基于微型光譜儀的光纖壓力高速解調技術

劉彥超,申爭光,時兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

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基于微型光譜儀的光纖壓力高速解調技術

劉彥超,申爭光,時兆峰,苑景春,柏 楠

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

為解決高超聲速飛行器中大氣壓力傳感系統的多通道、高精度、強環境適應性等技術需求問題,具有耐高溫、易組網、高靈敏度、抗電磁干擾等優點的光纖壓力傳感技術成為航空航天壓力傳感領域的重要研究方向。提出一種基于微型光譜儀的光纖壓力高速解調技術,該技術采用基于體相位光柵和線陣光電探測器的微型光譜儀作為光譜探測單元、Actel公司的片上SoC電路系統作為智能信息處理單元,融合數字濾波、線性擬合、曲線尋峰、信號重構等數據處理算法,完成光纖壓力傳感器高速解調系統研制,并搭建壓力檢測實驗平臺。試驗結果表明:系統的壓力測量范圍優于260kPa,測量精度接近0.1% F.S.,分辨率為10Pa,動態響應可達5kHz。

Fabry-Perot;光纖壓力傳感;體相位光柵;線陣光電探測;光譜分析

0 引言

Fabry-Perot(F-P)光纖壓力傳感器具有體積小、質量小、測量靈敏度高、抗干擾、環境適應能力強等諸多優點,非常適用于航空航天、石油化工等應用環境惡劣,且對壓力傳感的精度和解調速度要求又非常高的領域：如高超聲速飛行器的大氣壓力測量領域面臨的高溫、高速和強電磁干擾等嚴酷復雜環境;又如石油天然氣勘探、儲備領域面臨的長距離監測、安全性要求高,易燃易爆、強腐蝕等特殊的環境。而傳統的諧振式、壓阻式、電容式等各類壓力傳感器大多帶電,且信號傳輸復雜,很難應用于上述惡劣環境。但光纖F-P壓力傳感器本質安全,除了具有上述優點外,另外還能夠僅通過一根光纖完成壓力傳感和數據的傳輸,對被測介質影響小、便于復用、成網,有利于與現有光通信設備組成遙測網和光纖傳感網絡等優點,因此光纖F-P壓力傳感技術已經成為航空航天、石化、電力、核工業等領域中壓力監測技術的重要研究方向。

1991年,美國Murphy等首次成功研制出非本征型光纖F-P傳感器[1];從1992年Murphy等在F-15戰機上對非本征型F-P傳感器進行疲勞測試研究開始[2],全世界迅速掀起了光纖F-P傳感器研究應用的熱潮,代表性的有1994年Greene等使用6只光纖F-P壓力傳感器組成傳感器陣列對副翼進行測試,測量結果與箔應變計結果非常接近[3]。2002年,Pullian等對光纖F-P壓力傳感器在渦輪發動機及高速燃燒室中的應用進行探討,并完成了對跨聲速風扇的測試,該傳感器的測量范圍為0～750psi,響應頻率大于150kHz,常溫下滿量程精度達到1%[4]。2003年 Luna Innovation公司 Elster等探索光纖F-P壓力傳感器在飛行器健康監測系統中的應用,并在美國波音公司等地展開實驗測試[5]。2004年,Richards等對內嵌式光纖F-P應變傳感器在航天級復合材料結構中的特性進行了研究[6]。2010年,NASA資助VIP Sensors公司進行光纖壓力傳感器陣列研發,測量飛機飛行時的氣流壓力[7]。目前越來越多的企業、研究單位進入到光纖傳感領域,其作為新一代傳感技術、國防科工關鍵技術,對國家工業和武器裝備綜合實力的發展具有戰略意義。

