卫星分布式光纤测温系统技术研究

吴侃侃，杨 牧，陈 议，陈德相，魏晓阳

(上海卫星工程研究所，上海 201109)

0 引言

传统的卫星温度测量主要以负温度系数热敏电阻或铂电阻作为温度敏感器件，每个热敏电阻或铂电阻均需通过导线将信号送至采集系统，经分压、通道选择、AD变换后处理成数字信号。负温度系数热敏电阻全温度范围内的平均测量误差约为0.5 ℃，铂电阻测量误差则优于0.1 ℃。

随着航天技术的发展，尤其是大型合成孔径雷达(SAR)天线、高精度光学载荷的应用，测温点多达数百甚至数千。随着测温点的增多，附着在被测物上的测温电缆质量成比例增加，使载荷的转动惯量变大，卫星指向稳定度降低，同时电缆布线和工艺复杂度增大，已无法适应未来卫星轻质化的要求。以卫星常用的抗辐照交联乙烯-四氟乙烯共聚物绝缘电缆为例，共计500个负温度系数热敏电阻测温点，测温点到温度采集系统的平均距离假设为5 m，则仅附着在卫星载荷上的测温电缆裸线质量就超过10.5 kg(标称2.1 kg/km)，另外还需大量电缆包覆材料、固定卡箍、绑扎线等。若全部采用测温精度更高的铂电阻测温，电缆质量将增加1倍。

在大面积三维温度场测量中，希望获取具有空间和时间连续性的全局温度参数，便于卫星通过主动控温方式确保全区域处于某一较稳定的温度值，避免温度梯度剧烈变化，同时作为地面载荷探测元素反演的重要输入。这种应用需求是传统的温度敏感器件“定点式”测量难以满足的。

分布式光纤测温是一种实时、连续测量空间温度场分布的技术，被认为是应用最为成功、广泛的分布式测量技术[1]。光纤测温系统具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘、耐高压、测温精度高、质量轻、容易安装布线、可以连续快速远距离测温等优点。具有抗辐照能力的成品星载多模光缆质量指标≤25 kg/km，实际使用200 m光缆质量仅为5 kg。而且只要在光纤测温长度范围内，光纤长度的变化不影响采集系统。与电阻式测温系统相比，光纤测温在电缆质量、布线、测温精度和灵活度等方面具有明显优势。

在光纤测温系统中，光纤既是传输介质也是传感介质，激光脉冲注入传感光纤中，向前传输时将会发生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。瑞利散射信号较强，但对温度不敏感；布里渊散射对温度和应力都敏感，但容易受外界环境干扰，信号剥离难度大；拉曼散射只与温度有关，并且相对容易获取和分析，因此得到普遍应用[2-3]。

对于光纤后向拉曼散射信号，温度解调通常是建立在一个精确的参考光纤温度基础上实现的。参考光纤温度测量精度对于保证系统的测温精度至关重要。文献[4]中提出了基于拉曼散射的光纤测温原理和系统设计，给出了通过测量参考光纤温度进行光纤温度解算的方法。文献[5]中提出采用多点平均提高参考光纤测温精度，从而提高系统测温精度。文献[6]中试验说明，选取合适的参考光纤校准温度、参考光纤长度、距离参考光纤的间距可以提高测温精度。利用光时域反射技术可以对测量点进行精确定位。文献[7]中在26 km单模光纤上测温空间分辨率为1 m，而文献[8]中采用抗辐射多模光纤，空间分辨率达0.5 m、最大测温误差小于0.5 ℃。

光纤测温技术已广泛应用于电力电缆[9]、油气开采[10]、煤矿[11]等领域，文献[2]中对应用情况进行比较全面的梳理。文献[12]中详细描述了发电机定子温度监测设计中，采用基于拉曼散射的分布式光纤测温系统取代传统的铂电阻局部测温，获取连续的温度参数构建定子三维温度模型。

光纤测温系统应用于卫星时，卫星资源有限，无法采用复杂的校准系统，而且卫星在轨后环境远比地面恶劣，光纤特性参数变化快，必须具备在轨实时自主校准的能力。利用光纤测温沿光纤长度累加平均的特点，本文提出环绕式布线方式的卫星光纤测温系统，在光纤环上布置若干个铂电阻测温取代恒温环境作为参考温度，有效获取各光纤环区域的平均温度。为了提高测温精度，消除卫星在轨复杂环境因素的影响，提出在传感光纤首尾设计双参考点，实现参数实时修正。本文最后给出了双参考点铂电阻测温误差对系统测温精度的影响分析。

1 分布式光纤测温原理

从量子理论能级的观点看，拉曼散射是入射光与散射介质发生非弹性碰撞产生的。在非弹性碰撞时，光子与散射介质发生能量交换，光子不仅改变运动方向，同时光子的部分能量传递给分子，或是分子振动或转动将能量传递给光子，从而改变了光子的频率。其中，如果一部分光能转换为热振动，将发出一个比光源波长长的波，称为斯托克斯光；如果一部分热振动转换为光能，将发出一个比光源波长短的波，称为反斯托克斯光。因此，拉曼散射光波长与热能相关，即光强度与温度相关。

