变迹-啁啾光栅在瞬态温度测试中的研究与应用

王 高， 祁乐融， 刘智超， 刘志明， 郑光金， 武京治

1. 中北大学电子测试技术重点实验室， 山西 太原 030051

2. 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130000

3. 长春理工大学光电信息学院， 吉林 长春 130000

变迹-啁啾光栅在瞬态温度测试中的研究与应用

王 高1， 祁乐融1， 刘智超2, 3， 刘志明1， 郑光金1， 武京治1

1. 中北大学电子测试技术重点实验室， 山西 太原 030051

2. 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130000

3. 长春理工大学光电信息学院， 吉林 长春 130000

为了快速准确地获取火炮发射时炮管的瞬态温度场信息， 设计了基于变迹-啁啾光纤光栅传感器的瞬态测温系统。 系统采用啁啾光纤光栅实现对回波光的带宽调制， 从而使回波光带宽大幅提高， 大大增加了系统带光栅传感器数量及回波光能量。 在分析了五种常见变迹函数切趾性能的基础上， 系统采用超高斯函数形式完成对回波信号的切趾处理， 有效地抑制了由于啁啾调制所造成的旁瓣增大以及光谱抖动， 使系统符合瞬态温度测试的设计要求。 实验采用调制范围1 532.0～1 548.0 nm的变迹-啁啾光栅传感器， 并在炮管上均匀缠绕， 共50个测试点位。 针对某型火炮发射时炮管的瞬态温度进行测试， 实验数据与WRP-130S型高速温度探测器的测试结果比较。 实验结果显示， 该系统与WRP-130S型探测器测温结果相近， 平均误差小于2%， 在温降平稳区优于1%。 测试结果中， 温度-波长数据满足1 ℃约引起0.041 3 nm(均值)的波长偏移。 该系统在一次采集过程中可获得50个独立位置的瞬态温度， 大大提高了炮管温度场重建的效率。

变迹-啁啾光栅； 瞬态温度； 超高斯函数； 炮管

引 言

对于火炮、 导弹等火工品的性能测试中， 速度、 温度、 力学及空气动力学的分析都至关重要， 是分析评判该武器稳定性的重要依据[1-2]。 其中， 对于瞬态温度的测试尤为重要， 因为其瞬态温度变化往往决定了炮管瞬时耐受能力、 导弹弹体的极限变化情况[3]。 对于炮管瞬态温度的测试， 有采用黑体腔技术实现的， 该技术通过分析计算被测物的辐射谱反演其温度。 优点是可以非接触完成温度测试， 缺点是黑体对辐射能几乎没有选择性， 容易受到干扰， 并且一套系统一次仅能针对一个位置进行测试， 这对于希望构建炮管温度场分布是远远不够的。 为了构建相对连续而广泛的温度场， 有采用密布型热电偶高温探测器实现的， 应用热电偶实现高温测试， 然后通过多点排列分布构成测试网络， 这种结构优点是重点部分可以根据需要设置足够多的探测点， 对于温度分布场的建立非常有效， 但其缺点是每个探测器需要独立的放大、 AD等外围电路， 这大大增加了整个系统的复杂性， 并使其重复使用或者说兼容性大幅降低， 并且成本高、 稳定性低。 相比而言， 光纤布拉格光栅(FBG)[4-8]测温网络既能满足多点式分布探测， 又能仅采用一套放大、 处理系统实现炮管的温度场测试， 其不受电磁干扰影响， 稳定性好， 是用于多点位瞬态温度检测的最佳选择[9]。

虽然FBG技术优势明显， 但其也存在一定的不足， 首先， 为了符合多点同时测试的设计要求， 就需要在单根光纤上集成多个光栅探测点。 但由于均匀布拉格光栅回波光带宽窄能量低， 故在单根光纤上能携带的FBG传感器数量十分有限， 限制了其应用。 为了获得更多的传感器携带能力， 常常通过调整光纤光栅结构的方式实现， 例如采用啁啾光栅、 渐变光栅或者采样光栅等技术， 提高回波带宽或者增大回波波长峰个数的方法提高系统探测能力[10]。 其中， 啁啾光栅技术被广泛应用， 但其回波光波动大、 反射光谱区有震荡不平坦， 故对于瞬态温度测试具有严重的影响。 本文针对该问题设计了变迹啁啾光栅结构， 实现了对啁啾光栅回波信号的有效优化， 从而达到了获取瞬态温度数据的目的。

1 瞬态温度测试系统

基于变迹-啁啾光栅的瞬态温度测试系统结构如图1所示， 处理系统控制宽带光源产生红外光， 测试光通过耦合器进入测试光纤中， 在被测炮管上均匀缠绕， 分布间距可根据温度场测试要求进行调节。 在单根测试光纤上带有多个变迹-啁啾光栅传感器， 传感器的回波光信息由耦合器传给F-P解调仪， 经解调的光信号被处理系统处理分析， 然后将被测炮管的温度场信息显示。 该系统的两个重要优势是： (1) 利用啁啾光栅调制技术， 大幅提高了回波光的带宽及能量， 使系统具备一套处理系统附加单根光纤可实现多达几十个传感器同时测温的复用要求； (2) 利用变迹光栅技术完成了回波光波形的整形， 尽可能的抵消了由于啁啾调制造成的光谱抖动及不平坦， 保证了测试数据的稳定性， 使得瞬态温度检测成为了可能。

