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，每個熱敏電阻或鉑電阻均需通過導(dǎo)線將信號送至采集系統(tǒng)，經(jīng)分壓、通道選擇、AD變換后處理成數(shù)字信號。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻全溫度范圍內(nèi)的平均測量誤差約為0.5 ℃，鉑電阻測量誤差則優(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，測溫點多達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千。隨著測溫點的增多，附著在被測物上的測溫電纜質(zhì)量成比例增加，使載荷的轉(zhuǎn)動慣量變大，衛(wèi)星指向穩(wěn)定度降低，同時電纜布線和工藝復(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500個負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測溫點，測溫點到溫度采集系統(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。若全部采用測溫精度更高的鉑電阻測溫，電纜質(zhì)量將增加1倍。

在大面積三維溫度場測量中，希望獲取具有空間和時間連續(xù)性的全局溫度參數(shù)，便于衛(wèi)星通過主動控溫方式確保全區(qū)域處于某一較穩(wěn)定的溫度值，避免溫度梯度劇烈變化，同時作為地面載荷探測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“定點式”測量難以滿足的。

分布式光纖測溫是一種實時、連續(xù)測量空間溫度場分布的技術(shù)，被認(rèn)為是應(yīng)用最為成功、廣泛的分布式測量技術(shù)[1]。光纖測溫系統(tǒng)具有抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣、耐高壓、測溫精度高、質(zhì)量輕、容易安裝布線、可以連續(xù)快速遠(yuǎn)距離測溫等優(yōu)點。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，實際使用200 m光纜質(zhì)量僅為5 kg。而且只要在光纖測溫長度范圍內(nèi)，光纖長度的變化不影響采集系統(tǒng)。與電阻式測溫系統(tǒng)相比，光纖測溫在電纜質(zhì)量、布線、測溫精度和靈活度等方面具有明顯優(yōu)勢。

在光纖測溫系統(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，向前傳輸時將會發(fā)生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。瑞利散射信號較強，但對溫度不敏感；布里淵散射對溫度和應(yīng)力都敏感，但容易受外界環(huán)境干擾，信號剝離難度大；拉曼散射只與溫度有關(guān)，并且相對容易獲取和分析，因此得到普遍應(yīng)用[2-3]。

對于光纖后向拉曼散射信號，溫度解調(diào)通常是建立在一個精確的參考光纖溫度基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。參考光纖溫度測量精度對于保證系統(tǒng)的測溫精度至關(guān)重要。文獻(xiàn)[4]中提出了基于拉曼散射的光纖測溫原理和系統(tǒng)設(shè)計，給出了通過測量參考光纖溫度進行光纖溫度解算的方法。文獻(xiàn)[5]中提出采用多點平均提高參考光纖測溫精度，從而提高系統(tǒng)測溫精度。文獻(xiàn)[6]中試驗說明，選取合適的參考光纖校準(zhǔn)溫度、參考光纖長度、距離參考光纖的間距可以提高測溫精度。利用光時域反射技術(shù)可以對測量點進行精確定位。文獻(xiàn)[7]中在26 km單模光纖上測溫空間分辨率為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、最大測溫誤差小于0.5 ℃。

光纖測溫技術(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]中對應(yīng)用情況進行比較全面的梳理。文獻(xiàn)[12]中詳細(xì)描述了發(fā)電機定子溫度監(jiān)測設(shè)計中，采用基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的鉑電阻局部測溫，獲取連續(xù)的溫度參數(shù)構(gòu)建定子三維溫度模型。

光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用于衛(wèi)星時，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，必須具備在軌實時自主校準(zhǔn)的能力。利用光纖測溫沿光纖長度累加平均的特點，本文提出環(huán)繞式布線方式的衛(wèi)星光纖測溫系統(tǒng)，在光纖環(huán)上布置若干個鉑電阻測溫取代恒溫環(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)計雙參考點，實現(xiàn)參數(shù)實時修正。本文最后給出了雙參考點鉑電阻測溫誤差對系統(tǒng)測溫精度的影響分析。

1 分布式光纖測溫原理

從量子理論能級的觀點看，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，光子與散射介質(zhì)發(fā)生能量交換，光子不僅改變運動方向，同時光子的部分能量傳遞給分子，或是分子振動或轉(zhuǎn)動將能量傳遞給光子，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，將發(fā)出一個比光源波長長的波，稱為斯托克斯光；如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換為光能，將發(fā)出一個比光源波長短的波，稱為反斯托克斯光。因此，拉曼散射光波長與熱能相關(guān)，即光強度與溫度相關(guān)。

1.1 拉曼散射溫度測量

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信號為[13]

