衛星分布式光纖測溫系統技術研究

吳侃侃，楊 牧，陳 議，陳德相，魏曉陽

(上海衛星工程研究所，上海 201109)

0 引言

傳統的衛星溫度測量主要以負溫度系數熱敏電阻或鉑電阻作為溫度敏感器件，每個熱敏電阻或鉑電阻均需通過導線將信號送至采集系統，經分壓、通道選擇、AD變換后處理成數字信號。負溫度系數熱敏電阻全溫度范圍內的平均測量誤差約為0.5 ℃，鉑電阻測量誤差則優于0.1 ℃。

隨著航天技術的發展，尤其是大型合成孔徑雷達(SAR)天線、高精度光學載荷的應用，測溫點多達數百甚至數千。隨著測溫點的增多，附著在被測物上的測溫電纜質量成比例增加，使載荷的轉動慣量變大，衛星指向穩定度降低，同時電纜布線和工藝復雜度增大，已無法適應未來衛星輕質化的要求。以衛星常用的抗輻照交聯乙烯-四氟乙烯共聚物絕緣電纜為例，共計500個負溫度系數熱敏電阻測溫點，測溫點到溫度采集系統的平均距離假設為5 m，則僅附著在衛星載荷上的測溫電纜裸線質量就超過10.5 kg(標稱2.1 kg/km)，另外還需大量電纜包覆材料、固定卡箍、綁扎線等。若全部采用測溫精度更高的鉑電阻測溫，電纜質量將增加1倍。

在大面積三維溫度場測量中，希望獲取具有空間和時間連續性的全局溫度參數，便于衛星通過主動控溫方式確保全區域處于某一較穩定的溫度值，避免溫度梯度劇烈變化，同時作為地面載荷探測元素反演的重要輸入。這種應用需求是傳統的溫度敏感器件“定點式”測量難以滿足的。

分布式光纖測溫是一種實時、連續測量空間溫度場分布的技術，被認為是應用最為成功、廣泛的分布式測量技術[1]。光纖測溫系統具有抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣、耐高壓、測溫精度高、質量輕、容易安裝布線、可以連續快速遠距離測溫等優點。具有抗輻照能力的成品星載多模光纜質量指標≤25 kg/km，實際使用200 m光纜質量僅為5 kg。而且只要在光纖測溫長度范圍內，光纖長度的變化不影響采集系統。與電阻式測溫系統相比，光纖測溫在電纜質量、布線、測溫精度和靈活度等方面具有明顯優勢。

在光纖測溫系統中，光纖既是傳輸介質也是傳感介質，激光脈沖注入傳感光纖中，向前傳輸時將會發生瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。瑞利散射信號較強，但對溫度不敏感；布里淵散射對溫度和應力都敏感，但容易受外界環境干擾，信號剝離難度大；拉曼散射只與溫度有關，并且相對容易獲取和分析，因此得到普遍應用[2-3]。

對于光纖后向拉曼散射信號，溫度解調通常是建立在一個精確的參考光纖溫度基礎上實現的。參考光纖溫度測量精度對于保證系統的測溫精度至關重要。文獻[4]中提出了基于拉曼散射的光纖測溫原理和系統設計，給出了通過測量參考光纖溫度進行光纖溫度解算的方法。文獻[5]中提出采用多點平均提高參考光纖測溫精度，從而提高系統測溫精度。文獻[6]中試驗說明，選取合適的參考光纖校準溫度、參考光纖長度、距離參考光纖的間距可以提高測溫精度。利用光時域反射技術可以對測量點進行精確定位。文獻[7]中在26 km單模光纖上測溫空間分辨率為1 m，而文獻[8]中采用抗輻射多模光纖，空間分辨率達0.5 m、最大測溫誤差小于0.5 ℃。

光纖測溫技術已廣泛應用于電力電纜[9]、油氣開采[10]、煤礦[11]等領域，文獻[2]中對應用情況進行比較全面的梳理。文獻[12]中詳細描述了發電機定子溫度監測設計中，采用基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統取代傳統的鉑電阻局部測溫，獲取連續的溫度參數構建定子三維溫度模型。

