衛(wèi)星分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)研究

吳侃侃，楊 牧，陳 議，陳德相，魏曉陽

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

0 引言

傳統(tǒng)的衛(wèi)星溫度測(cè)量主要以負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻或鉑電阻作為溫度敏感器件，每個(gè)熱敏電阻或鉑電阻均需通過導(dǎo)線將信號(hào)送至采集系統(tǒng)，經(jīng)分壓、通道選擇、AD變換后處理成數(shù)字信號(hào)。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻全溫度范圍內(nèi)的平均測(cè)量誤差約為0.5 ℃，鉑電阻測(cè)量誤差則優(yōu)于0.1 ℃。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，尤其是大型合成孔徑雷達(dá)(SAR)天線、高精度光學(xué)載荷的應(yīng)用，測(cè)溫點(diǎn)多達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千。隨著測(cè)溫點(diǎn)的增多，附著在被測(cè)物上的測(cè)溫電纜質(zhì)量成比例增加，使載荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，衛(wèi)星指向穩(wěn)定度降低，同時(shí)電纜布線和工藝復(fù)雜度增大，已無法適應(yīng)未來衛(wèi)星輕質(zhì)化的要求。以衛(wèi)星常用的抗輻照交聯(lián)乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣電纜為例，共計(jì)500個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)到溫度采集系統(tǒng)的平均距離假設(shè)為5 m，則僅附著在衛(wèi)星載荷上的測(cè)溫電纜裸線質(zhì)量就超過10.5 kg(標(biāo)稱2.1 kg/km)，另外還需大量電纜包覆材料、固定卡箍、綁扎線等。若全部采用測(cè)溫精度更高的鉑電阻測(cè)溫，電纜質(zhì)量將增加1倍。

在大面積三維溫度場(chǎng)測(cè)量中，希望獲取具有空間和時(shí)間連續(xù)性的全局溫度參數(shù)，便于衛(wèi)星通過主動(dòng)控溫方式確保全區(qū)域處于某一較穩(wěn)定的溫度值，避免溫度梯度劇烈變化，同時(shí)作為地面載荷探測(cè)元素反演的重要輸入。這種應(yīng)用需求是傳統(tǒng)的溫度敏感器件“定點(diǎn)式”測(cè)量難以滿足的。

分布式光纖測(cè)溫是一種實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的技術(shù)，被認(rèn)為是應(yīng)用最為成功、廣泛的分布式測(cè)量技術(shù)[1]。光纖測(cè)溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣、耐高壓、測(cè)溫精度高、質(zhì)量輕、容易安裝布線、可以連續(xù)快速遠(yuǎn)距離測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)。具有抗輻照能力的成品星載多模光纜質(zhì)量指標(biāo)≤25 kg/km，實(shí)際使用200 m光纜質(zhì)量?jī)H為5 kg。而且只要在光纖測(cè)溫長(zhǎng)度范圍內(nèi)，光纖長(zhǎng)度的變化不影響采集系統(tǒng)。與電阻式測(cè)溫系統(tǒng)相比，光纖測(cè)溫在電纜質(zhì)量、布線、測(cè)溫精度和靈活度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，光纖既是傳輸介質(zhì)也是傳感介質(zhì)，激光脈沖注入傳感光纖中，向前傳輸時(shí)將會(huì)發(fā)生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。瑞利散射信號(hào)較強(qiáng)，但對(duì)溫度不敏感；布里淵散射對(duì)溫度和應(yīng)力都敏感，但容易受外界環(huán)境干擾，信號(hào)剝離難度大；拉曼散射只與溫度有關(guān)，并且相對(duì)容易獲取和分析，因此得到普遍應(yīng)用[2-3]。

對(duì)于光纖后向拉曼散射信號(hào)，溫度解調(diào)通常是建立在一個(gè)精確的參考光纖溫度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。參考光纖溫度測(cè)量精度對(duì)于保證系統(tǒng)的測(cè)溫精度至關(guān)重要。文獻(xiàn)[4]中提出了基于拉曼散射的光纖測(cè)溫原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了通過測(cè)量參考光纖溫度進(jìn)行光纖溫度解算的方法。文獻(xiàn)[5]中提出采用多點(diǎn)平均提高參考光纖測(cè)溫精度，從而提高系統(tǒng)測(cè)溫精度。文獻(xiàn)[6]中試驗(yàn)說明，選取合適的參考光纖校準(zhǔn)溫度、參考光纖長(zhǎng)度、距離參考光纖的間距可以提高測(cè)溫精度。利用光時(shí)域反射技術(shù)可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行精確定位。文獻(xiàn)[7]中在26 km單模光纖上測(cè)溫空間分辨率為1 m，而文獻(xiàn)[8]中采用抗輻射多模光纖，空間分辨率達(dá)0.5 m、最大測(cè)溫誤差小于0.5 ℃。

