基于光纤传感的航天器结构应变参数精确测量

杨 宁，申景诗，张建德，徐安宏

（山东航天电子技术研究所，烟台264670）

0 引言

载人飞船、空间站等大型航天器在轨时间长、服役环境恶劣。为有效保证航天器的在轨可靠运行和航天员的生命安全，需要对航天器结构应力应变参数进行实时监测。传统方式通常利用电阻应变片对航天器结构应变参数进行测量，但其安装复杂、易受电磁干扰，仅适用于地面测试环境；当前国内尚无有效手段对在轨航天器结构应变参数进行实时测量。

光纤传感技术具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、易于组网等优点，可在复杂空间环境下实时监测航天器结构的应力应变等参数[1-3]。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）是应用最广泛的光纤传感器之一，属于波长调制型传感器，其获取结构应变参数的前提是中心波长的解调[4-5]。可调谐滤波器法是目前广泛应用的FBG 高精度解调方法，其通过压电陶瓷实现对宽带光源的波长扫描[6]；然而由于压电陶瓷的迟滞、蠕变等特性，使得滤波器透射波长与压电陶瓷驱动电压间的线性度和重复性较差，需要进行波长校正以保证解调精度[7]。目前，常用的波长校正方法主要有F-P标准具参考法、气体吸收谱线参考法等[8-9]。其中：F-P标准具参考法能够覆盖较宽的波长范围，并提供分布均匀的多个波长参考点，但F-P标准具的腔长易受温度影响而使波长校正精度降低；气体吸收谱线参考法不受温度影响，能够提供稳定的参考波长，但其覆盖波长范围较窄，并且吸收谱线分布不均，使得波长校正系统复杂度较高。

为实现空间高低温环境下航天器结构应变参数的精确测量，本文将F-P标准具参考法与气体吸收谱线参考法相结合，对可调谐滤波器透射波长进行校正，并且采用自适应阈值法解决扫描光源平坦度差引起的标准具波形寻峰困难问题；同时基于时间预测性最大化原理对气室透过光源信号进行盲分离，以降低噪声干扰，提高波长校正值求取精度。

1 光纤光栅解调原理

基于F-P标准具和C2H2气室的可调谐滤波器解调系统如图1所示。系统主要由光源模块、并行探测模块和数据处理模块构成。光源模块为FBG传感器、标准具和气室提供扫描光源；并行探测模块实现扫描光束的分束、收集，以及提供波长参考等；数据处理模块对采集信号进行光电转换、分析计算，获取FBG 反射光信号的波长数据。具体解调步骤如下：1）求取标准具梳状谱各波峰位置，通过拟合获取扫描光源时间‒波长曲线；2）将气室吸收峰代入扫描光源时间‒波长曲线，得到气室吸收峰波长，并将其与气室吸收峰参考波长进行比对，得到波长校正值；3）根据扫描光源时间‒波长曲线和波长校正值得到FBG 传感器反射波长。

1.1 扫描光源时间-波长映射关系建立

1.1.1 基于自适应阈值的F-P标准具寻峰

在解调系统中，F-P标准具提供等间隔的波长参考谱线，并通过一个已知波长的限波滤波器去掉其中一条谱线，从而获得标准具各条谱线对应的波长参考值。使用三角波电路对光源进行一次扫描，扫描光源透过F-P 标准具后，探测得到的波形如图2所示，其中光源为宽带光源，扫描范围为1525～1565 nm。

图2 透过F-P标准具的扫描光源波形Fig.2 Transm ission waveform of scanning light source through F-P etalon

从图2可以看出，高速扫描光源平坦度较差，导致透过标准具后的光源波形各峰值差异较大。光源扫描速度越快，其平坦度越差，从而造成透过标准具后的光源波形幅值差异也越大。此时，如果截峰阈值偏大，则会丢失部分有用波形信息；如果截峰阈值偏小，则会引入大量噪声干扰：两者都会对解调精度产生影响。本文采用自适应阈值法解决光源平坦度差引起的寻峰困难问题，具体步骤如下：

1）通过分析透过F-P标准具的扫描光源波形，给定初始截峰阈值Tinitial，并根据该阈值确定光源波形中前2个波峰点集Pc1与Pc2，如图3所示。

图3 阈值法截峰示意Fig.3 Diagram of peak truncation by threshold control

2）根据步骤1）的寻峰结果，结合初始截峰阈值Tinitial，确定光源波形中前2个波谷pt1与pt2，并将其定义为初始输入；

3）利用光源波形中第(n‒1)个波谷pt(n‒1)与第(n‒2)个波谷pt(n‒2)，通过线性插值的方法预测第n个波谷ptn(n≥3)，

4）根据第n个波谷ptn与给定调整值Δε确定光源波形中第n个波峰的截峰阈值Tn，Tn=ptn+Δε，进而根据Tn确定第n个波峰点集Pcn；

5）重复上述步骤3）与步骤4），直至获取光源波形中全部的波峰点集；

6）根据获取的波峰点集，利用质心法精确求取标准具波峰位置，并参考限波滤波器对应的波长数据，获得标准具各波峰对应的波长值。

1.1.2基于三次样条插值的时间‒波长曲线拟合

三次样条函数能够根据少量离散测点值拟合出其他若干点的函数值，因此，可根据F-P标准具各峰值对应的波长数据，通过三次样条插值实现对扫描光源时间‒波长曲线的拟合[10-11]，如图4所示。

图4 扫描光源时间‒波长曲线拟合示意Fig.4 Time-wavelength fitted curve for the scanning light source