反斯托克斯光強信號為

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比為

將式(3)和(4)代入式(5)得

從而得到關(guān)于溫度T的計算公式

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

1.2 光時域反射技術(shù)原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)中利用光時域反射技術(shù)進行光纖定位。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沿著光纖反射回脈沖注入端，通過測量反射光的參數(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，數(shù)據(jù)處理端記錄發(fā)送時間，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。數(shù)據(jù)處理端測量光強比獲取溫度信息，并記錄接收時間。根據(jù)光脈沖發(fā)送時間、后向散射光接收時間以及光脈沖在光纖中的傳輸速度，即可計算出散射點的空間位置。

圖1 光時域反射原理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計時，經(jīng)過時間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)星分布式光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計

分布式光纖測溫系統(tǒng)如圖2所示，主要包括驅(qū)動電路、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送入數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)比較光強信號后計算得到被測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，其測點的空間位置是可知的。而對于拉曼散射型光纖測溫，每一時刻采集到的溫度信息是某一段光纖上溫度信號的累加值，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沿光纖長度分布的溫度場進行測量時所能分辨的最小空間單元。當(dāng)傳感光纖長度小于空間分辨率時，該傳感光纖產(chǎn)生的背向拉曼散射信號會在系統(tǒng)測量端重疊，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確測溫。

在滲漏監(jiān)測、電纜測溫、變壓器繞組測溫等[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。領(lǐng)先水平的分布式光纖測溫系統(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)星分布式光纖測溫系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principle diagram of distributed fiber temperature-measured system

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

3 實時溫度校準(zhǔn)設(shè)計

實際應(yīng)用中，通過式(7)計算得到溫度是困難的，因為光纖測溫系統(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，有些甚至難以測算。所以，通常會在傳感光纖中選取一段作為參考溫度點，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，存在兩個問題：

1) 衛(wèi)星資源有限，無法設(shè)計安裝恒溫槽；

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，以及輻射對光纖特性的影響，使光纖損耗系數(shù)無法采用經(jīng)驗值，必須在軌實時修正[16]。

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

對于問題2)，與通常采用的單參考點設(shè)計不同[4]，本文提出了傳感光纖首尾雙參考點設(shè)計，分別測得參考點的光強比和溫度，消除損耗系數(shù)的影響。

假設(shè)首參考點溫度為T1，位置為L1，根據(jù)式(6)，光強比為

尾參考點溫度為T2，位置為L2，根據(jù)公式(6)，光強比為

式(9)和式(10)相比，得到

在每個測量周期，損耗系數(shù)可近似為常數(shù)，因此

根據(jù)試驗，傳感光纖上各個溫度點的誤差不同，測溫點距離參考點越遠(yuǎn)，誤差越大[6]，需要根據(jù)待測點距離參考點的間距和光強信號衰減情況綜合考慮，通過系統(tǒng)標(biāo)定確定。

對于傳感光纖上任意位置L處，若選擇首參考點，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，則有

(15)

在每個測量周期，分別測得首尾參考點的光強比和溫度，根據(jù)式(14)或式(15)即可求得傳感光纖上的溫度分布。

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

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

4 系統(tǒng)測溫精度分析

雙參考點設(shè)計可以消除光纖損耗系數(shù)對測溫精度的影響，而參考點鉑電阻測溫精度對系統(tǒng)精度也有較大的影響。當(dāng)采集到的參考溫度T0與實際溫度有dT0的誤差時，通過式(16)或式(17)計算得到的其他測量點溫度T產(chǎn)生dT的誤差。

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

(18)

(19)

簡化式(18)和式(19)可以得到

(20)

由式(20)可知：

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

2) 待測溫度絕對值越大，則測溫誤差越大。

3) 參考點測溫精度越高，則系統(tǒng)測溫精度越高。

四線制布線、恒流源激勵的Pt100鉑電阻溫度采集系統(tǒng)測溫精度優(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 ℃測溫范圍內(nèi)，當(dāng)參考點測溫精度為0.01 ℃、0.05 ℃和0.1 ℃時，系統(tǒng)測溫精度變化如圖4和圖5所示。

圖4 參考溫度為30 ℃時測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 ℃時測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)參考點測溫精度達(dá)到0.01 ℃時，在-50～100 ℃的溫度范圍內(nèi)，參考點測溫誤差帶來的系統(tǒng)測溫誤差小于0.1 ℃?？紤]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的溫度測量，因此即使參考點測溫精度為0.1 ℃，低溫區(qū)段(低于25 ℃)的系統(tǒng)測溫誤差也小于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

面對未來衛(wèi)星大面積、高精度、輕質(zhì)化的測溫系統(tǒng)需求，本文提出了基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)設(shè)計，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，以及由光時域反射技術(shù)確定測量點位置的方法。