光纖測(cè)溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力電纜[9]、油氣開采[10]、煤礦[11]等領(lǐng)域，文獻(xiàn)[2]中對(duì)應(yīng)用情況進(jìn)行比較全面的梳理。文獻(xiàn)[12]中詳細(xì)描述了發(fā)電機(jī)定子溫度監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，采用基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的鉑電阻局部測(cè)溫，獲取連續(xù)的溫度參數(shù)構(gòu)建定子三維溫度模型。

光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星時(shí)，衛(wèi)星資源有限，無法采用復(fù)雜的校準(zhǔn)系統(tǒng)，而且衛(wèi)星在軌后環(huán)境遠(yuǎn)比地面惡劣，光纖特性參數(shù)變化快，必須具備在軌實(shí)時(shí)自主校準(zhǔn)的能力。利用光纖測(cè)溫沿光纖長(zhǎng)度累加平均的特點(diǎn)，本文提出環(huán)繞式布線方式的衛(wèi)星光纖測(cè)溫系統(tǒng)，在光纖環(huán)上布置若干個(gè)鉑電阻測(cè)溫取代恒溫環(huán)境作為參考溫度，有效獲取各光纖環(huán)區(qū)域的平均溫度。為了提高測(cè)溫精度，消除衛(wèi)星在軌復(fù)雜環(huán)境因素的影響，提出在傳感光纖首尾設(shè)計(jì)雙參考點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)修正。本文最后給出了雙參考點(diǎn)鉑電阻測(cè)溫誤差對(duì)系統(tǒng)測(cè)溫精度的影響分析。

1 分布式光纖測(cè)溫原理

從量子理論能級(jí)的觀點(diǎn)看，拉曼散射是入射光與散射介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生的。在非彈性碰撞時(shí)，光子與散射介質(zhì)發(fā)生能量交換，光子不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)光子的部分能量傳遞給分子，或是分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)將能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率。其中，如果一部分光能轉(zhuǎn)換為熱振動(dòng)，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的波，稱為斯托克斯光；如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能，將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的波，稱為反斯托克斯光。因此，拉曼散射光波長(zhǎng)與熱能相關(guān)，即光強(qiáng)度與溫度相關(guān)。

1.1 拉曼散射溫度測(cè)量

假設(shè)光纖上位置L處溫度為T，則通過耦合器、光電轉(zhuǎn)換后接收到的斯托克斯光強(qiáng)信號(hào)為[13]

反斯托克斯光強(qiáng)信號(hào)為

式中：Ks、Kas為光電轉(zhuǎn)換的響應(yīng)度；S為后向散射因子；η01為耦合器的耦合系數(shù)；η02為光纖光檢測(cè)耦合因子與耦合器反向分光比的乘積；vs、vas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率；a0s、a0as分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射系數(shù)；fs、fas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的濾波因子；α0、αs、αas為入射光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纖單位長(zhǎng)度上的損耗系數(shù)；p0為光纖脈沖發(fā)射器注入光纖的脈沖能量值。

Rs(T)、Ras(T)是斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射因子

式中：h為普朗克常數(shù)；Δv為拉曼散射頻率；k為玻耳茲曼常數(shù)。

反斯托克斯光和斯托克斯光的光強(qiáng)比為

將式(3)和(4)代入式(5)得

從而得到關(guān)于溫度T的計(jì)算公式

從上述推導(dǎo)可以得出：通過測(cè)量光強(qiáng)比R(T)，可以得到L處光纖的溫度T。

1.2 光時(shí)域反射技術(shù)原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行光纖定位。激光脈沖在光纖傳輸過程中發(fā)生散射后，總有一部分后向散射光會(huì)沿著光纖反射回脈沖注入端，通過測(cè)量反射光的參數(shù)可以表征整條光纖的特性。

