基于光纤复用技术的弹体表面场参数组网测量技术

2018-05-05 08:18张声艳王健康欧连军冯忠伟
宇航计测技术 2018年2期
关键词:环境参数弹体传感

张声艳 王健康 欧连军 冯忠伟

(中国运载火箭技术研究院研究发展中心,北京 100076)

1 引 言

导弹在大气外飞行时,根据环境参数性质,弹体设计所考虑的环境因素主要包括:温度、高低压、振动、冲击、过载及噪声、电磁环境等。导弹武器对环境条件的适应程度,直接关系着导弹武器能否正常工作并击中目标。传统战略导弹武器环境参数主要有温度、应变、压力、振动等,测量系统测点多且相对独立,电缆网重量大,量程余量较大,精度偏低,给数据处理和数据分析带来了较大困难。随着战略导弹武器技术的快速发展,对弹体表面环境参数测量提出了新的要求。目前,国外针对环境参数的测量正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段,其中数字化、智能化、网络化是其突出特点。

相对于传统的电学类传感器,光纤传感器具备独特的优势且拥有强大的复用能力,可以实现传感器的大规模复用[1]。本文采用基于光纤复用技术的环境参数测量网络化设计思路,设计了一种多环境参数一体化分布式测量方案,能够实现对弹体飞行过程中表面温度、压力、应变等多环境参数的一体化同时测量,为减少弹体体积重量,实现弹体小型化、轻型化提供新的技术途径[2,3]。

2 光纤传感网络及复用技术

目前,现有的光纤传感网络主要分为准分布式和全分布式传感系统两类。其中,准分布式传感系统是采用无源方式将多个光纤传感器串联起来,它们共用一个或多个传输通道,并且传感器之间工作相互独立;全分布式传感系统是一种连续无缝式的分布式传感网络,典型代表有基于布里渊散射、瑞利散射以及拉曼散射的全分布式光纤传感网络等。

2.1 准分布式光纤传感系统

准分布式传感系统是在多个空间位置设置单点传感器,它们共用一个或多个传输通道,其能同时监测到多个已知点的传感器工作状态,从而实现离散多点监测的目的,图1所示为准分布式光纤传感系统原理框图[4]。准分布式光纤传感系统是一种高精度和多参数测量的分布式网络系统,并且具有实时性高和信号处理简单的特点。与单一传感器相比,准分布式光纤传感系统较为复杂,但具有低成本和多点测量的优势;与全分布式传感系统相比,不能实现连续无缝测量而只能实现多点离散测量。

图1 准分布式传感系统工作原理示意图Fig.1 Working principle of the quasi distributed sensor system

2.2 全分布式光纤传感系统

全分布式光纤传感技术是基于工程应用中的OTDR(光时域反射仪)技术发展起来的,OTDR是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的仪表[5]。全分布式光纤传感系统如图2所示,利用传输光纤作为外界传感元件和传输通道,通过OTDR技术获取光纤上的外界参量信息。

图2 全分布式传感系统工作原理示意图Fig.2 Working principle of distributed sensor system

2.3 光纤传感复用技术

关于光纤传感复用技术,国内外目前提出多种方案,包括时分复用(TDM)技术、波分复用(WDM)技术、空分复用(SDM)技术及混合复用(WDM+TDM+SDM)技术等[6,7],但尤其以波分复用技术和空分复用技术使用最为广泛。

强度解调型的光纤传感器,是通过传感器输出光强与腔长之间的对应关系实现解调,因此其复用只能通过信号的波长特征进行复用解调,这种复用称之为波分复用,其工作原理示意如图3所示,区别于标准的强度解调系统,强度解调型的光纤传感器所用光源为宽带光源,使用波分复用器取代普通分束器,同时使用了单色滤波器F,F一般布置于各接受器前面。

图3 波分复用解调工作原理示意图Fig.3 Principle of demodulation of wavelength division multiplexing

对于位相解调型光纤传感器,直接利用条纹计数解调法是无法实现复用的,但若利用相关原理的位相解调方法,只要在空间尺度上各传感器的腔长存在一定的差异性,那么就可以采用并联式空分复用的方法实现复用,其原理如图4所示。

