基于微型光谱仪的光纤压力高速解调技术

刘彦超,申争光,时兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自动化控制设备研究所,北京 100074)



基于微型光谱仪的光纤压力高速解调技术

刘彦超,申争光,时兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自动化控制设备研究所,北京 100074)

为解决高超声速飞行器中大气压力传感系统的多通道、高精度、强环境适应性等技术需求问题,具有耐高温、易组网、高灵敏度、抗电磁干扰等优点的光纤压力传感技术成为航空航天压力传感领域的重要研究方向。提出一种基于微型光谱仪的光纤压力高速解调技术,该技术采用基于体相位光栅和线阵光电探测器的微型光谱仪作为光谱探测单元、Actel公司的片上SoC电路系统作为智能信息处理单元,融合数字滤波、线性拟合、曲线寻峰、信号重构等数据处理算法,完成光纤压力传感器高速解调系统研制,并搭建压力检测实验平台。试验结果表明:系统的压力测量范围优于260kPa,测量精度接近0.1% F.S.,分辨率为10Pa,动态响应可达5kHz。

Fabry-Perot;光纤压力传感;体相位光栅;线阵光电探测;光谱分析

0 引言

Fabry-Perot(F-P)光纤压力传感器具有体积小、质量小、测量灵敏度高、抗干扰、环境适应能力强等诸多优点,非常适用于航空航天、石油化工等应用环境恶劣,且对压力传感的精度和解调速度要求又非常高的领域：如高超声速飞行器的大气压力测量领域面临的高温、高速和强电磁干扰等严酷复杂环境;又如石油天然气勘探、储备领域面临的长距离监测、安全性要求高,易燃易爆、强腐蚀等特殊的环境。而传统的谐振式、压阻式、电容式等各类压力传感器大多带电,且信号传输复杂,很难应用于上述恶劣环境。但光纤F-P压力传感器本质安全,除了具有上述优点外,另外还能够仅通过一根光纤完成压力传感和数据的传输,对被测介质影响小、便于复用、成网,有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络等优点,因此光纤F-P压力传感技术已经成为航空航天、石化、电力、核工业等领域中压力监测技术的重要研究方向。

1991年,美国Murphy等首次成功研制出非本征型光纤F-P传感器[1];从1992年Murphy等在F-15战机上对非本征型F-P传感器进行疲劳测试研究开始[2],全世界迅速掀起了光纤F-P传感器研究应用的热潮,代表性的有1994年Greene等使用6只光纤F-P压力传感器组成传感器阵列对副翼进行测试,测量结果与箔应变计结果非常接近[3]。2002年,Pullian等对光纤F-P压力传感器在涡轮发动机及高速燃烧室中的应用进行探讨,并完成了对跨声速风扇的测试,该传感器的测量范围为0～750psi,响应频率大于150kHz,常温下满量程精度达到1%[4]。2003年 Luna Innovation公司 Elster等探索光纤F-P压力传感器在飞行器健康监测系统中的应用,并在美国波音公司等地展开实验测试[5]。2004年,Richards等对内嵌式光纤F-P应变传感器在航天级复合材料结构中的特性进行了研究[6]。2010年,NASA资助VIP Sensors公司进行光纤压力传感器阵列研发,测量飞机飞行时的气流压力[7]。目前越来越多的企业、研究单位进入到光纤传感领域,其作为新一代传感技术、国防科工关键技术,对国家工业和武器装备综合实力的发展具有战略意义。

目前光纤F-P压力解调技术有相位解调、强度解调、频率解调和波长解调等方法。其中波长解调技术将感测的传感器光信息进行波长编码,对光源输出功率的稳定性要求不高,可以忽略对光纤连接器和耦合器的损耗,因此得到了广泛的应用。国外从20世纪90年代初就展开了对波长解调技术的研究,各种解调技术被相继提出,例如边缘滤波线性解调法:结构简单,灵敏度高,可以测量高频响应信号,但只能单点测量;匹配滤波法:结构简单,成本低,但检测波长范围窄,只能单点测量;非平衡M-Z干涉法:灵敏度高,但只能测量动态应变,不能应用于绝对测量;光纤F-P滤波器解调法:精度高、稳定性好,但受其本身机械结构制约,被检测信号的频率范围受到很大限制。综上,本文采用基于微型光谱仪的波长解调方法,其具有速度快、精度高、体积小、波长范围宽等优点,但因为微型光谱仪内部线阵光电探测器数量限制,需要高效的数据算法处理离散的光谱信息,因此寻峰算法是精准确定波谱峰值的关键。