如圖1所示[14]，在發(fā)送光脈沖時(shí)，數(shù)據(jù)處理端記錄發(fā)送時(shí)間，數(shù)據(jù)采集電路按照一定的頻率采集光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后散射回的光信號(hào)。數(shù)據(jù)處理端測(cè)量光強(qiáng)比獲取溫度信息，并記錄接收時(shí)間。根據(jù)光脈沖發(fā)送時(shí)間、后向散射光接收時(shí)間以及光脈沖在光纖中的傳輸速度，即可計(jì)算出散射點(diǎn)的空間位置。

圖1 光時(shí)域反射原理Fig.1 Principle of optical time domain reflection

假設(shè)在距離光纖脈沖注入端L處發(fā)生散射，并且從開始注入脈沖時(shí)計(jì)時(shí)，經(jīng)過時(shí)間t在注入端接收到后向散射光，則有

L=vt/2

(8)

式中:v為光脈沖在光纖中的傳播速度大小。

2 衛(wèi)星分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)如圖2所示，主要包括驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體激光器(PD)、耦合器、傳感光纖、分光器、光濾波器、雪崩光電二極管(APD)、放大器，及數(shù)據(jù)采集和處理電路。

系統(tǒng)工作過程為：在同步脈沖的控制下，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生大功率的光脈沖并注入到傳感光纖中，經(jīng)過溫度調(diào)制后的后向拉曼散射光經(jīng)過光濾波器后，再經(jīng)過APD、放大器，分別將轉(zhuǎn)換后的斯托克斯光和反斯托克斯光電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較光強(qiáng)信號(hào)后計(jì)算得到被測(cè)光纖的溫度分布信息。

傳統(tǒng)的熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶等溫度傳感器，其測(cè)點(diǎn)的空間位置是可知的。而對(duì)于拉曼散射型光纖測(cè)溫，每一時(shí)刻采集到的溫度信息是某一段光纖上溫度信號(hào)的累加值，即表征的是某一段光纖上的平均溫度。通常用空間分辨率來表示傳感器對(duì)沿光纖長(zhǎng)度分布的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間單元。當(dāng)傳感光纖長(zhǎng)度小于空間分辨率時(shí)，該傳感光纖產(chǎn)生的背向拉曼散射信號(hào)會(huì)在系統(tǒng)測(cè)量端重疊，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確測(cè)溫。

在滲漏監(jiān)測(cè)、電纜測(cè)溫、變壓器繞組測(cè)溫等[15]“線條式”分布應(yīng)用中，要求盡可能提高空間分辨率，以便于精確定位溫度異常點(diǎn)。領(lǐng)先水平的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的空間分辨率可以達(dá)到1 m[7-8]，代表性的產(chǎn)品包括英國Sensornet公司的Sential DTS系列產(chǎn)品、神科光電公司的SNKOO系列產(chǎn)品等。

圖2 衛(wèi)星分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle diagram of distributed fiber temperature-measured system

而對(duì)于衛(wèi)星大型SAR陣列、太陽帆板、大型天線的溫度檢測(cè)，除了提高空間分辨率外，更多關(guān)注“區(qū)域性”的平均溫度。利用光纖測(cè)溫沿光纖長(zhǎng)度累加平均的特點(diǎn)，采用環(huán)繞式布線方式，可以快速測(cè)量環(huán)繞光纖的區(qū)域溫度，測(cè)量所有區(qū)域的溫度后可以得到全區(qū)域的溫度梯度。每個(gè)環(huán)繞光纖的周長(zhǎng)至少大于空間分辨率。

3 實(shí)時(shí)溫度校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，通過式(7)計(jì)算得到溫度是困難的，因?yàn)楣饫w測(cè)溫系統(tǒng)中斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率、濾波因子、后向散射系數(shù)、損耗系數(shù)等均不是常數(shù)，而是會(huì)隨環(huán)境溫度、材料特性、彎曲等因素的變化而變化，有些甚至難以測(cè)算。所以，通常會(huì)在傳感光纖中選取一段作為參考溫度點(diǎn)，放入恒溫槽中，通過已知的恒溫槽溫度和恒溫槽位置處的光強(qiáng)比，消除斯托克斯光和反斯托克斯光頻率、濾波因子、后向散射系數(shù)的影響[5]。但是，在衛(wèi)星應(yīng)用中，存在兩個(gè)問題：