目前光纖F-P壓力解調技術有相位解調、強度解調、頻率解調和波長解調等方法。其中波長解調技術將感測的傳感器光信息進行波長編碼,對光源輸出功率的穩定性要求不高,可以忽略對光纖連接器和耦合器的損耗,因此得到了廣泛的應用。國外從20世紀90年代初就展開了對波長解調技術的研究,各種解調技術被相繼提出,例如邊緣濾波線性解調法:結構簡單,靈敏度高,可以測量高頻響應信號,但只能單點測量;匹配濾波法:結構簡單,成本低,但檢測波長范圍窄,只能單點測量;非平衡M-Z干涉法:靈敏度高,但只能測量動態應變,不能應用于絕對測量;光纖F-P濾波器解調法:精度高、穩定性好,但受其本身機械結構制約,被檢測信號的頻率范圍受到很大限制。綜上,本文采用基于微型光譜儀的波長解調方法,其具有速度快、精度高、體積小、波長范圍寬等優點,但因為微型光譜儀內部線陣光電探測器數量限制,需要高效的數據算法處理離散的光譜信息,因此尋峰算法是精準確定波譜峰值的關鍵。

本文在分析光纖F-P壓力傳感器原理的基礎上,對光纖F-P壓力解調理論和方法進行了研究,針對采用微型光譜儀技術的光譜解調方案,設計了光譜解調信息處理模塊,通過分析光纖F-P壓力傳感器的反射光譜特點,設計優化了光譜尋峰算法,最終完成解調設備研制和實驗驗證。

1 光纖F-P壓力傳感器傳感原理分析

系統采用非本征型光纖F-P壓力傳感器,其內部結構如圖1所示。

光纖F-P壓力傳感器是由2個平行的光學平面構成光學諧振腔,即如圖1所示光纖端面與彈性膜片之間構成的法珀腔,膜片感受壓力的變化后會發生彎曲變形,變形的膜片導致法珀腔長度發生變化,進而會引起光在光纖中傳播的性質(如強度、相位、波長等)發生變化,從而達到傳感的目的。通過測量光纖F-P壓力傳感器輸出的高反射鏡間光的多次反射構成的多光束干涉，形成的光譜信號就可以得到外部壓力的變化。

光纖F-P壓力傳感器所受壓力與腔長之間的關系可以表示為

(1)

式中,v代表光纖材料的泊松比,E代表光纖材料的楊氏模量,P代表傳感器所受壓力,h代表薄膜的厚度,r代表膜片的有效半徑,Δd是腔長的變化量。

當光纖壓力傳感器受到的壓力變化時,反射光譜圖中的每一個譜峰波長λ,都對應一個干涉級次m,當腔長d變化Δd時,m對應的λ值就會移動Δλ,其關系可以表示為

(2)

因此光纖F-P壓力傳感器通過采用MEMS加工技術準確設置傳感器的腔長和薄膜厚度,保證相鄰譜峰之間的波長差大于微型光譜儀探測范圍,則微型光譜儀只能探測到干涉級次為某一個特定值下的譜峰波長,通過光譜分析,確定光譜的單峰峰值波長,監測其位置的變化,根據式(2)得出傳感器腔長的移動,再根據式(1)就能得到外界壓力的變化,光譜波形如圖2所示。

2 光纖F-P壓力傳感系統解調光路設計

系統采用基于全息體相位光柵(VPHG)和銦砷化鎵(InGaAs)線陣光電探測器的微型光譜儀來實現光電信息轉換。此方案具有測量速度快、體積小、測量波長范圍寬、成本較低等優點。其原理如圖3所示。其工作模式為:入射光經過準直透鏡L1變為平行光,平行光垂直入射到衍射光柵上,衍射光柵的每條狹縫都將產生單縫干涉,并且來自不同狹縫的相干光進行相干疊加發生多縫干涉,因此透射式衍射光柵的衍射為多縫干涉和單縫衍射疊加的結果。當用復色光照射時,除零級衍射光外,不同波長的同一級衍射光不重合,于是衍射光柵就將不同波長的光分開了,不同波長光譜線的分開程度隨著衍射級次的增大而增大,對于同一衍射級次而言,波長大的出射角度大,波長小的出射角度小。衍射角相同的所有衍射光被透鏡L2匯聚于光電傳感器上一點,相干疊加的結果決定了此點處的光強。最終通過光電探測器陣列不同位置的光強大小,可以將反射光譜實現記錄與再現。

