張聲艷 王健康 歐連軍 馮忠偉

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

1 引 言

導(dǎo)彈在大氣外飛行時，根據(jù)環(huán)境參數(shù)性質(zhì)，彈體設(shè)計(jì)所考慮的環(huán)境因素主要包括：溫度、高低壓、振動、沖擊、過載及噪聲、電磁環(huán)境等。導(dǎo)彈武器對環(huán)境條件的適應(yīng)程度，直接關(guān)系著導(dǎo)彈武器能否正常工作并擊中目標(biāo)。傳統(tǒng)戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器環(huán)境參數(shù)主要有溫度、應(yīng)變、壓力、振動等，測量系統(tǒng)測點(diǎn)多且相對獨(dú)立，電纜網(wǎng)重量大，量程余量較大，精度偏低，給數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析帶來了較大困難。隨著戰(zhàn)略導(dǎo)彈武器技術(shù)的快速發(fā)展，對彈體表面環(huán)境參數(shù)測量提出了新的要求。目前，國外針對環(huán)境參數(shù)的測量正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，其中數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是其突出特點(diǎn)。

相對于傳統(tǒng)的電學(xué)類傳感器，光纖傳感器具備獨(dú)特的優(yōu)勢且擁有強(qiáng)大的復(fù)用能力，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的大規(guī)模復(fù)用[1]。本文采用基于光纖復(fù)用技術(shù)的環(huán)境參數(shù)測量網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種多環(huán)境參數(shù)一體化分布式測量方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對彈體飛行過程中表面溫度、壓力、應(yīng)變等多環(huán)境參數(shù)的一體化同時測量，為減少彈體體積重量，實(shí)現(xiàn)彈體小型化、輕型化提供新的技術(shù)途徑[2,3]。

2 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及復(fù)用技術(shù)

目前，現(xiàn)有的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)主要分為準(zhǔn)分布式和全分布式傳感系統(tǒng)兩類。其中，準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)是采用無源方式將多個光纖傳感器串聯(lián)起來，它們共用一個或多個傳輸通道，并且傳感器之間工作相互獨(dú)立；全分布式傳感系統(tǒng)是一種連續(xù)無縫式的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，典型代表有基于布里淵散射、瑞利散射以及拉曼散射的全分布式光纖傳感網(wǎng)絡(luò)等。

2.1 準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)

準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)是在多個空間位置設(shè)置單點(diǎn)傳感器，它們共用一個或多個傳輸通道，其能同時監(jiān)測到多個已知點(diǎn)的傳感器工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)離散多點(diǎn)監(jiān)測的目的，圖1所示為準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)原理框圖[4]。準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)是一種高精度和多參數(shù)測量的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且具有實(shí)時性高和信號處理簡單的特點(diǎn)。與單一傳感器相比，準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)較為復(fù)雜，但具有低成本和多點(diǎn)測量的優(yōu)勢；與全分布式傳感系統(tǒng)相比，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)無縫測量而只能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)離散測量。

圖1 準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Working principle of the quasi distributed sensor system

2.2 全分布式光纖傳感系統(tǒng)

全分布式光纖傳感技術(shù)是基于工程應(yīng)用中的OTDR(光時域反射儀)技術(shù)發(fā)展起來的，OTDR是利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的儀表[5]。全分布式光纖傳感系統(tǒng)如圖2所示，利用傳輸光纖作為外界傳感元件和傳輸通道，通過OTDR技術(shù)獲取光纖上的外界參量信息。

圖2 全分布式傳感系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.2 Working principle of distributed sensor system

2.3 光纖傳感復(fù)用技術(shù)

關(guān)于光纖傳感復(fù)用技術(shù)，國內(nèi)外目前提出多種方案，包括時分復(fù)用(TDM)技術(shù)、波分復(fù)用(WDM)技術(shù)、空分復(fù)用(SDM)技術(shù)及混合復(fù)用(WDM+TDM+SDM)技術(shù)等[6,7]，但尤其以波分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)使用最為廣泛。