图1 瞬态温度测试系统结构图

2 变迹-啁啾光栅结构设计

2.1 啁啾光栅

相比均匀光栅而言， 啁啾光栅对光纤折射率的周期进行调制， 在光纤轴方向上光栅常数线性改变， 构成线性啁啾光栅[11]。 该技术可有效实现波分复用的设计要求， 使单根光纤上可传输信息量大大增加。 其折射率函数可表示为

(1)

其中，n0为光纤折射率，ν为可见度，Λ(z)为中心位置的周期，φ(z)为相位函数， 而φ(z)又可表示为

(2)

其中，L表示光栅尺寸， 而F表示啁啾系数。

2.2 变迹光栅

变迹光栅也别称为切趾光栅， 通过将光纤折射率的振幅在光纤轴方向上构成一个钟型包络变化， 从而产生一个数字滤波函数的效果， 其常用的函数形态有汉明函数、 高斯函数、 超高斯函数、 Sinc函数以及Blackman函数[12]。 不同变迹函数的切趾效果、 旁瓣抑制能力及反射率保留效果各不相同， 所以， 根据不同的应用场合采用不同的切趾函数。 本系统中的变迹光栅采用超高斯切趾函数， 其切趾函数表达式有

(3)

其中，δnoff为啁啾调制能力， FWHM为高斯分布对应的半高全宽，n为阶数。

该变迹光栅在保留尽量多的回波光能量的基础上， 对回波信号进行旁瓣抑制并实现调制区域的光谱平滑， 选择该切趾函数的依据在2.3节中介绍。

2.3 变迹-啁啾光栅

针对啁啾光栅回波光抖动大及光谱不平坦的特性而言， 要求滤波效果可以最大限度的克服由于抖动产生的旁瓣干扰， 并且在可调制区间内具有较好的低通特性， 从而依据此要求选择合适的滤波函数。 在仿真分析的过程中发现， 各种函数在通过调节滤波参数均能达到抑制旁瓣并使可调区域光谱平稳的效果， 但其抑制能力与回波反射率会存在一定的差异。 以上五种函数的滤波效果图及数据分析较多， 由于篇幅限制不一一列举， 仅将仿真结论给出。 汉明切趾中参数H在 0.55～0.60之间时， 抑制效果和反射率达到最优； 高斯切趾中参数G为6, 7时， 抑制效果和反射率达到最优； 超高斯切趾中参数n为2, 3时， 抑制效果和反射率达到最优； Sinc切趾中参数A，B相同且介于2～4之间时， 抑制效果和反射率达到最优； Blackman切趾中参数B为0.02时， 抑制效果和反射率达到最优。 综合比较可知， 汉明和高斯切趾的旁瓣抑制效果较好， 而回波反射率为90%； 超高斯的回波反射率优于95%， 旁瓣抑制次优； Sinc切趾的回波反射率最好达98%， 旁瓣抑制一般； Blackman切趾的旁瓣抑制效果最好， 但其反射率仅有80%。 为了能够带足够的光栅传感器， 故滤波后应保留高反射率从而保证回波光能量损失尽量小， 并且要求旁瓣抑制效果较好才能起到克服啁啾调制的光谱震荡的问题。

最终， 其折射率表达式有

(4)

由式(4)可知， 系统利用δnoff实现调制， 再采用n值控制切趾效果。

3 实验部分

3.1 环境

测试针对某型火炮发射时炮管的瞬态温度场进行， 光纤传感器沿光纤旋转排布在炮管上(如图1所示)， 温度测试范围0～500 ℃。 变迹-啁啾光栅的光栅长度为20.0 mm， 光纤的主折射率为1.482 2， 啁啾系数为0.085 0 nm·cm-1， 调制度为1.62×10-4， 有效调制带宽1 532.0～1 548.0 nm。

3.2 光谱调制及切趾效果分析

采用啁啾调制后得到的回波光的带宽明显增大， 范围覆盖1 530.0～1 550.0 nm， 但是相比均匀光栅的回波光有明显地旁瓣噪声及光谱抖动。 从图2(a)中可以看出旁瓣的振幅最高超过总反射率的40%， 这相比均匀光纤中低于10%的旁瓣而言对信号的影响很大， 并且调制区域的抖动振幅最大也接近20%， 故必须进行有效滤波才能完成对瞬态温度的测试， 否则， 无法区分波长偏移是由于温度变化引起的还是抖动噪声。

图2 变迹-啁啾光纤光栅回波光谱数据图

系统变迹函数采用超高斯函数形式完成对啁啾光栅的调制回波进行切趾， 切趾后回波光谱分布如图2(b)所示。 可以发现调制区域的抖动几乎被完全消除， 达到了平滑的效果， 旁瓣最高值低于20%， 并且收敛速度更快， 基本符合实际要求。 虽然在调制范围上被小幅压缩， 其有效调制区域为1 532.0～1 548.0 nm， 略低于1 530.0～1 550.0 nm的理论值， 但仍能满足测试需求。