3 光纖F-P壓力傳感系統信息處理模塊設計

針對飛行器上大氣壓力傳感系統和各行業應用現場對光纖F-P壓力傳感系統高速、高精度的要求,系統采用Actel系列高速智能型混合信號SoC,Actel新一代SoC技術具有明顯減小控制芯片占用面積、低成本、低功耗、高安全、單芯片、上電即行等優點,芯片內部FPGA最高速度可達350MHz,ARM速度為100MHz,其在模數混合FPGA的基礎上融入了高效的Cortex M3 ARM內核,該內核屬于硬核,不占用FPGA的邏輯資源,使芯片不僅具有FPGA高速并行的優勢,而且可以發揮ARM靈活控制的特點。解調系統中FPGA的工作主要有:為系統其他模塊提供時鐘信號,控制與接收AD模塊信息,對采集到的數據進行平滑濾波處理消除噪聲等;ARM負責對采集到的數據進行復雜的算法運算,尋找光纖壓力傳感器反射光譜的峰值位置,對傳感器數據信息進行數據重構,進而推算外界參量的變化等,可編程的模擬模塊實現對系統進行溫度補償,提升系統精度和環境適應能力。

根據HAMAMATSU公司線陣光電轉換陣列提供的最高5MHz時鐘頻率,以及模擬電壓信號輸出范圍,通過指標閉合,選擇ADI公司為CCD陣列專門優化的模數轉換芯片AD9826KRSZ,其通過多路復用方式接入一個高性能16位20MHz的模數轉換器(ADC),工作模式與線陣光電探測器相匹配,可以采用3V/5V數字電源,并且功耗低、發熱小、性能穩定,能夠達到系統對模數轉換的所有要求。

信號處理電路數據流簡圖如圖4所示。

4 光譜數據尋峰算法設計

4.1 光譜數據預處理

根據圖2可見光纖F-P壓力傳感器反射光譜波形特點:光譜數據中波峰個數少,且波峰窄,包含波峰的數據占數據整體的比例很小,大量噪聲數據的存在,對系統尋峰精度沒有貢獻,且需要占用大量的運算時間和存儲空間,因此對光譜數據進行處理之前,需要對其進行數據預處理。

系統采用數據預處理方法首先是設定閾值。閾值設定的原則為能夠去除不必要的信息,而且盡量減少對有效光譜數據造成的損耗。本文系統采用光譜數據平均值加標準差的方式,通過大量實驗光譜數據計算,最終確定閾值的大小。

計算出閾值后,通過對閾值以上的多個數據數組進行半坡寬度計算,最終能夠保證僅留下峰值有效數據。尋峰擬合算法只采用最終保留的有效數據,此方法對減小數據量,提升系統運行效率非常有效。

4.2 曲線擬合

由于線陣光電探測器陣列像元數目有限,不可能無限增多,因此探測到的光譜數據是離散的,又因線陣光電傳感器陣列平均每一像元對應的分辨率遠遠不能達到系統要求,因此需要將線陣光電探測器的光譜響應與像元位置序號之間的離散序列關系進行擬合,提高測量精度。

光纖F-P壓力傳感器光譜數據處理中常用質心法、高斯擬合法、多項式擬合法、三次樣條擬合法和半峰檢測等算法;在文獻[8]中比較了不同數據個數下各種算法的性能,實驗結果表明:三次樣條擬合敏感度較低; 半峰檢測法抗噪性能較差[9]；而高斯擬合算法的精度和穩定性能較好,誤差小。另外根據實驗數據統計顯示的光纖F-P壓力傳感器光譜特點,利用反射波峰上7個采樣點數據擬合精度最高。系統采用最小二乘原理結合高斯擬合算法對光譜數據進行擬合。

光纖壓力傳感器的反射光譜曲線接近高斯分布,曲線可以用高斯函數近似表達為

(3)

可以將高斯函數變形為

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

(4)

采用最小二乘法作曲線擬合,有利于減小隨機性測量誤差,其原理是使光譜數據與擬合曲線誤差最小,即誤差平方和e最小

(5)