強(qiáng)度解調(diào)型的光纖傳感器，是通過傳感器輸出光強(qiáng)與腔長之間的對應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)解調(diào)，因此其復(fù)用只能通過信號的波長特征進(jìn)行復(fù)用解調(diào)，這種復(fù)用稱之為波分復(fù)用，其工作原理示意如圖3所示，區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度解調(diào)系統(tǒng)，強(qiáng)度解調(diào)型的光纖傳感器所用光源為寬帶光源，使用波分復(fù)用器取代普通分束器，同時使用了單色濾波器F，F(xiàn)一般布置于各接受器前面。

圖3 波分復(fù)用解調(diào)工作原理示意圖Fig.3 Principle of demodulation of wavelength division multiplexing

對于位相解調(diào)型光纖傳感器，直接利用條紋計(jì)數(shù)解調(diào)法是無法實(shí)現(xiàn)復(fù)用的，但若利用相關(guān)原理的位相解調(diào)方法，只要在空間尺度上各傳感器的腔長存在一定的差異性，那么就可以采用并聯(lián)式空分復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)復(fù)用，其原理如圖4所示。

圖4 空分復(fù)用解調(diào)工作原理示意圖Fig.4 Principle of demodulation of space division multiplexing

3 彈體表面場參數(shù)組網(wǎng)測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對多種物理量的同時測量，只需對同一種光纖傳感器改變封裝即可，如光纖光柵可測量的物理量包括：壓力，應(yīng)變，溫度，位移，加速度等。然而，并不是所有的光纖傳感器都可以納入同一個光纖網(wǎng)絡(luò)，這是由光纖傳感器原理的多樣性所決定的。依據(jù)調(diào)制方式的不同，光纖傳感器大致可以分為：強(qiáng)度型，相位(干涉)型以及波長型，幾乎每一種傳感器都對應(yīng)有一種乃至幾種不同的信號解調(diào)方法[8]。目前廣泛研究和使用的傳感器主要是光纖布拉格光柵(FBG)和外腔式法珀干涉儀(EFPI)，這兩種傳感器中，F(xiàn)BG是波長調(diào)制型的光纖傳感器，EFPI是干涉型的光纖傳感器，而將這兩種傳感器納入同一個傳感器網(wǎng)絡(luò)一直都是研究人員努力的方向。

3.1 理論分析

以彈體表面應(yīng)變、溫度、壓力測量為例，目前現(xiàn)有光纖傳感器無法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)一體化測量，因此，設(shè)計(jì)的多參數(shù)光纖測量網(wǎng)絡(luò)需要同時包含光纖應(yīng)變傳感器、光纖壓力傳感器以及光纖溫度傳感器。從解調(diào)原理來看，EFPI干涉型光纖傳感器的尺寸與FBG波長調(diào)制型光纖傳感器相近，都兼容于光纖，在信號解調(diào)原理方面與FBG相似，能夠與FBG納入同一個光纖網(wǎng)絡(luò)。因此將這兩種性能互補(bǔ)、解調(diào)原理相同的傳感器組成一個網(wǎng)絡(luò)，可以組成實(shí)現(xiàn)對多種物理量同時測量的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

針對彈體表面不同測點(diǎn)、不同參數(shù)的測量要求，采用不同功能的光纖傳感器組網(wǎng)測量，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中使用了FBG、低精細(xì)度法珀傳感器(EFPI)和高精細(xì)度法珀傳感器(HFPI)三種傳感器，其工作原理分別是波長調(diào)制型傳感器，雙光束干涉型傳感器，和多光束干涉型傳感器。為了同時解調(diào)波長調(diào)制型、雙光束干涉型，和多光束干涉型傳感器，采用光譜測量的技術(shù)，通過對傳感器的光譜測量和分析，從而解調(diào)出被測的壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中使用的傳感器及其解調(diào)原理詳見表1所示。

表1 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中使用的傳感器及對應(yīng)解調(diào)原理

