馮忠偉 榮 剛 姜 爽 張聲艷

(中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

空間光纖傳感測量技術應用研究

馮忠偉 榮 剛 姜 爽 張聲艷

(中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展中心，北京 100076)

針對空間環(huán)境參數測量的需求和特殊環(huán)境約束，研究光纖技術應用于空間飛行器上的系統(tǒng)性解決方案。從不同的參數敏感形式當中選擇光纖光柵實現溫度、壓力等物理參數測量，詳細分析了光纖光柵解調裝置的設計與實現，采用CCSDS標準協(xié)議形式實現測量數據的封裝和傳輸。針對空間環(huán)境的特殊性，分析空間力學環(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)境適應性的方法，為空間飛行器上的物理參數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、壓力等物理參數反應了飛行器上的環(huán)境特性，是確保飛行器上設備正常工作的重要指標，在空間飛行器上關鍵部位通常采用大量傳感器進行參數監(jiān)測。相對于傳統(tǒng)傳感測量技術，光纖具有體積小、重量輕、抗電磁干擾性能好、易于組網測量等優(yōu)點。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裝置的組成和實現，重點分析了光電探測器的驅動及數據采集方案。在空間數據管理方案的基礎上，采用CCSDS標準協(xié)議形式進行數據的封裝和傳輸，滿足一般空間飛行器上數據調度及下行需求。針對空間力學環(huán)境和輻射環(huán)境，研究了提高光纖傳感測量系統(tǒng)環(huán)境適應性的方法，為空間飛行器上環(huán)境參數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變、溫度等因素的調制而發(fā)生變化，波長的變化量同應變和溫度等因素具有確定的關系，因此波長解調是光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心技術之一[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3dB耦合器傳輸到光纖光柵上，光纖光柵反射光再經耦合器傳輸到波長解調系統(tǒng)中，從波長解調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。當光纖光柵受溫度或應變調制時，其有效折射率發(fā)生變化，導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變相關，因此通過波長解調測得ΔλB即可得到溫度或應變的大小。

應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。應變及溫度同波長變化量之間的關系可以通過下式表示

(1)

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

3 光纖光柵傳感解調裝置

3.1 雙衍射光柵解調原理

基于衍射光柵的光纖光柵傳感解調系統(tǒng)如圖 3所示，實線框中的部分為本文的研究內容，由準直鏡、衍射光柵、反射鏡和光電探測器組成；硬件電路由驅動模塊、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光纖光柵反射后入射到準直鏡上，由于入射光波長相近，準直鏡出射的光可以近似認為是平行光束，經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減小解調器的空間尺寸。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進行離散采樣，通過A/D轉換得到對應的數字信號，通過通訊模塊將采樣數據回傳到上位機。由于像點的空間光強分布為高斯型，通過軟件算法對離散采樣數據進行高斯擬合得到反射譜的中心波長。

由于光路由準直鏡、衍射光柵、反射鏡和光電探測器組成，必須精確計算確定各個光學元件之間的相互位置關系，其中關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可以通過下式計算得到

(2)

式中:i——所有波長光束的入射角度;d——光柵周期。設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)

為了使所有設計波長同時通過兩塊衍射光柵，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(O1)為全局坐標系原點，O2為波長為λc光束同第二塊衍射光柵的交點，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)及旋轉角度β完全確定。

3.2 光電探測器驅動及數據采集

針對所選用的探測器設計相應的驅動、數據采集電路，該硬件電路的主要功能可以分為四個模塊：驅動電路模塊；A/D轉換模塊；USB通訊模塊；FPGA控制模塊。其基本結構如圖5所示。

驅動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)、時鐘(CLK)及復位信號(RESET)。參考電壓(INP和Vref)對探測器輸出信號的質量具有較大影響，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，并將其轉化成數字信號，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轉換器。為了使采樣信號盡可能真實的反映原信號，本系統(tǒng)中A/D轉換器的采樣頻率為10MHz。USB模塊實現上位機同底層模塊的通訊功能，上位機上的指令通過該模塊寫入到底層模塊，底層模塊的A/D采樣結果通過該模塊傳送到上位機供后續(xù)數據處理。所有上述模塊通過FPGA模塊統(tǒng)一控制完成InGaAs線陣探測器驅動及數據采集功能[3]。

4 CCSDS數據封裝與傳輸

飛行器上的溫度參數、力學參數等特性差異較大，溫度參數頻率低、對采樣及傳輸速率無特殊要求，但振動等參數則要求滿足香農采樣定律。

PCM遙測為高頻參數的采集及同步傳輸提供了合理的機制，但是PCM幀格式的編排特性不能克服多類型數據源、時變特性的需求。CCSDS分包遙測協(xié)議則提供了面向不同特性數據源的良好解決機制，但是不能滿足高頻參數等間隔采樣要求。為解決上述問題，將PCM遙測和CCSDS分包遙測進行綜合利用，在CCSDS遙測包中進行PCM幀格式封裝，達到即能滿足高頻參數等間隔采樣要求，同時實現和其他數據格式兼容，滿足數據異步傳輸要求。

數據源包提供了與其他異步數據兼容的數據格式，通過統(tǒng)一的調度策略即可實現數據的下行傳輸。但是數據源包的非同步傳輸策略不能保證高頻參數的等間隔采樣要求，為解決該問題，在數據源包的數據域內實現PCM幀格式封裝，以13×6遙測格式為例，數據源包中包含78字節(jié)內容。采用這種方式保證了單獨一個數據源包內數據的等間隔特性，而不同數據源包之間則通過數據源包的時間碼進行標識，時間碼之間可以采用插值方法得到一組等間隔的采樣數據。