1.1 拉曼散射温度测量

假设光纤上位置L处温度为T，则通过耦合器、光电转换后接收到的斯托克斯光强信号为[13]

反斯托克斯光强信号为

式中：Ks、Kas为光电转换的响应度；S为后向散射因子；η01为耦合器的耦合系数；η02为光纤光检测耦合因子与耦合器反向分光比的乘积；vs、vas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率；a0s、a0as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射系数；fs、fas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的滤波因子；α0、αs、αas为入射光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤单位长度上的损耗系数；p0为光纤脉冲发射器注入光纤的脉冲能量值。

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为普朗克常数；Δv为拉曼散射频率；k为玻耳兹曼常数。

反斯托克斯光和斯托克斯光的光强比为

将式(3)和(4)代入式(5)得

从而得到关于温度T的计算公式

从上述推导可以得出：通过测量光强比R(T)，可以得到L处光纤的温度T。

1.2 光时域反射技术原理

分布式光纤测温系统中利用光时域反射技术进行光纤定位。激光脉冲在光纤传输过程中发生散射后，总有一部分后向散射光会沿着光纤反射回脉冲注入端，通过测量反射光的参数可以表征整条光纤的特性。

如图1所示[14]，在发送光脉冲时，数据处理端记录发送时间，数据采集电路按照一定的频率采集光脉冲经过光纤传输后散射回的光信号。数据处理端测量光强比获取温度信息，并记录接收时间。根据光脉冲发送时间、后向散射光接收时间以及光脉冲在光纤中的传输速度，即可计算出散射点的空间位置。

图1 光时域反射原理Fig.1 Principle of optical time domain reflection

假设在距离光纤脉冲注入端L处发生散射，并且从开始注入脉冲时计时，经过时间t在注入端接收到后向散射光，则有

L=vt/2

(8)

式中:v为光脉冲在光纤中的传播速度大小。

2 卫星分布式光纤测温系统设计

分布式光纤测温系统如图2所示，主要包括驱动电路、半导体激光器(PD)、耦合器、传感光纤、分光器、光滤波器、雪崩光电二极管(APD)、放大器，及数据采集和处理电路。

系统工作过程为：在同步脉冲的控制下，半导体激光器产生大功率的光脉冲并注入到传感光纤中，经过温度调制后的后向拉曼散射光经过光滤波器后，再经过APD、放大器，分别将转换后的斯托克斯光和反斯托克斯光电压信号送入数据采集电路，数据处理系统比较光强信号后计算得到被测光纤的温度分布信息。

传统的热敏电阻、铂电阻、热电偶等温度传感器，其测点的空间位置是可知的。而对于拉曼散射型光纤测温，每一时刻采集到的温度信息是某一段光纤上温度信号的累加值，即表征的是某一段光纤上的平均温度。通常用空间分辨率来表示传感器对沿光纤长度分布的温度场进行测量时所能分辨的最小空间单元。当传感光纤长度小于空间分辨率时，该传感光纤产生的背向拉曼散射信号会在系统测量端重叠，导致不能准确测温。

在渗漏监测、电缆测温、变压器绕组测温等[15]“线条式”分布应用中，要求尽可能提高空间分辨率，以便于精确定位温度异常点。领先水平的分布式光纤测温系统的空间分辨率可以达到1 m[7-8]，代表性的产品包括英国Sensornet公司的Sential DTS系列产品、神科光电公司的SNKOO系列产品等。

图2 卫星分布式光纤测温系统原理框图Fig.2 Principle diagram of distributed fiber temperature-measured system

而对于卫星大型SAR阵列、太阳帆板、大型天线的温度检测，除了提高空间分辨率外，更多关注“区域性”的平均温度。利用光纤测温沿光纤长度累加平均的特点，采用环绕式布线方式，可以快速测量环绕光纤的区域温度，测量所有区域的温度后可以得到全区域的温度梯度。每个环绕光纤的周长至少大于空间分辨率。

3 实时温度校准设计

实际应用中，通过式(7)计算得到温度是困难的，因为光纤测温系统中斯托克斯光和反斯托克斯光的频率、滤波因子、后向散射系数、损耗系数等均不是常数，而是会随环境温度、材料特性、弯曲等因素的变化而变化，有些甚至难以测算。所以，通常会在传感光纤中选取一段作为参考温度点，放入恒温槽中，通过已知的恒温槽温度和恒温槽位置处的光强比，消除斯托克斯光和反斯托克斯光频率、滤波因子、后向散射系数的影响[5]。但是，在卫星应用中，存在两个问题：

1) 卫星资源有限，无法设计安装恒温槽；

2) 卫星在轨环境变化剧烈、光纤环绕带来的附加损耗，以及辐射对光纤特性的影响，使光纤损耗系数无法采用经验值，必须在轨实时修正[16]。

对于问题1)，本系统采用沿环绕光纤多点分布的铂电阻测温代替恒温槽，如图2所示，在参考光纤环上布置若干个铂电阻测温点，经平均后作为参考点温度，将参考光纤环长度上的中心位置作为参考点的长度。