本文在分析光纤F-P压力传感器原理的基础上,对光纤F-P压力解调理论和方法进行了研究,针对采用微型光谱仪技术的光谱解调方案,设计了光谱解调信息处理模块,通过分析光纤F-P压力传感器的反射光谱特点,设计优化了光谱寻峰算法,最终完成解调设备研制和实验验证。

1 光纤F-P压力传感器传感原理分析

系统采用非本征型光纤F-P压力传感器,其内部结构如图1所示。

光纤F-P压力传感器是由2个平行的光学平面构成光学谐振腔,即如图1所示光纤端面与弹性膜片之间构成的法珀腔,膜片感受压力的变化后会发生弯曲变形,变形的膜片导致法珀腔长度发生变化,进而会引起光在光纤中传播的性质(如强度、相位、波长等)发生变化,从而达到传感的目的。通过测量光纤F-P压力传感器输出的高反射镜间光的多次反射构成的多光束干涉，形成的光谱信号就可以得到外部压力的变化。

光纤F-P压力传感器所受压力与腔长之间的关系可以表示为

(1)

式中,v代表光纤材料的泊松比,E代表光纤材料的杨氏模量,P代表传感器所受压力,h代表薄膜的厚度,r代表膜片的有效半径,Δd是腔长的变化量。

当光纤压力传感器受到的压力变化时,反射光谱图中的每一个谱峰波长λ,都对应一个干涉级次m,当腔长d变化Δd时,m对应的λ值就会移动Δλ,其关系可以表示为

(2)

因此光纤F-P压力传感器通过采用MEMS加工技术准确设置传感器的腔长和薄膜厚度,保证相邻谱峰之间的波长差大于微型光谱仪探测范围,则微型光谱仪只能探测到干涉级次为某一个特定值下的谱峰波长,通过光谱分析,确定光谱的单峰峰值波长,监测其位置的变化,根据式(2)得出传感器腔长的移动,再根据式(1)就能得到外界压力的变化,光谱波形如图2所示。

2 光纤F-P压力传感系统解调光路设计

系统采用基于全息体相位光栅(VPHG)和铟砷化镓(InGaAs)线阵光电探测器的微型光谱仪来实现光电信息转换。此方案具有测量速度快、体积小、测量波长范围宽、成本较低等优点。其原理如图3所示。其工作模式为:入射光经过准直透镜L1变为平行光,平行光垂直入射到衍射光栅上,衍射光栅的每条狭缝都将产生单缝干涉,并且来自不同狭缝的相干光进行相干叠加发生多缝干涉,因此透射式衍射光栅的衍射为多缝干涉和单缝衍射叠加的结果。当用复色光照射时,除零级衍射光外,不同波长的同一级衍射光不重合,于是衍射光栅就将不同波长的光分开了,不同波长光谱线的分开程度随着衍射级次的增大而增大,对于同一衍射级次而言,波长大的出射角度大,波长小的出射角度小。衍射角相同的所有衍射光被透镜L2汇聚于光电传感器上一点,相干叠加的结果决定了此点处的光强。最终通过光电探测器阵列不同位置的光强大小,可以将反射光谱实现记录与再现。

3 光纤F-P压力传感系统信息处理模块设计

针对飞行器上大气压力传感系统和各行业应用现场对光纤F-P压力传感系统高速、高精度的要求,系统采用Actel系列高速智能型混合信号SoC,Actel新一代SoC技术具有明显减小控制芯片占用面积、低成本、低功耗、高安全、单芯片、上电即行等优点,芯片内部FPGA最高速度可达350MHz,ARM速度为100MHz,其在模数混合FPGA的基础上融入了高效的Cortex M3 ARM内核,该内核属于硬核,不占用FPGA的逻辑资源,使芯片不仅具有FPGA高速并行的优势,而且可以发挥ARM灵活控制的特点。解调系统中FPGA的工作主要有:为系统其他模块提供时钟信号,控制与接收AD模块信息,对采集到的数据进行平滑滤波处理消除噪声等;ARM负责对采集到的数据进行复杂的算法运算,寻找光纤压力传感器反射光谱的峰值位置,对传感器数据信息进行数据重构,进而推算外界参量的变化等,可编程的模拟模块实现对系统进行温度补偿,提升系统精度和环境适应能力。