Tab.1 Sensors and demodulation principles used in optical fiber sensor network

3.2 系統(tǒng)組成

以彈體表面應(yīng)變、溫度、壓力測量為例，基于多參數(shù)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)如圖5所示?；诠饫w復(fù)用技術(shù)，采用WDM及SDM原理，實(shí)現(xiàn)光纖組網(wǎng)測量系統(tǒng)，主要包括控制器、鋸齒波發(fā)生器、波長掃描光纖激光器、耦合器、16通道耦合器組、實(shí)現(xiàn)不同功能測量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖5中，通過波長掃描激光器和標(biāo)準(zhǔn)具獲得所有傳感器的光譜，利用空分復(fù)用技術(shù)將測量系統(tǒng)擴(kuò)展到16通道，同時測量16通道信號的光譜。每個通道的波長掃描范圍超過60nm，單個通道最多可以復(fù)用30只FBG傳感器(每個FBG傳感器需占用一定的帶寬，約為1nm～2nm，此外兩相鄰FBG間距最好在1nm左右)，或多只FBG傳感器及一只低精細(xì)度的EFPI傳感器組合，或一只高精細(xì)度的HFPI傳感器，通過不同的傳感器組合分布，可以實(shí)現(xiàn)整個光纖傳感網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)中傳感器總共復(fù)用數(shù)量大于320只，相對傳統(tǒng)電學(xué)傳感器，測量系統(tǒng)重量減輕近50%，為節(jié)省彈體體積重量提供了解決途徑。

其中，傳感器的測量采用光譜測量技術(shù)，通過對傳感器的光譜測量和分析，解調(diào)出被測的壓力、溫度、應(yīng)變等參數(shù)，因此獲取每只傳感器的光譜就是信號解調(diào)的關(guān)鍵。為此，光源使用寬波長掃描光纖激光器，波長掃描范圍最大可以達(dá)到80nm，但寬波長范圍的掃描不容易保證光源光譜的平坦度，因此系統(tǒng)中將波長掃描范圍設(shè)置為60nm，能夠保證光源光譜的平坦度優(yōu)于1dB；同時，為了避免在用白光干涉測量技術(shù)解調(diào)干涉型傳感器時條紋對比度變化造成對解調(diào)的困擾，在掃描激光的輸出端，取出2%的光作為參考光，直接探測，來反應(yīng)光源的功率變化。將探測到的每一路傳感器的光譜信號都除以參考光，對信號做歸一化處理后，就能有效避免光源可能的功率變化、光譜不平坦等因數(shù)造成對測量的影響。

圖5 16通道傳感網(wǎng)絡(luò)信號解調(diào)工作原理示意圖Fig.5 Signal demodulation working principle of 16 channel sensor network

4 彈體表面場參數(shù)組網(wǎng)測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

采用光纖復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)彈體表面環(huán)境參數(shù)的大規(guī)模組網(wǎng)測量，其優(yōu)勢不言而喻，但是真正工程應(yīng)用時需要考慮兩個方面的因素，一是彈體表面環(huán)境參數(shù)測點(diǎn)的聯(lián)合布局設(shè)計(jì)，二是傳感器網(wǎng)絡(luò)大容量數(shù)據(jù)的信息融合設(shè)計(jì)[2]。

4.1 高精度環(huán)境參數(shù)測點(diǎn)聯(lián)合布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

理論上要實(shí)現(xiàn)彈體大容量光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是可行的，但實(shí)際操作時要有針對性的根據(jù)導(dǎo)彈環(huán)境參數(shù)力學(xué)模型和熱學(xué)模型及仿真結(jié)果，開展全彈的高精度環(huán)境參數(shù)測點(diǎn)聯(lián)合布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌優(yōu)化全彈測點(diǎn)布局。一是要從測量實(shí)現(xiàn)難度和代價兩方面統(tǒng)籌考慮，合并環(huán)境參數(shù)模型中測量較為接近的測點(diǎn)，明確一體化測量設(shè)計(jì)方案。二是根據(jù)測點(diǎn)布局方案，開展基于內(nèi)埋光纖網(wǎng)絡(luò)的分布式環(huán)境參數(shù)測量關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，既要做到不影響彈體力學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)，又要實(shí)現(xiàn)全彈環(huán)境參數(shù)一體化網(wǎng)絡(luò)測量，實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)的協(xié)同測量和大數(shù)據(jù)采集。