对于问题2)，与通常采用的单参考点设计不同[4]，本文提出了传感光纤首尾双参考点设计，分别测得参考点的光强比和温度，消除损耗系数的影响。

假设首参考点温度为T1，位置为L1，根据式(6)，光强比为

尾参考点温度为T2，位置为L2，根据公式(6)，光强比为

式(9)和式(10)相比，得到

在每个测量周期，损耗系数可近似为常数，因此

根据试验，传感光纤上各个温度点的误差不同，测温点距离参考点越远，误差越大[6]，需要根据待测点距离参考点的间距和光强信号衰减情况综合考虑，通过系统标定确定。

对于传感光纤上任意位置L处，若选择首参考点，则

将式(12)代入式(13)，经变换后得到

(14)

同理，若选择尾参考点，则有

(15)

在每个测量周期，分别测得首尾参考点的光强比和温度，根据式(14)或式(15)即可求得传感光纤上的温度分布。

为简化设计，传感光纤通常采用回路式布线，使首尾参考点处于相同的温度环境，如图3所示。令T0=T1=T2，式(14)和式(15)可分别简化为

图3 改进的回路式双参考点设计Fig.3 Improved double reference temperature design in loop scheme

4 系统测温精度分析

双参考点设计可以消除光纤损耗系数对测温精度的影响，而参考点铂电阻测温精度对系统精度也有较大的影响。当采集到的参考温度T0与实际温度有dT0的误差时，通过式(16)或式(17)计算得到的其他测量点温度T产生dT的误差。

只考虑参考温度对测温精度的影响，其他参数均做定值处理，对式(16)和式(17)求导可以得到

(18)

(19)

简化式(18)和式(19)可以得到

(20)

由式(20)可知：

1) 参考温度越高，系统测温误差越小，精度越高。因此，参考点可以设置于卫星舱体内温度较高且波动较小的区域，一般为20～40 ℃。

2) 待测温度绝对值越大，则测温误差越大。

3) 参考点测温精度越高，则系统测温精度越高。

四线制布线、恒流源激励的Pt100铂电阻温度采集系统测温精度优于0.1 ℃，在特定温度段，比如20～30 ℃范围内，通过标定，精度可以优于0.05 ℃甚至达到0.01 ℃。

参考温度分别为20 ℃和40 ℃，在-50～100 ℃测温范围内，当参考点测温精度为0.01 ℃、0.05 ℃和0.1 ℃时，系统测温精度变化如图4和图5所示。

图4 参考温度为30 ℃时测温精度与温度范围的关系Fig.4 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 30 ℃

图5 参考温度为40 ℃时测温精度与温度范围的关系Fig.5 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 40 ℃

可以看出，当参考点测温精度达到0.01 ℃时，在-50～100 ℃的温度范围内，参考点测温误差带来的系统测温误差小于0.1 ℃。考虑到传感光纤通常布置在星体外的大面积仪器设备中，用于低温加热控制时的温度测量，因此即使参考点测温精度为0.1 ℃，低温区段(低于25 ℃)的系统测温误差也小于0.1 ℃。综上分析，采用铂电阻代替恒温槽可以满足要求。

5 结束语

面对未来卫星大面积、高精度、轻质化的测温系统需求，本文提出了基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计，介绍了利用斯托克斯光和反斯托克斯光解析温度信息的原理，以及由光时域反射技术确定测量点位置的方法。

基于卫星应用的特殊性，提出在传感光纤首尾分别设置温度参考点，使首尾参考点处于同一温度环境中，利用铂电阻取代恒温槽获取参考点的温度。给出了基于双参考点的温度计算方法，可以消除卫星环境变化导致光纤损耗系数对温度测量的影响，实现在轨实时校准。同样的方法也适用于多个参考点的温度计算。

光源、光耦合器、光滤波器、光纤电缆等光学元器件的抗辐照性能是制约传感光纤系统在航天器高可靠、长寿命应用的关键。近些年，随着离子掺杂法、工艺控制法、包层控制法、预辐照法、光褪色法等主动抗辐加固技术的应用，部分光学元器件本身的抗辐射能力大幅提升。作为传感光纤在航天器的成功应用，国外已有光纤陀螺达到100 krad(Si)的抗辐指标。文献[8]中试验验证了在质子、中子、μ介子等辐射环境中，采用抗辐射多模光纤的测温系统在24 h内可以保持精确的测温性能，而文献[17-18]中则验证了γ射线、氢释放对斯托克斯光和反斯托克斯光损耗系数的不同衰减，对测温精度的影响。因此，光纤测温系统在复杂空间环境中的应用仍面临巨大的挑战，亟需推动光纤测温系统的搭载试验，验证辐射环境下温度计算模型可行性、系统长期稳定性和测量精度，为工程应用奠定基础。

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