式中：S(x)表示待建立的扫描光源时间‒波长映射关系；x∈[xi‒1,xi]，为采样点值；yi为采样点xi对应的波长值；hi=xi‒xi‒1，表示区间长度；Mi为S(x)在xi处的二阶导数，可通过以下(n‒1)个方程解得，

其中，

1.2 基于时间预测的扫描光源波长校正

环境温度变化会导致F-P标准具的透射谱发生漂移，因此须通过C2H2气室提供的吸收峰参考波长对扫描光源波长进行校正。航天器中存在着电磁噪声等大量噪声信号，频谱宽泛、幅值较大，使得受噪声影响透过气室得到的扫描光源波形较差。因此，本文基于时间预测性最大化原理对透过气室的光源信号进行盲分离，以消除噪声对扫描光源波形的影响。算法原理是利用不同源信号具有不同的时间预测性，逐层剥离时间预测性差的信号，留下时间预测性最好的信号[12]。求解得到最大化信号时间可预测性量度F(w i,x)的分离矢量w i，即可分离出源信号。

基于时间预测性最大化原理剥离得到的扫描光源波形如图5(a)所示。从图中可以看出，由于光源平坦度较差，使得光源波形发生倾斜，增加了气室吸收峰的寻峰难度。因此，须首先采用最小二乘法求取光源波形基线，然后利用基线对光源波形进行校正，进而通过质心法精确求取气室吸收峰的位置。校正后的波形如图5(b)所示。

图5 气室光源波形校正Fig.5 Calibration of waveform for transmission light source of gas cell

将求得的气室吸收峰位置代入扫描光源时间‒波长曲线，得到气室吸收峰波长值λg；气室吸收峰参考波长值为λref，则相应的扫描光源波长校正值为

1.3 基于复合波长参考的FBG解调

利用基于F-P标准具建立的扫描光源时间‒波长曲线和C2H2气室确定的波长校正值Δλ，对FBG进行复合波长参考的精确解调，解调过程如图6所示。首先，利用质心法对FBG 反射信号寻峰，确定峰值位置，并根据扫描光源时间‒波长曲线初步获得FBG反射波长λf；然后，利用Δλ对λf进行校正，获得FBG 实际反射波长

图6 基于复合波长参考的FBG 解调Fig.6 Diagram of FBG demodulation by reference of compositewavelength

2 实验分析与验证

根据图1搭建基于F-P标准具和C2H2气室的可调谐滤波器解调系统，其光源波长扫描范围为1525～1565 nm，90%的扫描光进入7路FBG 传感链路，10%的扫描光进入F-P标准具和C2H2气室。通过实验对高低温环境下系统解调温度稳定性以及解调精度进行验证。

2.1 中心波长温度稳定性验证实验

为验证系统解调稳定性，将中心波长分别为1 531.068 9、1 535.362 4、1 552.403 7 nm 的FBG 温度传感器（对应传感器编号为1、2、3）放置于恒温液槽中。恒温液槽温度维持在(27.5±0.1)℃，FBG 温度传感器的灵敏度系数为10.8 pm/℃，因此恒温液槽温度变化引起的FBG传感器中心波长变化小于1 pm。同时，将F-P标准具和C2H2气室放置于恒温箱中，考虑到解调设备通常放置于航天器舱内，参考航天器舱内温度将恒温箱温度变化范围设定为-25～60℃。在每个温度点稳定后，对FBG 温度传感器中心波长进行解调，解调结果如表1所示。从解调结果可以看出，在环境温度变化范围（-25～60℃）内，FBG温度传感器中心波长解调偏差在3 pm 以内，能有效克服F-P标准具透射波长随温度漂移而造成的解调精度下降问题，从而实现FBG传感器中心波长的稳定解调。

表1 不同环境温度下FBG传感器中心波长解调偏差Table1 Deviations of wavelength demodulation of FBG sensors indifferent temperatures

2.2 系统解调精度验证实验

为验证系统解调精度，在等强度梁测量区域内安装3只FBG 应变传感器，并在传感器附近安装相应的电阻应变片，以提供等强度梁应变参考值；同时，安装1只FBG 温度传感器进行FBG 应变传感器的温度补偿，如图7所示。

图7 FBG 应变传感器精度测量设备Fig.7 Apparatus for precision measurement of FBG strain sensor

在测量过程中，通过逐步加载砝码的方式使等强度梁产生应变，应变范围在2000με以内。每次等强度梁稳定后，利用FBG 应变传感器与电阻应变片测得等强度梁应变值，并以电阻应变片测量值作为参考，验证FBG 应变传感器的测量精度，结果如图8所示。从图中可以看出，本文方法应变测量的相对误差在4%以内，且在初始阶段相对测量误差较大，这主要是由于初始阶段结构应变偏小。

图8 本文方法结构应变相对测量误差Fig.8 Relative measuring error by our method

3 结束语

为利用光纤传感技术实现空间高低温环境下航天器结构应变参数的高精度测量，本文采用基于F-P标准具和C2H2气室的复合波长参考的可调谐滤波器解调方法。在解调过程中，采用自适应阈值法解决光源平坦度差引起的F-P标准具寻峰困难问题，并基于时间预测性最大化原理对透过气室的光源信号进行盲分离，提高气室波长校正精度。实验结果表明：在-25～60℃高低温环境条件下，FBG 传感器中心波长解调偏差小于3 pm，能有效克服F-P标准具透射波长随温度漂移而造成的解调精度下降问题，实现FBG传感器中心波长的稳定解调；同时，等强度梁应变测量的相对误差在4%以内，能够实现待测结构应变参数的高精度测量。