基于光纖傳感的航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)精確測量

楊 寧，申景詩，張建德，徐安宏

（山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺264670）

0 引言

載人飛船、空間站等大型航天器在軌時間長、服役環(huán)境惡劣。為有效保證航天器的在軌可靠運行和航天員的生命安全，需要對航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)方式通常利用電阻應(yīng)變片對航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)進行測量，但其安裝復(fù)雜、易受電磁干擾，僅適用于地面測試環(huán)境；當前國內(nèi)尚無有效手段對在軌航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)進行實時測量。

光纖傳感技術(shù)具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、易于組網(wǎng)等優(yōu)點，可在復(fù)雜空間環(huán)境下實時監(jiān)測航天器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)[1-3]。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）是應(yīng)用最廣泛的光纖傳感器之一，屬于波長調(diào)制型傳感器，其獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)的前提是中心波長的解調(diào)[4-5]?？烧{(diào)諧濾波器法是目前廣泛應(yīng)用的FBG 高精度解調(diào)方法，其通過壓電陶瓷實現(xiàn)對寬帶光源的波長掃描[6]；然而由于壓電陶瓷的遲滯、蠕變等特性，使得濾波器透射波長與壓電陶瓷驅(qū)動電壓間的線性度和重復(fù)性較差，需要進行波長校正以保證解調(diào)精度[7]。目前，常用的波長校正方法主要有F-P標準具參考法、氣體吸收譜線參考法等[8-9]。其中：F-P標準具參考法能夠覆蓋較寬的波長范圍，并提供分布均勻的多個波長參考點，但F-P標準具的腔長易受溫度影響而使波長校正精度降低；氣體吸收譜線參考法不受溫度影響，能夠提供穩(wěn)定的參考波長，但其覆蓋波長范圍較窄，并且吸收譜線分布不均，使得波長校正系統(tǒng)復(fù)雜度較高。

為實現(xiàn)空間高低溫環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)的精確測量，本文將F-P標準具參考法與氣體吸收譜線參考法相結(jié)合，對可調(diào)諧濾波器透射波長進行校正，并且采用自適應(yīng)閾值法解決掃描光源平坦度差引起的標準具波形尋峰困難問題；同時基于時間預(yù)測性最大化原理對氣室透過光源信號進行盲分離，以降低噪聲干擾，提高波長校正值求取精度。

1 光纖光柵解調(diào)原理

基于F-P標準具和C2H2氣室的可調(diào)諧濾波器解調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由光源模塊、并行探測模塊和數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成。光源模塊為FBG傳感器、標準具和氣室提供掃描光源；并行探測模塊實現(xiàn)掃描光束的分束、收集，以及提供波長參考等；數(shù)據(jù)處理模塊對采集信號進行光電轉(zhuǎn)換、分析計算，獲取FBG 反射光信號的波長數(shù)據(jù)。具體解調(diào)步驟如下：1）求取標準具梳狀譜各波峰位置，通過擬合獲取掃描光源時間?波長曲線；2）將氣室吸收峰代入掃描光源時間?波長曲線，得到氣室吸收峰波長，并將其與氣室吸收峰參考波長進行比對，得到波長校正值；3）根據(jù)掃描光源時間?波長曲線和波長校正值得到FBG 傳感器反射波長。

1.1 掃描光源時間-波長映射關(guān)系建立

1.1.1 基于自適應(yīng)閾值的F-P標準具尋峰

在解調(diào)系統(tǒng)中，F(xiàn)-P標準具提供等間隔的波長參考譜線，并通過一個已知波長的限波濾波器去掉其中一條譜線，從而獲得標準具各條譜線對應(yīng)的波長參考值。使用三角波電路對光源進行一次掃描，掃描光源透過F-P 標準具后，探測得到的波形如圖2所示，其中光源為寬帶光源，掃描范圍為1525～1565 nm。

圖2 透過F-P標準具的掃描光源波形Fig.2 Transm ission waveform of scanning light source through F-P etalon

從圖2可以看出，高速掃描光源平坦度較差，導(dǎo)致透過標準具后的光源波形各峰值差異較大。光源掃描速度越快，其平坦度越差，從而造成透過標準具后的光源波形幅值差異也越大。此時，如果截峰閾值偏大，則會丟失部分有用波形信息；如果截峰閾值偏小，則會引入大量噪聲干擾：兩者都會對解調(diào)精度產(chǎn)生影響。本文采用自適應(yīng)閾值法解決光源平坦度差引起的尋峰困難問題，具體步驟如下：