光纖測溫系統應用于衛星時，衛星資源有限，無法采用復雜的校準系統，而且衛星在軌后環境遠比地面惡劣，光纖特性參數變化快，必須具備在軌實時自主校準的能力。利用光纖測溫沿光纖長度累加平均的特點，本文提出環繞式布線方式的衛星光纖測溫系統，在光纖環上布置若干個鉑電阻測溫取代恒溫環境作為參考溫度，有效獲取各光纖環區域的平均溫度。為了提高測溫精度，消除衛星在軌復雜環境因素的影響，提出在傳感光纖首尾設計雙參考點，實現參數實時修正。本文最后給出了雙參考點鉑電阻測溫誤差對系統測溫精度的影響分析。

1 分布式光纖測溫原理

從量子理論能級的觀點看，拉曼散射是入射光與散射介質發生非彈性碰撞產生的。在非彈性碰撞時，光子與散射介質發生能量交換，光子不僅改變運動方向，同時光子的部分能量傳遞給分子，或是分子振動或轉動將能量傳遞給光子，從而改變了光子的頻率。其中，如果一部分光能轉換為熱振動，將發出一個比光源波長長的波，稱為斯托克斯光；如果一部分熱振動轉換為光能，將發出一個比光源波長短的波，稱為反斯托克斯光。因此，拉曼散射光波長與熱能相關，即光強度與溫度相關。

1.1 拉曼散射溫度測量

假設光纖上位置L處溫度為T，則通過耦合器、光電轉換后接收到的斯托克斯光強信號為[13]

反斯托克斯光強信號為

式中：Ks、Kas為光電轉換的響應度；S為后向散射因子；η01為耦合器的耦合系數；η02為光纖光檢測耦合因子與耦合器反向分光比的乘積；vs、vas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率；a0s、a0as分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的后向散射系數；fs、fas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的濾波因子；α0、αs、αas為入射光、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纖單位長度上的損耗系數；p0為光纖脈沖發射器注入光纖的脈沖能量值。

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為普朗克常數；Δv為拉曼散射頻率；k為玻耳茲曼常數。

反斯托克斯光和斯托克斯光的光強比為

將式(3)和(4)代入式(5)得

從而得到關于溫度T的計算公式

從上述推導可以得出：通過測量光強比R(T)，可以得到L處光纖的溫度T。

1.2 光時域反射技術原理

分布式光纖測溫系統中利用光時域反射技術進行光纖定位。激光脈沖在光纖傳輸過程中發生散射后，總有一部分后向散射光會沿著光纖反射回脈沖注入端，通過測量反射光的參數可以表征整條光纖的特性。

如圖1所示[14]，在發送光脈沖時，數據處理端記錄發送時間，數據采集電路按照一定的頻率采集光脈沖經過光纖傳輸后散射回的光信號。數據處理端測量光強比獲取溫度信息，并記錄接收時間。根據光脈沖發送時間、后向散射光接收時間以及光脈沖在光纖中的傳輸速度，即可計算出散射點的空間位置。

圖1 光時域反射原理Fig.1 Principle of optical time domain reflection

假設在距離光纖脈沖注入端L處發生散射，并且從開始注入脈沖時計時，經過時間t在注入端接收到后向散射光，則有

L=vt/2

(8)

式中:v為光脈沖在光纖中的傳播速度大小。

2 衛星分布式光纖測溫系統設計

分布式光纖測溫系統如圖2所示，主要包括驅動電路、半導體激光器(PD)、耦合器、傳感光纖、分光器、光濾波器、雪崩光電二極管(APD)、放大器，及數據采集和處理電路。

系統工作過程為：在同步脈沖的控制下，半導體激光器產生大功率的光脈沖并注入到傳感光纖中，經過溫度調制后的后向拉曼散射光經過光濾波器后，再經過APD、放大器，分別將轉換后的斯托克斯光和反斯托克斯光電壓信號送入數據采集電路，數據處理系統比較光強信號后計算得到被測光纖的溫度分布信息。