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，使首尾參考點處于同一溫度環(huán)境中，利用鉑電阻取代恒溫槽獲取參考點的溫度。給出了基于雙參考點的溫度計算方法，可以消除衛(wèi)星環(huán)境變化導(dǎo)致光纖損耗系數(shù)對溫度測量的影響，實現(xiàn)在軌實時校準(zhǔn)。同樣的方法也適用于多個參考點的溫度計算。

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]中試驗驗證了在質(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溫系統(tǒng)在24 h內(nèi)可以保持精確的測溫性能，而文獻(xiàn)[17-18]中則驗證了γ射線、氫釋放對斯托克斯光和反斯托克斯光損耗系數(shù)的不同衰減，對測溫精度的影響。因此，光纖測溫系統(tǒng)在復(fù)雜空間環(huán)境中的應(yīng)用仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，亟需推動光纖測溫系統(tǒng)的搭載試驗，驗證輻射環(huán)境下溫度計算模型可行性、系統(tǒng)長期穩(wěn)定性和測量精度，為工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1] ANSCOMBE N, GRAYDON O. Great potential[J]. Nature Photon, 2008, 2: 143.

[2] UKIL A, BRAENDLE H, KRIPPNER P. Distributed temperature sensing: Review of technology and applications[J]. IEEE Sensors Journal, 2012, 12(5): 885-892.

[3] 于海鷹, 李琪, 索琳, 等. 分布式光纖測溫技術(shù)綜述[J]. 光學(xué)儀器, 2013, 35(5): 90-94.

[4] YANG L, ZHU Z. Design of distributed fiber optical temperature measurement system based on raman scattering[C]∥International Symposium on Signals, Systems and Electronics. Nanjing: [s.n.], 2010: 823-826.

[5] 邵嫄琴, 謝敏, 徐瀚立, 等. 一種提高分布式光纖溫度傳感器參考溫度準(zhǔn)確度的方法[J]. 中國計量學(xué)院學(xué)報, 2013, 24(2): 141-145.

[6] 張小麗, 陳樂, 孫堅, 等. 一種分布式光纖溫度傳感器的校準(zhǔn)方法[J]. 自動化儀表, 2011, 32(12): 32-35.

[7] SOTO M A, NANNIPIERI T, SIGNORINI A, et al. Raman-based distributed temperature sensor with 1 m spatial resolution over 26 km SMF using low-repetition-rate cyclic pulse coding[J]. Optics Letters, 2011, 36(13): 2557-2559.

[8] TOCCAFONDO I, NANNIPIERI T, SIGNORINI A, et al. Raman distributed temperature sensing at CERN[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2015, 27(20): 2182-2185.

[9] HU C L, WANG J F, ZHANG Z X, et al. Application research of distributed optical fiber temperature sensor in power system[J]. Proc SPIE, 2011, 8311: 83112E.

[10] BALDWIN C S. Brief history of fiber optic sensing in the oil field industry[J]. Proc SPIE, 2014, 9098: 909803.

[11] LIU Y, LEI T, WEI Y B, et al. Application of distributed optical fiber temperature sensing system based on Raman scattering in coal mine safety monitoring[C]∥Symposium on Photonics and Optoelectronics. Shanghai: [s.n.], 2012: 1-4.

[12] BAZZO J P, MEZZADRI F, DA SILVA E V, et al. Thermal imaging of hydroelectric generator stator using a DTS system[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(11): 6689-6696.

[13] 徐瀚立. 分布式光纖溫度傳感器空間分辨率對測溫精度的影響研究[D]. 杭州: 中國計量學(xué)院, 2014.

[14] 李志全, 白志華, 王會波, 等. 分布式光纖傳感器多點溫度測量的研究[J]. 光學(xué)儀器, 2007, 29(6): 8-11.

[15] 陳健沛, 李偉良, 蔡志崗. 分布式拉曼光纖測溫系統(tǒng)研究進展[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2015, 32(3): 102-109.

[16] 湯玉泉, 孫苗, 李俊, 等. 溫度附加損耗對分布式光纖拉曼溫度傳感器測溫誤差影響研究[J], 光電子·激光, 2015, 26(5): 847-851.

[17] CANGIALOSI C, OUERDANE Y, GIRARD S, et al. Development of a temperature distributed monitoring system based on raman scattering in harsh environment[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(6): 3315-3322.

[18] CANGIALOSI C, GIRARD S, BOUKENTER A, et al. Effects of radiation and hydrogen-loading on the performances of raman-distributed temperature fiber sensors[J]. Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(12): 2432-2438.