图4 空分复用解调工作原理示意图Fig.4 Principle of demodulation of space division multiplexing

3 弹体表面场参数组网测量系统设计

要实现对多种物理量的同时测量,只需对同一种光纤传感器改变封装即可,如光纤光栅可测量的物理量包括:压力,应变,温度,位移,加速度等。然而,并不是所有的光纤传感器都可以纳入同一个光纤网络,这是由光纤传感器原理的多样性所决定的。依据调制方式的不同,光纤传感器大致可以分为:强度型,相位(干涉)型以及波长型,几乎每一种传感器都对应有一种乃至几种不同的信号解调方法[8]。目前广泛研究和使用的传感器主要是光纤布拉格光栅(FBG)和外腔式法珀干涉仪(EFPI),这两种传感器中,FBG是波长调制型的光纤传感器,EFPI是干涉型的光纤传感器,而将这两种传感器纳入同一个传感器网络一直都是研究人员努力的方向。

3.1 理论分析

以弹体表面应变、温度、压力测量为例,目前现有光纤传感器无法实现多参数一体化测量,因此,设计的多参数光纤测量网络需要同时包含光纤应变传感器、光纤压力传感器以及光纤温度传感器。从解调原理来看,EFPI干涉型光纤传感器的尺寸与FBG波长调制型光纤传感器相近,都兼容于光纤,在信号解调原理方面与FBG相似,能够与FBG纳入同一个光纤网络。因此将这两种性能互补、解调原理相同的传感器组成一个网络,可以组成实现对多种物理量同时测量的传感器网络。

针对弹体表面不同测点、不同参数的测量要求,采用不同功能的光纤传感器组网测量,光纤传感网络中使用了FBG、低精细度法珀传感器(EFPI)和高精细度法珀传感器(HFPI)三种传感器,其工作原理分别是波长调制型传感器,双光束干涉型传感器,和多光束干涉型传感器。为了同时解调波长调制型、双光束干涉型,和多光束干涉型传感器,采用光谱测量的技术,通过对传感器的光谱测量和分析,从而解调出被测的压力、温度、应变等参数,光纤传感网络中使用的传感器及其解调原理详见表1所示。

表1 光纤传感网络中使用的传感器及对应解调原理

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

3.2 系统组成

以弹体表面应变、温度、压力测量为例,基于多参数的光纤传感网络测量系统如图5所示。基于光纤复用技术,采用WDM及SDM原理,实现光纤组网测量系统,主要包括控制器、锯齿波发生器、波长扫描光纤激光器、耦合器、16通道耦合器组、实现不同功能测量的传感器节点。

图5中,通过波长扫描激光器和标准具获得所有传感器的光谱,利用空分复用技术将测量系统扩展到16通道,同时测量16通道信号的光谱。每个通道的波长扫描范围超过60nm,单个通道最多可以复用30只FBG传感器(每个FBG传感器需占用一定的带宽,约为1nm~2nm,此外两相邻FBG间距最好在1nm左右),或多只FBG传感器及一只低精细度的EFPI传感器组合,或一只高精细度的HFPI传感器,通过不同的传感器组合分布,可以实现整个光纤传感网络测量系统中传感器总共复用数量大于320只,相对传统电学传感器,测量系统重量减轻近50%,为节省弹体体积重量提供了解决途径。

其中,传感器的测量采用光谱测量技术,通过对传感器的光谱测量和分析,解调出被测的压力、温度、应变等参数,因此获取每只传感器的光谱就是信号解调的关键。为此,光源使用宽波长扫描光纤激光器,波长扫描范围最大可以达到80nm,但宽波长范围的扫描不容易保证光源光谱的平坦度,因此系统中将波长扫描范围设置为60nm,能够保证光源光谱的平坦度优于1dB;同时,为了避免在用白光干涉测量技术解调干涉型传感器时条纹对比度变化造成对解调的困扰,在扫描激光的输出端,取出2%的光作为参考光,直接探测,来反应光源的功率变化。将探测到的每一路传感器的光谱信号都除以参考光,对信号做归一化处理后,就能有效避免光源可能的功率变化、光谱不平坦等因数造成对测量的影响。

图5 16通道传感网络信号解调工作原理示意图Fig.5 Signal demodulation working principle of 16 channel sensor network

4 弹体表面场参数组网测量系统关键技术分析

采用光纤复用技术实现弹体表面环境参数的大规模组网测量,其优势不言而喻,但是真正工程应用时需要考虑两个方面的因素,一是弹体表面环境参数测点的联合布局设计,二是传感器网络大容量数据的信息融合设计[2]。