1) 衛(wèi)星資源有限，無法設(shè)計(jì)安裝恒溫槽；

2) 衛(wèi)星在軌環(huán)境變化劇烈、光纖環(huán)繞帶來的附加損耗，以及輻射對(duì)光纖特性的影響，使光纖損耗系數(shù)無法采用經(jīng)驗(yàn)值，必須在軌實(shí)時(shí)修正[16]。

對(duì)于問題1)，本系統(tǒng)采用沿環(huán)繞光纖多點(diǎn)分布的鉑電阻測(cè)溫代替恒溫槽，如圖2所示，在參考光纖環(huán)上布置若干個(gè)鉑電阻測(cè)溫點(diǎn)，經(jīng)平均后作為參考點(diǎn)溫度，將參考光纖環(huán)長(zhǎng)度上的中心位置作為參考點(diǎn)的長(zhǎng)度。

對(duì)于問題2)，與通常采用的單參考點(diǎn)設(shè)計(jì)不同[4]，本文提出了傳感光纖首尾雙參考點(diǎn)設(shè)計(jì)，分別測(cè)得參考點(diǎn)的光強(qiáng)比和溫度，消除損耗系數(shù)的影響。

假設(shè)首參考點(diǎn)溫度為T1，位置為L(zhǎng)1，根據(jù)式(6)，光強(qiáng)比為

尾參考點(diǎn)溫度為T2，位置為L(zhǎng)2，根據(jù)公式(6)，光強(qiáng)比為

式(9)和式(10)相比，得到

在每個(gè)測(cè)量周期，損耗系數(shù)可近似為常數(shù)，因此

根據(jù)試驗(yàn)，傳感光纖上各個(gè)溫度點(diǎn)的誤差不同，測(cè)溫點(diǎn)距離參考點(diǎn)越遠(yuǎn)，誤差越大[6]，需要根據(jù)待測(cè)點(diǎn)距離參考點(diǎn)的間距和光強(qiáng)信號(hào)衰減情況綜合考慮，通過系統(tǒng)標(biāo)定確定。

對(duì)于傳感光纖上任意位置L處，若選擇首參考點(diǎn)，則

將式(12)代入式(13)，經(jīng)變換后得到

(14)

同理，若選擇尾參考點(diǎn)，則有

(15)

在每個(gè)測(cè)量周期，分別測(cè)得首尾參考點(diǎn)的光強(qiáng)比和溫度，根據(jù)式(14)或式(15)即可求得傳感光纖上的溫度分布。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，傳感光纖通常采用回路式布線，使首尾參考點(diǎn)處于相同的溫度環(huán)境，如圖3所示。令T0=T1=T2，式(14)和式(15)可分別簡(jiǎn)化為

圖3 改進(jìn)的回路式雙參考點(diǎn)設(shè)計(jì)Fig.3 Improved double reference temperature design in loop scheme

4 系統(tǒng)測(cè)溫精度分析

雙參考點(diǎn)設(shè)計(jì)可以消除光纖損耗系數(shù)對(duì)測(cè)溫精度的影響，而參考點(diǎn)鉑電阻測(cè)溫精度對(duì)系統(tǒng)精度也有較大的影響。當(dāng)采集到的參考溫度T0與實(shí)際溫度有dT0的誤差時(shí)，通過式(16)或式(17)計(jì)算得到的其他測(cè)量點(diǎn)溫度T產(chǎn)生dT的誤差。

只考慮參考溫度對(duì)測(cè)溫精度的影響，其他參數(shù)均做定值處理，對(duì)式(16)和式(17)求導(dǎo)可以得到

(18)

(19)

簡(jiǎn)化式(18)和式(19)可以得到

(20)

由式(20)可知：

1) 參考溫度越高，系統(tǒng)測(cè)溫誤差越小，精度越高。因此，參考點(diǎn)可以設(shè)置于衛(wèi)星艙體內(nèi)溫度較高且波動(dòng)較小的區(qū)域，一般為20～40 ℃。

