探測器選用該波段敏感的InGaAs線陣探測器。探測器在硬件電路的控制下對像點(diǎn)進(jìn)行離散采樣，通過A/D轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的數(shù)字信號，通過通訊模塊將采樣數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)。由于像點(diǎn)的空間光強(qiáng)分布為高斯型，通過軟件算法對離散采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合得到反射譜的中心波長。

由于光路由準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、反射鏡和光電探測器組成，必須精確計(jì)算確定各個(gè)光學(xué)元件之間的相互位置關(guān)系，其中關(guān)鍵需要確定兩塊衍射光柵的空間布局。以λ1,λ2,λc分別表示入射光束波長的上限、下限和中心波長，則衍射角θ1,θ2,θc可以通過下式計(jì)算得到

(2)

式中:i——所有波長光束的入射角度;d——光柵周期。設(shè)i=50°，λ1=1.525μm，λc=1.545μm，λ2=1.565μm，d=1μm，則第一塊光柵出射光束衍射角最大差值為

Δθ=|θ1-θ2|=3.225°

(3)

為了使所有設(shè)計(jì)波長同時(shí)通過兩塊衍射光柵，兩塊衍射光柵的空間布局如圖 4所示。

若以平行入射光束同第一塊衍射光柵的交點(diǎn)(O1)為全局坐標(biāo)系原點(diǎn)，O2為波長為λc光束同第二塊衍射光柵的交點(diǎn)，則第二塊衍射光柵的空間位置可以通過O2相對O1的位移(x2,y2)及旋轉(zhuǎn)角度β完全確定。

3.2 光電探測器驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集

針對所選用的探測器設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集電路，該硬件電路的主要功能可以分為四個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)電路模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊；USB通訊模塊；FPGA控制模塊。其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)電路模塊是提供芯片正常工作的必要輸入信號，包括工作電壓(Vdd)、參考電壓(INP和Vref)、時(shí)鐘(CLK)及復(fù)位信號(RESET)。參考電壓(INP和Vref)對探測器輸出信號的質(zhì)量具有較大影響，要求提供盡可能小的波紋度。A/D采樣模塊接收從探測器輸出的模擬信號，并將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，由于所選用探測器為雙通道同步工作方式，因此要求提供兩路同步工作的A/D轉(zhuǎn)換器。為了使采樣信號盡可能真實(shí)的反映原信號，本系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率為10MHz。USB模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)同底層模塊的通訊功能，上位機(jī)上的指令通過該模塊寫入到底層模塊，底層模塊的A/D采樣結(jié)果通過該模塊傳送到上位機(jī)供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。所有上述模塊通過FPGA模塊統(tǒng)一控制完成InGaAs線陣探測器驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集功能[3]。

4 CCSDS數(shù)據(jù)封裝與傳輸

飛行器上的溫度參數(shù)、力學(xué)參數(shù)等特性差異較大，溫度參數(shù)頻率低、對采樣及傳輸速率無特殊要求，但振動(dòng)等參數(shù)則要求滿足香農(nóng)采樣定律。

PCM遙測為高頻參數(shù)的采集及同步傳輸提供了合理的機(jī)制，但是PCM幀格式的編排特性不能克服多類型數(shù)據(jù)源、時(shí)變特性的需求。CCSDS分包遙測協(xié)議則提供了面向不同特性數(shù)據(jù)源的良好解決機(jī)制，但是不能滿足高頻參數(shù)等間隔采樣要求。為解決上述問題，將PCM遙測和CCSDS分包遙測進(jìn)行綜合利用，在CCSDS遙測包中進(jìn)行PCM幀格式封裝，達(dá)到即能滿足高頻參數(shù)等間隔采樣要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和其他數(shù)據(jù)格式兼容，滿足數(shù)據(jù)異步傳輸要求。

數(shù)據(jù)源包提供了與其他異步數(shù)據(jù)兼容的數(shù)據(jù)格式，通過統(tǒng)一的調(diào)度策略即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下行傳輸。但是數(shù)據(jù)源包的非同步傳輸策略不能保證高頻參數(shù)的等間隔采樣要求，為解決該問題，在數(shù)據(jù)源包的數(shù)據(jù)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)PCM幀格式封裝，以13×6遙測格式為例，數(shù)據(jù)源包中包含78字節(jié)內(nèi)容。采用這種方式保證了單獨(dú)一個(gè)數(shù)據(jù)源包內(nèi)數(shù)據(jù)的等間隔特性，而不同數(shù)據(jù)源包之間則通過數(shù)據(jù)源包的時(shí)間碼進(jìn)行標(biāo)識，時(shí)間碼之間可以采用插值方法得到一組等間隔的采樣數(shù)據(jù)。

通過上述方法，結(jié)合了PCM遙測和CCSDS分包遙測的優(yōu)點(diǎn)，即保證了高頻參數(shù)等間隔采樣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一兼容。