通過求(5)的極值即可獲得最小二乘最佳擬合曲線。

5 實驗平臺搭建和實驗數據分析

5.1 光纖F-P壓力傳感實驗系統搭建

實驗平臺采用Druck的ADTS405 Air Data Test System 作為壓力源對光纖F-P壓力傳感器施加準確的壓力。為保證實驗環境的氣密性,采用航天專用氣咀連接ADTS 405壓力源和光纖F-P壓力傳感器。實驗采用的光纖F-P壓力傳感器壓力取值范圍為80～260kPa時,光譜峰值波長變化范圍約為1535～1565nm,實驗采用寬帶光源的光譜平坦區間為1510～1580nm,能夠滿足光纖F-P壓力傳感器波長漂移的最大范圍。

光纖F-P壓力高速解調系統實驗平臺如圖5所示,其工作過程為:光源將寬帶光通過環形器射向光纖F-P壓力傳感器,F-P壓力傳感器會將與其受到壓力呈線性關系的光譜信號反射回來,經過環形器進入到光電信息處理模塊中,光在模塊內部經第3節所述光路解調后變為模擬電壓信號,模擬電壓信號經過第4節所述信息處理單元,進行第5節所述運算后最終得到外界氣壓的變化。

5.2 實驗數據分析

將光纖壓力高速解調系統與高精度光譜儀連接同一只光纖F-P壓力傳感器,分別進行進程和回程壓力解調實驗,不同壓力值對應的高速解調系統尋出光譜峰值波長和高精度光譜儀尋出光譜峰值波長數據如表1所示。

表1 壓力與光譜峰值波長對應表

根據表1數據,進程和回程壓力值對應的光譜波長的系統測量結果與光譜儀測量結果如圖6、圖7所示。根據圖中數據,在壓力檢測范圍內,系統與高精度光譜儀測量結果基本一致,系統測量進程、回程最小二乘擬合曲線分別為:

y1=-6.8845x+10838

(6)

y2=-6.8872x+10842

(7)

光譜儀測量壓力進程、回程最小二乘擬合曲線分別為:

y1=-6.8867x+10841

(8)

y2=-6.8824x+10834

(9)

系統測量結果與光譜儀測量結果基本一致,且壓力進程和回程測量結果一致。系統測量壓力-波長擬合曲線進程和回程線性度R≈1 。將擬合曲線橫坐標和縱坐標轉換,得到其壓力靈敏系數約為1.45Pa/pm,根據高速壓力解調系統1pm的波長分辨率,若傳感器壓力分辨率足夠高,系統壓力分辨率能夠達到1.45Pa。

將壓力進程和回程光譜峰值數據取平均值后,與相應壓力值擬合曲線為

y3=-6.8859x+10840

(10)

將光譜峰值進程和回程數值代入擬合曲線(10)計算出的壓力值和傳感器實際感受到壓力值的差值如圖8所示。誤差分析表明,系統測量壓力最大誤差控制在0.3kPa以內,系統壓力測量精度接近0.1% F.S. 。另外按照256像元線陣光電探測器最快5MHz的時鐘頻率,動態響應最快可達17kHz,考慮系統對測量振動的需求和系統穩定性需求,又因系統設計FPGA和ARM協同工作的高效模式,系統最終通過算法處理后動態響應能夠達到5kHz。

6 結論

本文通過對光纖F-P壓力傳感器的機理進行研究,針對其反射光譜特點和壓力解調方法,提出并設計了基于微型光譜儀和Actel 公司SoC片上系統的便于飛行器上應用的光纖F-P壓力高速解調系統,搭建壓力檢測實驗平臺進行進程、回程壓力測量實驗,實驗結果表明:本文設計系統精度達到0.1%F.S.,分辨率達到10Pa。此外高速解調系統除可應用于壓力傳感領域,還可配合光纖溫度、應變、加速度、振動等多種光學傳感器應用于其他各領域。

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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

國家自然科學基金(61401414)

劉彥超(1989-),男,在讀研究生,主要從事光纖傳感方面研究工作。E-mail:lyc2588@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.016

TN253

A

2095-8110(2017)04-0103-06