通過上述方法，結合了PCM遙測和CCSDS分包遙測的優(yōu)點，即保證了高頻參數等間隔采樣，同時實現了數據格式的統(tǒng)一兼容。

航天器在軌期間，軌道條件、被采集數據、數據容量、測控條件等均會隨時發(fā)生變化，為保證所有有效采集數據可靠下行，采用采集數據緩存方式，當滿足數據下行實時傳輸時，高頻參數采集數據通過下行信道實時下行，當不滿足時，則通過存儲模塊實現采集數據緩存，在滿足測控條件時下行。數據存儲及傳輸流程見圖6。

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

高頻采集參數和其他數據源包之間通過統(tǒng)一的調度策略完成對物理信道的占用，根據參數的關鍵特性、實時傳輸要求等進行合理分配，保證數據可靠傳輸。調度策略見圖7。

5 空間環(huán)境適應性設計

5.1 空間力學環(huán)境

航天飛行器從發(fā)射到入軌運行經歷的力學環(huán)境條件包括振動、沖擊、過載、噪聲等，為保證光纖光柵傳感器入軌后能夠實現正常測量功能，光纖光柵傳感器需要從材料、工藝、結構等方面進行設計，并通過地面試驗進行充分驗證。

發(fā)射上升階段的振動、沖擊、過載及噪聲等環(huán)境因素主要通過運載火箭傳導到航天飛行器上，力學環(huán)境的持續(xù)時間、量級、功率譜密度等特性與運載器的類型、目標軌道等因素密切相關；在軌運行階段的力學環(huán)境主要和在軌期間的任務相關。一般而言，發(fā)射上升段的力學環(huán)境條件較在軌階段苛刻，因此針對航天飛行器的力學環(huán)境設計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成。地球輻射帶分為內輻射帶和外輻射帶，分布高度為600km～60000km，主要以高能質子和電子為主，是航天飛行器總劑量輻射效應的主要來源；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%質子、12%α粒子、1%其他較重離子構成，具有能量高、穿透能力強，屏蔽困難，是誘發(fā)單粒子效應的主要輻射源；太陽耀斑爆發(fā)時釋放粒子主要是高能質子，另外還有3%～15%的氦核、原子序數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、單粒子效應以及位移效應三種情況?？倓┝啃巧渚€、帶電粒子穿過器件材料，引起器件材料原子電離，產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)境中存在的單個高能粒子入射半導體器件時產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，從而使信號出現脈沖，或改變存儲電路的邏輯狀態(tài)，或激發(fā)電路中的潛在的寄生效應，從而使電路出現錯誤甚至毀壞器件，進而導致單機甚至航天器性能退化或者功能失效，單粒子效應包括單粒子翻轉、單粒子瞬態(tài)、單粒子鎖定等；高能粒子與材料碰撞，在體內產生晶格缺陷，稱為位移損傷，位移缺陷成為載流子的產生、復合中心，增加少數載流子產生率，降低少數載流子壽命，引起器件性能退化，針對光電器件，位移效應的影響大于總劑量效應。

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)會在一定程度上引起光纖的輻射損傷，從而導致光纖對信號傳輸能力的降低，綜合性能下降，嚴重時會直接影響到光纖使用過程中的安全性與可靠性，因此，設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)點是低劑量率輻照條件下恢復速率較快、成本低，但主要缺點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，這類光纖輻照誘導損耗很小，數值孔徑可做得很大而對抗輻射性能無明顯降低，但它不容易與標準通信光纖對接，當劑量較大時，此類光纖的輻照誘導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，這類光纖易與標準通信光纖對接，關于此類型光纖在輻照環(huán)境下的應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，但空間飛行器在發(fā)射上升、在軌運行等過程中有可能經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。

光電器件實現光信號到電信號的轉換，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措施，主要手段包括：

(1)從器件的設計、生產工藝入手，從本質上提高器件的抗輻照指標；

(2)在現有元器件基礎上，針對總劑量效應、位移效應及單粒子效應不同的損傷機理采用不同的防護措施，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ASIC、采用EDAC等措施可以有效降低單粒子效應的影響。

實際系統(tǒng)設計過程中，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量，綜合成本、功耗、國產化程度等因素進行優(yōu)化設計。

6 結束語

光纖傳感技術相對其他方法具有體積小、重量輕、電磁兼容性好、易于組網等方面的優(yōu)勢，在建筑、工業(yè)、電力等領域已經取得廣泛的應用，并取得良好的效果。本文針對空間飛行器上參數測量需求，研究采用光纖光柵原理構建完整的測量系統(tǒng)，對測量方案、解調裝置、測量數據的封裝與傳輸等環(huán)節(jié)進行了詳細分析和設計。分析空間飛行器上力學環(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)境參數測量方案。

[1] 饒云江, 王義平. 光纖光柵原理及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[2] 趙勇. 光纖光柵及其傳感技術[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，郭團等. 基于線陣InGaAs光電二極管陣列的光纖光柵傳感解調[J]. 光子學報, 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，2010.

[6] 李豫東, 汪波等. CCD與CMOS圖像傳感器輻射效應測試系統(tǒng)[J]. 光學精密工程. 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：空間飛行器數據管理技術研究。

1000-7202(2017) 02-0005-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.02

TN206

A