航天器在軌期間，軌道條件、被采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)容量、測控條件等均會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，為保證所有有效采集數(shù)據(jù)可靠下行，采用采集數(shù)據(jù)緩存方式，當(dāng)滿足數(shù)據(jù)下行實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，高頻參數(shù)采集數(shù)據(jù)通過下行信道實(shí)時(shí)下行，當(dāng)不滿足時(shí)，則通過存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)緩存，在滿足測控條件時(shí)下行。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸流程見圖6。

為滿足數(shù)據(jù)源包在物理信道上的可靠傳輸，根據(jù)CCSDS分包遙測協(xié)議，遙測數(shù)據(jù)源包被組織成統(tǒng)一的幀格式。

高頻采集參數(shù)和其他數(shù)據(jù)源包之間通過統(tǒng)一的調(diào)度策略完成對物理信道的占用，根據(jù)參數(shù)的關(guān)鍵特性、實(shí)時(shí)傳輸要求等進(jìn)行合理分配，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。調(diào)度策略見圖7。

5 空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

5.1 空間力學(xué)環(huán)境

航天飛行器從發(fā)射到入軌運(yùn)行經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境條件包括振動(dòng)、沖擊、過載、噪聲等，為保證光纖光柵傳感器入軌后能夠?qū)崿F(xiàn)正常測量功能，光纖光柵傳感器需要從材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過地面試驗(yàn)進(jìn)行充分驗(yàn)證。

發(fā)射上升階段的振動(dòng)、沖擊、過載及噪聲等環(huán)境因素主要通過運(yùn)載火箭傳導(dǎo)到航天飛行器上，力學(xué)環(huán)境的持續(xù)時(shí)間、量級、功率譜密度等特性與運(yùn)載器的類型、目標(biāo)軌道等因素密切相關(guān)；在軌運(yùn)行階段的力學(xué)環(huán)境主要和在軌期間的任務(wù)相關(guān)。一般而言，發(fā)射上升段的力學(xué)環(huán)境條件較在軌階段苛刻，因此針對航天飛行器的力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)主要考慮上升階段的各種因素即可。

5.2 空間輻照環(huán)境

航天飛行器在軌運(yùn)行期間暴露在空間輻照環(huán)境下，空間輻照環(huán)境主要由地球輻照帶、銀河宇宙射線、太陽宇宙射線等因素綜合作用構(gòu)成。地球輻射帶分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶，分布高度為600km～60000km，主要以高能質(zhì)子和電子為主，是航天飛行器總劑量輻射效應(yīng)的主要來源；銀河宇宙射線是指來自太陽系以外的各種高能帶電粒子，由87%質(zhì)子、12%α粒子、1%其他較重離子構(gòu)成，具有能量高、穿透能力強(qiáng)，屏蔽困難，是誘發(fā)單粒子效應(yīng)的主要輻射源；太陽耀斑爆發(fā)時(shí)釋放粒子主要是高能質(zhì)子，另外還有3%～15%的氦核、原子序數(shù)Z=6，7，8的原子核占粒子總通量0.05%，太陽宇宙射線能量從 10MeV 到幾十 GeV。

在空間輻照環(huán)境作用下，主要考慮總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)以及位移效應(yīng)三種情況?？倓┝啃?yīng)是射線、帶電粒子穿過器件材料，引起器件材料原子電離，產(chǎn)生正離子和自由電子(電子-空穴對)，從而改變材料特性，使器件的性能發(fā)生變化；空間輻射環(huán)境中存在的單個(gè)高能粒子入射半導(dǎo)體器件時(shí)產(chǎn)生大量的電子空穴對，這些電子空穴對可能在有源區(qū)電場作用下形成短暫的電流，從而使信號出現(xiàn)脈沖，或改變存儲(chǔ)電路的邏輯狀態(tài)，或激發(fā)電路中的潛在的寄生效應(yīng)，從而使電路出現(xiàn)錯(cuò)誤甚至毀壞器件，進(jìn)而導(dǎo)致單機(jī)甚至航天器性能退化或者功能失效，單粒子效應(yīng)包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子鎖定等；高能粒子與材料碰撞，在體內(nèi)產(chǎn)生晶格缺陷，稱為位移損傷，位移缺陷成為載流子的產(chǎn)生、復(fù)合中心，增加少數(shù)載流子產(chǎn)生率，降低少數(shù)載流子壽命，引起器件性能退化，針對光電器件，位移效應(yīng)的影響大于總劑量效應(yīng)。

光纖是光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的最基本組成組件，空間環(huán)境下的輻射(包括X射線、Y射線以及中子輻射等)會(huì)在一定程度上引起光纖的輻射損傷，從而導(dǎo)致光纖對信號傳輸能力的降低，綜合性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響到光纖使用過程中的安全性與可靠性，因此，設(shè)法改善與提高光纖的抗輻射性能是提高光纖光柵傳感測量系統(tǒng)空間環(huán)境適應(yīng)性的重要措施。