根据HAMAMATSU公司线阵光电转换阵列提供的最高5MHz时钟频率,以及模拟电压信号输出范围,通过指标闭合,选择ADI公司为CCD阵列专门优化的模数转换芯片AD9826KRSZ,其通过多路复用方式接入一个高性能16位20MHz的模数转换器(ADC),工作模式与线阵光电探测器相匹配,可以采用3V/5V数字电源,并且功耗低、发热小、性能稳定,能够达到系统对模数转换的所有要求。

信号处理电路数据流简图如图4所示。

4 光谱数据寻峰算法设计

4.1 光谱数据预处理

根据图2可见光纤F-P压力传感器反射光谱波形特点:光谱数据中波峰个数少,且波峰窄,包含波峰的数据占数据整体的比例很小,大量噪声数据的存在,对系统寻峰精度没有贡献,且需要占用大量的运算时间和存储空间,因此对光谱数据进行处理之前,需要对其进行数据预处理。

系统采用数据预处理方法首先是设定阈值。阈值设定的原则为能够去除不必要的信息,而且尽量减少对有效光谱数据造成的损耗。本文系统采用光谱数据平均值加标准差的方式,通过大量实验光谱数据计算,最终确定阈值的大小。

计算出阈值后,通过对阈值以上的多个数据数组进行半坡宽度计算,最终能够保证仅留下峰值有效数据。寻峰拟合算法只采用最终保留的有效数据,此方法对减小数据量,提升系统运行效率非常有效。

4.2 曲线拟合

由于线阵光电探测器阵列像元数目有限,不可能无限增多,因此探测到的光谱数据是离散的,又因线阵光电传感器阵列平均每一像元对应的分辨率远远不能达到系统要求,因此需要将线阵光电探测器的光谱响应与像元位置序号之间的离散序列关系进行拟合,提高测量精度。

光纤F-P压力传感器光谱数据处理中常用质心法、高斯拟合法、多项式拟合法、三次样条拟合法和半峰检测等算法;在文献[8]中比较了不同数据个数下各种算法的性能,实验结果表明:三次样条拟合敏感度较低; 半峰检测法抗噪性能较差[9]；而高斯拟合算法的精度和稳定性能较好,误差小。另外根据实验数据统计显示的光纤F-P压力传感器光谱特点,利用反射波峰上7个采样点数据拟合精度最高。系统采用最小二乘原理结合高斯拟合算法对光谱数据进行拟合。

光纤压力传感器的反射光谱曲线接近高斯分布,曲线可以用高斯函数近似表达为

(3)

可以将高斯函数变形为

G(x)=F(x)=exp (-Ax2+Bx+C)

(4)

采用最小二乘法作曲线拟合,有利于减小随机性测量误差,其原理是使光谱数据与拟合曲线误差最小,即误差平方和e最小

(5)

通过求(5)的极值即可获得最小二乘最佳拟合曲线。

5 实验平台搭建和实验数据分析

5.1 光纤F-P压力传感实验系统搭建

实验平台采用Druck的ADTS405 Air Data Test System 作为压力源对光纤F-P压力传感器施加准确的压力。为保证实验环境的气密性,采用航天专用气咀连接ADTS 405压力源和光纤F-P压力传感器。实验采用的光纤F-P压力传感器压力取值范围为80～260kPa时,光谱峰值波长变化范围约为1535～1565nm,实验采用宽带光源的光谱平坦区间为1510～1580nm,能够满足光纤F-P压力传感器波长漂移的最大范围。

光纤F-P压力高速解调系统实验平台如图5所示,其工作过程为:光源将宽带光通过环形器射向光纤F-P压力传感器,F-P压力传感器会将与其受到压力呈线性关系的光谱信号反射回来,经过环形器进入到光电信息处理模块中,光在模块内部经第3节所述光路解调后变为模拟电压信号,模拟电压信号经过第4节所述信息处理单元,进行第5节所述运算后最终得到外界气压的变化。