2) 待測(cè)溫度絕對(duì)值越大，則測(cè)溫誤差越大。

3) 參考點(diǎn)測(cè)溫精度越高，則系統(tǒng)測(cè)溫精度越高。

四線制布線、恒流源激勵(lì)的Pt100鉑電阻溫度采集系統(tǒng)測(cè)溫精度優(yōu)于0.1 ℃，在特定溫度段，比如20～30 ℃范圍內(nèi)，通過標(biāo)定，精度可以優(yōu)于0.05 ℃甚至達(dá)到0.01 ℃。

參考溫度分別為20 ℃和40 ℃，在-50～100 ℃測(cè)溫范圍內(nèi)，當(dāng)參考點(diǎn)測(cè)溫精度為0.01 ℃、0.05 ℃和0.1 ℃時(shí)，系統(tǒng)測(cè)溫精度變化如圖4和圖5所示。

圖4 參考溫度為30 ℃時(shí)測(cè)溫精度與溫度范圍的關(guān)系Fig.4 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 30 ℃

圖5 參考溫度為40 ℃時(shí)測(cè)溫精度與溫度范圍的關(guān)系Fig.5 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 40 ℃

可以看出，當(dāng)參考點(diǎn)測(cè)溫精度達(dá)到0.01 ℃時(shí)，在-50～100 ℃的溫度范圍內(nèi)，參考點(diǎn)測(cè)溫誤差帶來的系統(tǒng)測(cè)溫誤差小于0.1 ℃。考慮到傳感光纖通常布置在星體外的大面積儀器設(shè)備中，用于低溫加熱控制時(shí)的溫度測(cè)量，因此即使參考點(diǎn)測(cè)溫精度為0.1 ℃，低溫區(qū)段(低于25 ℃)的系統(tǒng)測(cè)溫誤差也小于0.1 ℃。綜上分析，采用鉑電阻代替恒溫槽可以滿足要求。

5 結(jié)束語

面對(duì)未來衛(wèi)星大面積、高精度、輕質(zhì)化的測(cè)溫系統(tǒng)需求，本文提出了基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了利用斯托克斯光和反斯托克斯光解析溫度信息的原理，以及由光時(shí)域反射技術(shù)確定測(cè)量點(diǎn)位置的方法。

基于衛(wèi)星應(yīng)用的特殊性，提出在傳感光纖首尾分別設(shè)置溫度參考點(diǎn)，使首尾參考點(diǎn)處于同一溫度環(huán)境中，利用鉑電阻取代恒溫槽獲取參考點(diǎn)的溫度。給出了基于雙參考點(diǎn)的溫度計(jì)算方法，可以消除衛(wèi)星環(huán)境變化導(dǎo)致光纖損耗系數(shù)對(duì)溫度測(cè)量的影響，實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。同樣的方法也適用于多個(gè)參考點(diǎn)的溫度計(jì)算。

光源、光耦合器、光濾波器、光纖電纜等光學(xué)元器件的抗輻照性能是制約傳感光纖系統(tǒng)在航天器高可靠、長(zhǎng)壽命應(yīng)用的關(guān)鍵。近些年，隨著離子摻雜法、工藝控制法、包層控制法、預(yù)輻照法、光褪色法等主動(dòng)抗輻加固技術(shù)的應(yīng)用，部分光學(xué)元器件本身的抗輻射能力大幅提升。作為傳感光纖在航天器的成功應(yīng)用，國外已有光纖陀螺達(dá)到100 krad(Si)的抗輻指標(biāo)。文獻(xiàn)[8]中試驗(yàn)驗(yàn)證了在質(zhì)子、中子、μ介子等輻射環(huán)境中，采用抗輻射多模光纖的測(cè)溫系統(tǒng)在24 h內(nèi)可以保持精確的測(cè)溫性能，而文獻(xiàn)[17-18]中則驗(yàn)證了γ射線、氫釋放對(duì)斯托克斯光和反斯托克斯光損耗系數(shù)的不同衰減，對(duì)測(cè)溫精度的影響。因此，光纖測(cè)溫系統(tǒng)在復(fù)雜空間環(huán)境中的應(yīng)用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，亟需推動(dòng)光纖測(cè)溫系統(tǒng)的搭載試驗(yàn)，驗(yàn)證輻射環(huán)境下溫度計(jì)算模型可行性、系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和測(cè)量精度，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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