目前各種抗輻射性能較好的光纖就材料組分上可分為三類[5]：第一類是全塑料光纖，全塑料光纖的主要材料有聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸樹脂，這種光纖的最大優(yōu)點(diǎn)是低劑量率輻照條件下恢復(fù)速率較快、成本低，但主要缺點(diǎn)是來自基體材料的吸收造成的固有損耗大；第二類是硅樹脂包層、純硅芯階躍型光纖，這類光纖輻照誘導(dǎo)損耗很小，數(shù)值孔徑可做得很大而對抗輻射性能無明顯降低，但它不容易與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖對接，當(dāng)劑量較大時(shí)，此類光纖的輻照誘導(dǎo)損耗因聚合物變脆而劇烈增加；第三類是摻氟純硅或摻氟硅酸鹽包層、純硅芯階躍型光纖，這類光纖易與標(biāo)準(zhǔn)通信光纖對接，關(guān)于此類型光纖在輻照環(huán)境下的應(yīng)用研究雖然比全塑料光纖、硅樹脂包層純硅芯光纖問世晚，但現(xiàn)在的性能己趕上、有的已超過它們的抗輻射性能。

雖然摻氟純硅或摻氟硅酸鹽包層、純硅芯階躍型光纖的抗輻照性能具有更為突出的表現(xiàn)，但空間飛行器在發(fā)射上升、在軌運(yùn)行等過程中有可能經(jīng)歷大量程的沖擊作用，石英光纖由于較脆容易發(fā)生斷裂，因此綜合考慮塑料光纖是空間光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的優(yōu)先選用的光纖。

光電器件實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，是光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的核心電子元器件，光纖光柵傳感測量系統(tǒng)所用的電子元器件包括CCD、CMOS圖像傳感器及各類型的光電耦合器件[6]。

為確保光纖光柵傳感測量系統(tǒng)的光電器件在空間輻照環(huán)境下長期有效，通常需要采取額外的保護(hù)措施，主要手段包括：

(1)從器件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝入手，從本質(zhì)上提高器件的抗輻照指標(biāo)；

(2)在現(xiàn)有元器件基礎(chǔ)上，針對總劑量效應(yīng)、位移效應(yīng)及單粒子效應(yīng)不同的損傷機(jī)理采用不同的防護(hù)措施，普通厚度金屬殼體可以大幅度降低總劑量水平，確保器件工作在合理劑量水平；采用加固DC/DC、FPGA轉(zhuǎn)ASIC、采用EDAC等措施可以有效降低單粒子效應(yīng)的影響。

實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要針對光纖光柵傳感測量測量系統(tǒng)中具體采用的元器件種類和數(shù)量，綜合成本、功耗、國產(chǎn)化程度等因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語

光纖傳感技術(shù)相對其他方法具有體積小、重量輕、電磁兼容性好、易于組網(wǎng)等方面的優(yōu)勢，在建筑、工業(yè)、電力等領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛的應(yīng)用，并取得良好的效果。本文針對空間飛行器上參數(shù)測量需求，研究采用光纖光柵原理構(gòu)建完整的測量系統(tǒng)，對測量方案、解調(diào)裝置、測量數(shù)據(jù)的封裝與傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。分析空間飛行器上力學(xué)環(huán)境、輻照環(huán)境的特殊性，研究了提高測量系統(tǒng)空間環(huán)境適應(yīng)性的方法。通過系統(tǒng)性的研究，提供了一種有效可行的空間環(huán)境參數(shù)測量方案。

[1] 饒?jiān)平? 王義平. 光纖光柵原理及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[2] 趙勇. 光纖光柵及其傳感技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[3] Zhou B, Guan Z, Yan C, et al. Interrogation technique for a fiber Bragg grating sensing array based on a Sagnac interferometer and an acousto-optic modulator[J]. Optics Letters. 2008, 33(21): 2 485～2 487.

[4] 李國玉，劉波，郭團(tuán)等. 基于線陣InGaAs光電二極管陣列的光纖光柵傳感解調(diào)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2007, 36(9): 1 591～1 594.

[5] 鄧濤. 石英玻璃及石英光纖的抗輻射性能研究[M]. 武漢理工大學(xué)，2010.

[6] 李豫東, 汪波等. CCD與CMOS圖像傳感器輻射效應(yīng)測試系統(tǒng)[J]. 光學(xué)精密工程. 2013(11): 2 778～2 784.

Research on Fiber Sensing Measurement for Spacecraft

FENG Zhong-wei RONG Gang JIANG Shuang ZHANG Sheng-yan

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

The application of fiber sensing measurement for spacecraft is explored extensively towards the special requirement and limitation brought by the space environment. The fiber grating is selected from various techniques to transfer the physics such as temperature, pressure into signal. The design and realization of the demodulation for the fiber grating sensing system are analyzed comprehensively. CCSDS recommendations are applied to package and transmit the measuring data. Methods are explored aiming to improve the environmental suitability of the measuring system towards the special requirement of the mechanical and radiation environment. A feasible solution for the measurement of space physical parameter is promoted.

Fiber sensing Spacecraft Measurement Fiber grating

2016-09-08，

2016-12-28

馮忠偉(1982-)，男，博士，高級工程師，主要研究方向：空間飛行器數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究。

1000-7202(2017) 02-0005-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.02

TN206

A