5.2 实验数据分析

将光纤压力高速解调系统与高精度光谱仪连接同一只光纤F-P压力传感器,分别进行进程和回程压力解调实验,不同压力值对应的高速解调系统寻出光谱峰值波长和高精度光谱仪寻出光谱峰值波长数据如表1所示。

表1 压力与光谱峰值波长对应表

根据表1数据,进程和回程压力值对应的光谱波长的系统测量结果与光谱仪测量结果如图6、图7所示。根据图中数据,在压力检测范围内,系统与高精度光谱仪测量结果基本一致,系统测量进程、回程最小二乘拟合曲线分别为:

y1=-6.8845x+10838

(6)

y2=-6.8872x+10842

(7)

光谱仪测量压力进程、回程最小二乘拟合曲线分别为:

y1=-6.8867x+10841

(8)

y2=-6.8824x+10834

(9)

系统测量结果与光谱仪测量结果基本一致,且压力进程和回程测量结果一致。系统测量压力-波长拟合曲线进程和回程线性度R≈1 。将拟合曲线横坐标和纵坐标转换,得到其压力灵敏系数约为1.45Pa/pm,根据高速压力解调系统1pm的波长分辨率,若传感器压力分辨率足够高,系统压力分辨率能够达到1.45Pa。

将压力进程和回程光谱峰值数据取平均值后,与相应压力值拟合曲线为

y3=-6.8859x+10840

(10)

将光谱峰值进程和回程数值代入拟合曲线(10)计算出的压力值和传感器实际感受到压力值的差值如图8所示。误差分析表明,系统测量压力最大误差控制在0.3kPa以内,系统压力测量精度接近0.1% F.S. 。另外按照256像元线阵光电探测器最快5MHz的时钟频率,动态响应最快可达17kHz,考虑系统对测量振动的需求和系统稳定性需求,又因系统设计FPGA和ARM协同工作的高效模式,系统最终通过算法处理后动态响应能够达到5kHz。

6 结论

本文通过对光纤F-P压力传感器的机理进行研究,针对其反射光谱特点和压力解调方法,提出并设计了基于微型光谱仪和Actel 公司SoC片上系统的便于飞行器上应用的光纤F-P压力高速解调系统,搭建压力检测实验平台进行进程、回程压力测量实验,实验结果表明:本文设计系统精度达到0.1%F.S.,分辨率达到10Pa。此外高速解调系统除可应用于压力传感领域,还可配合光纤温度、应变、加速度、振动等多种光学传感器应用于其他各领域。

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Study on Fiber Optic Pressure High-Speed Demodulation Based on Micro-Spectrometer

LIU Yan-chao, SHEN Zheng-guang, SHI Zhao-feng, YUAN Jing-chun, BO Nan

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment , Beijing 100074, China)

In order to meet the technological demands of multichannel, high-accuracy, environmental adaptability etc for air pressure sensing system of hypersonic aircraft, and with the advantages of high temperature resistance,easy networking,high-sensitivity, anti-EMI,Fiber Optic Pressure Sensor has become an important research direction in the pressure detection field of aeronautics and astronautics.Pressure demodulation technology based on micro-spectrometer is studied. By taking micro-spectrometer composed of volume phase grating and linear array detector as spectrum detection unit and Actel’s SoC as intelligent information processing unit,and through data processing algorithms like digital filter,linear fitting,curve peak-seeking,signal reconstruction, etc,a high-speed demodulation system of the fiber optic pressure sensor has been developed and a pressure testing platform has been built.The experiment results indicate that the pressure measurement range of this system can go up to 260kPa,with measured accuracy close to 0.1%F.S., resolution to 10Pa and dynamic response to 5kHz.

Fabry-Perot; Fiber optic pressure sensor; Volume phase grating; Linear array detector; Spectrum analysis

2016-11-15；

2017-02-01

国家自然科学基金(61401414)

刘彦超(1989-),男,在读研究生,主要从事光纤传感方面研究工作。E-mail:lyc2588@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.016

TN253

A

2095-8110(2017)04-0103-06