傳統的熱敏電阻、鉑電阻、熱電偶等溫度傳感器，其測點的空間位置是可知的。而對于拉曼散射型光纖測溫，每一時刻采集到的溫度信息是某一段光纖上溫度信號的累加值，即表征的是某一段光纖上的平均溫度。通常用空間分辨率來表示傳感器對沿光纖長度分布的溫度場進行測量時所能分辨的最小空間單元。當傳感光纖長度小于空間分辨率時，該傳感光纖產生的背向拉曼散射信號會在系統測量端重疊，導致不能準確測溫。

在滲漏監測、電纜測溫、變壓器繞組測溫等[15]“線條式”分布應用中，要求盡可能提高空間分辨率，以便于精確定位溫度異常點。領先水平的分布式光纖測溫系統的空間分辨率可以達到1 m[7-8]，代表性的產品包括英國Sensornet公司的Sential DTS系列產品、神科光電公司的SNKOO系列產品等。

圖2 衛星分布式光纖測溫系統原理框圖Fig.2 Principle diagram of distributed fiber temperature-measured system

而對于衛星大型SAR陣列、太陽帆板、大型天線的溫度檢測，除了提高空間分辨率外，更多關注“區域性”的平均溫度。利用光纖測溫沿光纖長度累加平均的特點，采用環繞式布線方式，可以快速測量環繞光纖的區域溫度，測量所有區域的溫度后可以得到全區域的溫度梯度。每個環繞光纖的周長至少大于空間分辨率。

3 實時溫度校準設計

實際應用中，通過式(7)計算得到溫度是困難的，因為光纖測溫系統中斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率、濾波因子、后向散射系數、損耗系數等均不是常數，而是會隨環境溫度、材料特性、彎曲等因素的變化而變化，有些甚至難以測算。所以，通常會在傳感光纖中選取一段作為參考溫度點，放入恒溫槽中，通過已知的恒溫槽溫度和恒溫槽位置處的光強比，消除斯托克斯光和反斯托克斯光頻率、濾波因子、后向散射系數的影響[5]。但是，在衛星應用中，存在兩個問題：

1) 衛星資源有限，無法設計安裝恒溫槽；

2) 衛星在軌環境變化劇烈、光纖環繞帶來的附加損耗，以及輻射對光纖特性的影響，使光纖損耗系數無法采用經驗值，必須在軌實時修正[16]。

對于問題1)，本系統采用沿環繞光纖多點分布的鉑電阻測溫代替恒溫槽，如圖2所示，在參考光纖環上布置若干個鉑電阻測溫點，經平均后作為參考點溫度，將參考光纖環長度上的中心位置作為參考點的長度。

對于問題2)，與通常采用的單參考點設計不同[4]，本文提出了傳感光纖首尾雙參考點設計，分別測得參考點的光強比和溫度，消除損耗系數的影響。

假設首參考點溫度為T1，位置為L1，根據式(6)，光強比為

尾參考點溫度為T2，位置為L2，根據公式(6)，光強比為

式(9)和式(10)相比，得到

在每個測量周期，損耗系數可近似為常數，因此

根據試驗，傳感光纖上各個溫度點的誤差不同，測溫點距離參考點越遠，誤差越大[6]，需要根據待測點距離參考點的間距和光強信號衰減情況綜合考慮，通過系統標定確定。

對于傳感光纖上任意位置L處，若選擇首參考點，則

將式(12)代入式(13)，經變換后得到

(14)

同理，若選擇尾參考點，則有

(15)