4.1 高精度环境参数测点联合布局优化设计

理论上要实现弹体大容量光纤网络设计是可行的,但实际操作时要有针对性的根据导弹环境参数力学模型和热学模型及仿真结果,开展全弹的高精度环境参数测点联合布局优化设计,统筹优化全弹测点布局。一是要从测量实现难度和代价两方面统筹考虑,合并环境参数模型中测量较为接近的测点,明确一体化测量设计方案。二是根据测点布局方案,开展基于内埋光纤网络的分布式环境参数测量关键技术攻关,既要做到不影响弹体力学性能的优点,又要实现全弹环境参数一体化网络测量,实现力学参数和热学参数的协同测量和大数据采集。

4.2 光纤网络中测量信息融合设计

采用光纤网络测量导弹环境参数,将会产生大量传感器测量信息,如何对不同类别测量参数进行解耦和分解,并将同类别环境参数的数据进行信息融合设计是光纤网络大数据处理的关键。通过采用成熟的经典数据融合算法,开展多信息源数据融合架构和层次设计,形成先进导弹环境参数大容量测量数据的融合和处理方案。其中,信息融合设计需要考虑两个方面因素:首先要考虑多个光纤传感器测点所得观测数据的不一致性及不完整性问题,由于传感器使用的环境具有一定不确定性,加之传感器本身的系统误差,这将导致传感器所得观测数据含有各种噪声成分,因此对于多传感器信息融合设计过程,需要对不一致、不完整的数据进行有效处理,确保信息融合结果真实反映客观事实;其次是要考虑光纤传感器多个测点所存在的信息融合损失问题,由于传感器的缺陷或环境等因素的影响,传感器无法采集到适合于融合的信息,从而导致融合很难进行或失败。

5 弹体表面场参数组网测量应用分析

在弹体上应用时,涉及到监测弹体多个测点、多种参数的组网测试,因此,其组网实施方案需要根据弹体的监测要求来布点。在工作温度变化大位置、或者测量参数变化微弱的参数,可以考虑采用光纤法珀温度、压力、应变传感器器;在温度变化范围小或温度在160℃以内,或者被测参数变化大的情况下,可以考虑铺设光纤光栅温度、应变传感器。

实际组网测量中,需从测量实现难度和代价两方面统筹考虑,合并环境参数模型中测量较为接近的测点,从而制定一体化测量设计方案。方案实施思路如下:首先需要根据弹体确认需要监测的位置和参数,每个测量位置的工作环境(主要是温度),监测参数的大致范围,以及

测量精度的要求,然后根据传感器的特点,选择相应的传感器;确定传感器类型和数量后,需要设计传感器的复用方式,比如,一根光纤上连接几个传感器,连接什么样的传感器,共计需要几个通道,每个通道的光谱范围怎样分配,光纤在弹体内部的走线方式等;最后根据光纤所连接传感器的情况,修改相应的软件,以便解调出对应通道的传感器。

6 结束语

本文采用基于光纤复用技术的环境参数测量网络化设计思路,通过开展导弹环境参数高精度分布式测量技术研究,设计了一种基于WMD+SDM的多参数同时测量的大容量光纤传感网络,可实现对导弹飞行过程中压力、应变、温度等力学和热学环境参数的大规模组网测量,为有效满足弹体小型化、轻型化、抗电磁干扰及减少弹体体积重量提供了新的思路及解决途径。

[1] 綦菲.基于微结构光纤的干涉型温度和应变传感器研究[D].中国计量学院,2013.

[2] 张博明,郭艳丽.基于光纤传感网络的航空航天复合材料结构健康监测技术研究现状[J].上海大学学报(自然科学版),2014(20)1:33~42.

[3] 郑文宁,祝连庆,庄炜等.高冗余光纤光栅传感网络的设计与实验研究[J]半导体光电,2016(36)6:906~910.

[4] 吴飞,蔡璐璐,李志全.分布式应变传感器的研究[J]. 仪器仪表学报,2005:26.

[5] 于涛.分布式光纤应变传感系统设计与研究[D].燕山大学,2005.

[6] 林干.大容量光纤光栅传感网络微弱光信号检测技术的研究[D].武汉理工大学,2013.

[7] 任文华.智能光纤传感网络中关键器件的研制和应用[D].北京交通大学,2009.

[8] 姜德生,范典,梅加纯.基于FBG传感器的分复用技术[J].激光与光电子学进展,2005,42(4):14~19.

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