3.3 炮管瞬态温度测试结果及分析

测试火炮炮管上安装一根传导光纤， 此根光纤上一共有50个FBG传感器分布与各个位置上(为了重建温度场图提供数据)， 虽然数量多， 但原理一致故仅列出一个中间位置上FBG传感器的测试数据， 测试位置为火炮膛线起始处。 标定用的瞬态温度测试设备选用WRP-130S型高速铠装热电偶温度探测器， 测温范围0～800 ℃， 该设备与本系统的测试数据对比如表1所示。

由表1温度测试数据可知， 随着炮弹出射计时后， 被测

表1 炮管瞬时温度分布数据表

炮管位置的温度会迅速上升， 当采样时间间隔设置为10 ms时， 在20 ms时达到最大值394 ℃。 随后温度逐渐下降， 下降幅度在10～100 ms段速度较快， 约为1.512 5 ℃·ms-1， 在100～500 ms段速度趋缓， 约为0.402 5 ℃·ms-1， 在500～1 000 ms段速度很慢， 约为0.032 0 ℃·ms-1。 变迹-啁啾光纤光栅传感器得到的温度测试值与WRP-130S型温度传感器的测温结果基本一致， 检测误差均小于2%， 在温度下降平稳的区间具有优于1%的测试效果， 其中， 若从回波波长的角度分析， 随着中心波长的偏移越接近中间部分， 系统越具有较稳定的测试效果及精度， 分析其原因是调制区间中间部分的稳定性及回波反射率都较高所致。 根据波长的变化规律可知， 在已列出温度-波长数据中满足1 ℃约引起0.041 3 nm(均值)的波长偏移， 并且该变化在这个温度变化过程中基本满足线性变化的规律， 为了获得更准确的温度计算结果， 可以在300 ℃以下的测温区间引入一个校正参数， 从而使测温精度均优于1%。 系统最终仅用了一套光纤测试结构在一次采集过程中就获得了相当于50个独立WRP-130S型温度传感器在不同位置获取的温度数据， 大大提高了炮管温度场重建的效率。

4 结 论

研究了一种基于变迹-啁啾光栅传感器的瞬态温度测试系统， 系统利用啁啾调制技术增大了回波光带宽， 从而达到了在单根光纤上携带大量FBG传感器的设计要求。 同时， 系统采用超高斯型变迹光栅结构有效地抑制了由于采用啁啾光栅所引起的旁瓣增大及光谱抖动的问题。 相比传统瞬态测温技术而言， 系统的测试精度与WRP-130S型探测器相近， 而单次测试的温度信息数据量大幅提高， 并且通过变迹-啁啾的结构设计实现了传统FBG在瞬态温度测试中稳定性不足的缺点， 证明了该系统的可行性及很高的实用价值。

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The Research and Application of Transient Temperature Test Based on Apodized-Chirped FBG

WANG Gao1, QI Le-rong1, LIU Zhi-chao2, 3, LIU Zhi-ming1, ZHENG Guang-jin1, WU Jing-zhi1

1. Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory, Taiyuan 030051, China

2. College of Optical and Electronical Engineering, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130000, China

3. College of Optical and Electronical Information, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130000, China

In order to quickly and accurately obtain the transient temperature field information of the barrel when the gun is firing, the transient temperature measurement system was designed with apodized-chirped fiber Bragg grating (FBG) probe. In the system, chirped fiber grating was used to modulate the bandwidth of echo light. The bandwidth of echo light had been greatly improved. So the number of apodized-chirped FBGs in one fiber could be greatly increased, and the energy of echo light was increased too. The performances of five common apodization functions were analyzed, and the super-Gaussian function was used to process the echo signals in the system. This function effectively suppressed sidelobe increases and spectral dispersion caused by chirp modulation, which indicated that it could meet the design requirements of the transient temperature measurement. 50 apodized-chirped FBGs, which evenly wound on the barrel, were used in the experiments, and they modulation range was from 1 532.0 to 1 548.0 nm. Transient temperature of a certain type of gun barrel was tested when it fired, and test data from the system were compared to WRP-130S high-speed temperature detector. Experimental results show that the two methods are similar ones with average error of less than 2%, and better than 1% in the region of temperature steady drop. 1 ℃ can cause 0.041 3 nm wavelength shift in temperature-wavelength data. Transient temperatures of 50 independent positions can be obtained in an acquisition, so the efficiency of the barrel temperature field reconstruction is greatly improving.

Apodized-chirped fiber Bragg grating; Transient temperature; Super-Gaussian function; Barrel

Nov. 2, 2015; accepted Mar. 15, 2016)

2015-11-02，

2016-03-15

国家自然科学基金项目(61573323， 11304289)， 国防基金项目(9140A08080115BG04119)， 山西省留学人员科研资助项目(2014054， 2015076)， 吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目(2014[B060])资助

王 高， 1973年生， 中北大学电子测试技术重点实验室教授 e-mail： wanggao@nuc.edu.cn

TN253

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2660-04