1）通過分析透過F-P標準具的掃描光源波形，給定初始截峰閾值Tinitial，并根據(jù)該閾值確定光源波形中前2個波峰點集Pc1與Pc2，如圖3所示。

圖3 閾值法截峰示意Fig.3 Diagram of peak truncation by threshold control

2）根據(jù)步驟1）的尋峰結(jié)果，結(jié)合初始截峰閾值Tinitial，確定光源波形中前2個波谷pt1與pt2，并將其定義為初始輸入；

3）利用光源波形中第(n?1)個波谷pt(n?1)與第(n?2)個波谷pt(n?2)，通過線性插值的方法預(yù)測第n個波谷ptn(n≥3)，

4）根據(jù)第n個波谷ptn與給定調(diào)整值Δε確定光源波形中第n個波峰的截峰閾值Tn，Tn=ptn+Δε，進而根據(jù)Tn確定第n個波峰點集Pcn；

5）重復(fù)上述步驟3）與步驟4），直至獲取光源波形中全部的波峰點集；

6）根據(jù)獲取的波峰點集，利用質(zhì)心法精確求取標準具波峰位置，并參考限波濾波器對應(yīng)的波長數(shù)據(jù)，獲得標準具各波峰對應(yīng)的波長值。

1.1.2基于三次樣條插值的時間?波長曲線擬合

三次樣條函數(shù)能夠根據(jù)少量離散測點值擬合出其他若干點的函數(shù)值，因此，可根據(jù)F-P標準具各峰值對應(yīng)的波長數(shù)據(jù)，通過三次樣條插值實現(xiàn)對掃描光源時間?波長曲線的擬合[10-11]，如圖4所示。

圖4 掃描光源時間?波長曲線擬合示意Fig.4 Time-wavelength fitted curve for the scanning light source

式中：S(x)表示待建立的掃描光源時間?波長映射關(guān)系；x∈[xi?1,xi]，為采樣點值；yi為采樣點xi對應(yīng)的波長值；hi=xi?xi?1，表示區(qū)間長度；Mi為S(x)在xi處的二階導(dǎo)數(shù)，可通過以下(n?1)個方程解得，

其中，

1.2 基于時間預(yù)測的掃描光源波長校正

環(huán)境溫度變化會導(dǎo)致F-P標準具的透射譜發(fā)生漂移，因此須通過C2H2氣室提供的吸收峰參考波長對掃描光源波長進行校正。航天器中存在著電磁噪聲等大量噪聲信號，頻譜寬泛、幅值較大，使得受噪聲影響透過氣室得到的掃描光源波形較差。因此，本文基于時間預(yù)測性最大化原理對透過氣室的光源信號進行盲分離，以消除噪聲對掃描光源波形的影響。算法原理是利用不同源信號具有不同的時間預(yù)測性，逐層剝離時間預(yù)測性差的信號，留下時間預(yù)測性最好的信號[12]。求解得到最大化信號時間可預(yù)測性量度F(w i,x)的分離矢量w i，即可分離出源信號。

基于時間預(yù)測性最大化原理剝離得到的掃描光源波形如圖5(a)所示。從圖中可以看出，由于光源平坦度較差，使得光源波形發(fā)生傾斜，增加了氣室吸收峰的尋峰難度。因此，須首先采用最小二乘法求取光源波形基線，然后利用基線對光源波形進行校正，進而通過質(zhì)心法精確求取氣室吸收峰的位置。校正后的波形如圖5(b)所示。

圖5 氣室光源波形校正Fig.5 Calibration of waveform for transmission light source of gas cell

將求得的氣室吸收峰位置代入掃描光源時間?波長曲線，得到氣室吸收峰波長值λg；氣室吸收峰參考波長值為λref，則相應(yīng)的掃描光源波長校正值為

1.3 基于復(fù)合波長參考的FBG解調(diào)

利用基于F-P標準具建立的掃描光源時間?波長曲線和C2H2氣室確定的波長校正值Δλ，對FBG進行復(fù)合波長參考的精確解調(diào)，解調(diào)過程如圖6所示。首先，利用質(zhì)心法對FBG 反射信號尋峰，確定峰值位置，并根據(jù)掃描光源時間?波長曲線初步獲得FBG反射波長λf；然后，利用Δλ對λf進行校正，獲得FBG 實際反射波長

圖6 基于復(fù)合波長參考的FBG 解調(diào)Fig.6 Diagram of FBG demodulation by reference of compositewavelength