在每個測量周期，分別測得首尾參考點的光強比和溫度，根據式(14)或式(15)即可求得傳感光纖上的溫度分布。

為簡化設計，傳感光纖通常采用回路式布線，使首尾參考點處于相同的溫度環境，如圖3所示。令T0=T1=T2，式(14)和式(15)可分別簡化為

圖3 改進的回路式雙參考點設計Fig.3 Improved double reference temperature design in loop scheme

4 系統測溫精度分析

雙參考點設計可以消除光纖損耗系數對測溫精度的影響，而參考點鉑電阻測溫精度對系統精度也有較大的影響。當采集到的參考溫度T0與實際溫度有dT0的誤差時，通過式(16)或式(17)計算得到的其他測量點溫度T產生dT的誤差。

只考慮參考溫度對測溫精度的影響，其他參數均做定值處理，對式(16)和式(17)求導可以得到

(18)

(19)

簡化式(18)和式(19)可以得到

(20)

由式(20)可知：

1) 參考溫度越高，系統測溫誤差越小，精度越高。因此，參考點可以設置于衛星艙體內溫度較高且波動較小的區域，一般為20～40 ℃。

2) 待測溫度絕對值越大，則測溫誤差越大。

3) 參考點測溫精度越高，則系統測溫精度越高。

四線制布線、恒流源激勵的Pt100鉑電阻溫度采集系統測溫精度優于0.1 ℃，在特定溫度段，比如20～30 ℃范圍內，通過標定，精度可以優于0.05 ℃甚至達到0.01 ℃。

參考溫度分別為20 ℃和40 ℃，在-50～100 ℃測溫范圍內，當參考點測溫精度為0.01 ℃、0.05 ℃和0.1 ℃時，系統測溫精度變化如圖4和圖5所示。

圖4 參考溫度為30 ℃時測溫精度與溫度范圍的關系Fig.4 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 30 ℃

圖5 參考溫度為40 ℃時測溫精度與溫度范圍的關系Fig.5 Measurement accuracy versus temperature range when reference temperature is 40 ℃

可以看出，當參考點測溫精度達到0.01 ℃時，在-50～100 ℃的溫度范圍內，參考點測溫誤差帶來的系統測溫誤差小于0.1 ℃?？紤]到傳感光纖通常布置在星體外的大面積儀器設備中，用于低溫加熱控制時的溫度測量，因此即使參考點測溫精度為0.1 ℃，低溫區段(低于25 ℃)的系統測溫誤差也小于0.1 ℃。綜上分析，采用鉑電阻代替恒溫槽可以滿足要求。

5 結束語

面對未來衛星大面積、高精度、輕質化的測溫系統需求，本文提出了基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統設計，介紹了利用斯托克斯光和反斯托克斯光解析溫度信息的原理，以及由光時域反射技術確定測量點位置的方法。

基于衛星應用的特殊性，提出在傳感光纖首尾分別設置溫度參考點，使首尾參考點處于同一溫度環境中，利用鉑電阻取代恒溫槽獲取參考點的溫度。給出了基于雙參考點的溫度計算方法，可以消除衛星環境變化導致光纖損耗系數對溫度測量的影響，實現在軌實時校準。同樣的方法也適用于多個參考點的溫度計算。

光源、光耦合器、光濾波器、光纖電纜等光學元器件的抗輻照性能是制約傳感光纖系統在航天器高可靠、長壽命應用的關鍵。近些年，隨著離子摻雜法、工藝控制法、包層控制法、預輻照法、光褪色法等主動抗輻加固技術的應用，部分光學元器件本身的抗輻射能力大幅提升。作為傳感光纖在航天器的成功應用，國外已有光纖陀螺達到100 krad(Si)的抗輻指標。文獻[8]中試驗驗證了在質子、中子、μ介子等輻射環境中，采用抗輻射多模光纖的測溫系統在24 h內可以保持精確的測溫性能，而文獻[17-18]中則驗證了γ射線、氫釋放對斯托克斯光和反斯托克斯光損耗系數的不同衰減，對測溫精度的影響。因此，光纖測溫系統在復雜空間環境中的應用仍面臨巨大的挑戰，亟需推動光纖測溫系統的搭載試驗，驗證輻射環境下溫度計算模型可行性、系統長期穩定性和測量精度，為工程應用奠定基礎。

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