4.2 光纖網(wǎng)絡(luò)中測量信息融合設(shè)計(jì)

采用光纖網(wǎng)絡(luò)測量導(dǎo)彈環(huán)境參數(shù)，將會產(chǎn)生大量傳感器測量信息，如何對不同類別測量參數(shù)進(jìn)行解耦和分解，并將同類別環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合設(shè)計(jì)是光纖網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。通過采用成熟的經(jīng)典數(shù)據(jù)融合算法，開展多信息源數(shù)據(jù)融合架構(gòu)和層次設(shè)計(jì)，形成先進(jìn)導(dǎo)彈環(huán)境參數(shù)大容量測量數(shù)據(jù)的融合和處理方案。其中，信息融合設(shè)計(jì)需要考慮兩個方面因素：首先要考慮多個光纖傳感器測點(diǎn)所得觀測數(shù)據(jù)的不一致性及不完整性問題，由于傳感器使用的環(huán)境具有一定不確定性，加之傳感器本身的系統(tǒng)誤差，這將導(dǎo)致傳感器所得觀測數(shù)據(jù)含有各種噪聲成分，因此對于多傳感器信息融合設(shè)計(jì)過程，需要對不一致、不完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，確保信息融合結(jié)果真實(shí)反映客觀事實(shí)；其次是要考慮光纖傳感器多個測點(diǎn)所存在的信息融合損失問題，由于傳感器的缺陷或環(huán)境等因素的影響，傳感器無法采集到適合于融合的信息，從而導(dǎo)致融合很難進(jìn)行或失敗。

5 彈體表面場參數(shù)組網(wǎng)測量應(yīng)用分析

在彈體上應(yīng)用時，涉及到監(jiān)測彈體多個測點(diǎn)、多種參數(shù)的組網(wǎng)測試，因此，其組網(wǎng)實(shí)施方案需要根據(jù)彈體的監(jiān)測要求來布點(diǎn)。在工作溫度變化大位置、或者測量參數(shù)變化微弱的參數(shù)，可以考慮采用光纖法珀溫度、壓力、應(yīng)變傳感器器；在溫度變化范圍小或溫度在160℃以內(nèi)，或者被測參數(shù)變化大的情況下，可以考慮鋪設(shè)光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器。

實(shí)際組網(wǎng)測量中，需從測量實(shí)現(xiàn)難度和代價兩方面統(tǒng)籌考慮，合并環(huán)境參數(shù)模型中測量較為接近的測點(diǎn)，從而制定一體化測量設(shè)計(jì)方案。方案實(shí)施思路如下：首先需要根據(jù)彈體確認(rèn)需要監(jiān)測的位置和參數(shù)，每個測量位置的工作環(huán)境(主要是溫度)，監(jiān)測參數(shù)的大致范圍，以及

測量精度的要求，然后根據(jù)傳感器的特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的傳感器；確定傳感器類型和數(shù)量后，需要設(shè)計(jì)傳感器的復(fù)用方式，比如，一根光纖上連接幾個傳感器，連接什么樣的傳感器，共計(jì)需要幾個通道，每個通道的光譜范圍怎樣分配，光纖在彈體內(nèi)部的走線方式等；最后根據(jù)光纖所連接傳感器的情況，修改相應(yīng)的軟件，以便解調(diào)出對應(yīng)通道的傳感器。

6 結(jié)束語

本文采用基于光纖復(fù)用技術(shù)的環(huán)境參數(shù)測量網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)思路，通過開展導(dǎo)彈環(huán)境參數(shù)高精度分布式測量技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一種基于WMD+SDM的多參數(shù)同時測量的大容量光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈飛行過程中壓力、應(yīng)變、溫度等力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境參數(shù)的大規(guī)模組網(wǎng)測量，為有效滿足彈體小型化、輕型化、抗電磁干擾及減少彈體體積重量提供了新的思路及解決途徑。

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