2 實驗分析與驗證

根據(jù)圖1搭建基于F-P標準具和C2H2氣室的可調(diào)諧濾波器解調(diào)系統(tǒng)，其光源波長掃描范圍為1525～1565 nm，90%的掃描光進入7路FBG 傳感鏈路，10%的掃描光進入F-P標準具和C2H2氣室。通過實驗對高低溫環(huán)境下系統(tǒng)解調(diào)溫度穩(wěn)定性以及解調(diào)精度進行驗證。

2.1 中心波長溫度穩(wěn)定性驗證實驗

為驗證系統(tǒng)解調(diào)穩(wěn)定性，將中心波長分別為1 531.068 9、1 535.362 4、1 552.403 7 nm 的FBG 溫度傳感器（對應(yīng)傳感器編號為1、2、3）放置于恒溫液槽中。恒溫液槽溫度維持在(27.5±0.1)℃，F(xiàn)BG 溫度傳感器的靈敏度系數(shù)為10.8 pm/℃，因此恒溫液槽溫度變化引起的FBG傳感器中心波長變化小于1 pm。同時，將F-P標準具和C2H2氣室放置于恒溫箱中，考慮到解調(diào)設(shè)備通常放置于航天器艙內(nèi)，參考航天器艙內(nèi)溫度將恒溫箱溫度變化范圍設(shè)定為-25～60℃。在每個溫度點穩(wěn)定后，對FBG 溫度傳感器中心波長進行解調(diào)，解調(diào)結(jié)果如表1所示。從解調(diào)結(jié)果可以看出，在環(huán)境溫度變化范圍（-25～60℃）內(nèi)，F(xiàn)BG溫度傳感器中心波長解調(diào)偏差在3 pm 以內(nèi)，能有效克服F-P標準具透射波長隨溫度漂移而造成的解調(diào)精度下降問題，從而實現(xiàn)FBG傳感器中心波長的穩(wěn)定解調(diào)。

表1 不同環(huán)境溫度下FBG傳感器中心波長解調(diào)偏差Table1 Deviations of wavelength demodulation of FBG sensors indifferent temperatures

2.2 系統(tǒng)解調(diào)精度驗證實驗

為驗證系統(tǒng)解調(diào)精度，在等強度梁測量區(qū)域內(nèi)安裝3只FBG 應(yīng)變傳感器，并在傳感器附近安裝相應(yīng)的電阻應(yīng)變片，以提供等強度梁應(yīng)變參考值；同時，安裝1只FBG 溫度傳感器進行FBG 應(yīng)變傳感器的溫度補償，如圖7所示。

圖7 FBG 應(yīng)變傳感器精度測量設(shè)備Fig.7 Apparatus for precision measurement of FBG strain sensor

在測量過程中，通過逐步加載砝碼的方式使等強度梁產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變范圍在2000με以內(nèi)。每次等強度梁穩(wěn)定后，利用FBG 應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片測得等強度梁應(yīng)變值，并以電阻應(yīng)變片測量值作為參考，驗證FBG 應(yīng)變傳感器的測量精度，結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，本文方法應(yīng)變測量的相對誤差在4%以內(nèi)，且在初始階段相對測量誤差較大，這主要是由于初始階段結(jié)構(gòu)應(yīng)變偏小。

圖8 本文方法結(jié)構(gòu)應(yīng)變相對測量誤差Fig.8 Relative measuring error by our method

3 結(jié)束語

為利用光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)空間高低溫環(huán)境下航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)的高精度測量，本文采用基于F-P標準具和C2H2氣室的復(fù)合波長參考的可調(diào)諧濾波器解調(diào)方法。在解調(diào)過程中，采用自適應(yīng)閾值法解決光源平坦度差引起的F-P標準具尋峰困難問題，并基于時間預(yù)測性最大化原理對透過氣室的光源信號進行盲分離，提高氣室波長校正精度。實驗結(jié)果表明：在-25～60℃高低溫環(huán)境條件下，F(xiàn)BG 傳感器中心波長解調(diào)偏差小于3 pm，能有效克服F-P標準具透射波長隨溫度漂移而造成的解調(diào)精度下降問題，實現(xiàn)FBG傳感器中心波長的穩(wěn)定解調(diào)；同時，等強度梁應(yīng)變測量的相對誤差在4%以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)待測結(jié)構(gòu)應(yīng)變參數(shù)的高精度測量。