CN108051019B - 高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置及解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置及其解调方法，高集成度设计：解调装置由电路模块、整体结构构成，具备8测量通道，各测量通道各测点10Hz～1KHz可配置解调速率，解调精度优于1pm，重复性1pm。本系统可实现卫星、载人/货运航天器、空间飞行器、移民舱等不同结构体力、热分布式监测，为航天器提供结构健康监测、结构损伤评估，为航天器在轨维护等提供测量数据支撑，具有广阔的推广前景和应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置及解调方法。
背景技术
如今，随着航天器在轨可维护技术发展，要求航天器实现在轨自主结构健康监测、评估，为航天器在轨维护提供数据支撑。光纤传感技术以无源、重量轻、可支持多参量一体化且易于实现高密度分布式监测等特点，广泛应用于民用领域，目前已突破民用领域应用限制，在航空航天领域凸显出巨大发展潜力，所以研制适于航天应用的光纤光栅解调装置成为该技术应用于航天器结构健康监测、评估及在轨维护的关键因素。
目前国内外普遍采用的光纤光栅解调装置特点为多通道低速或单通道高速，部分已成功应用于工业、军事领域，但是这些装置无法满足航天器对设备小型化、高集成，高可靠、适应空间环境的要求无法实现卫星、载人/货运飞船、深空探测器等航天器结构体力、热分布式检测。而高速、多通道微型化光纤光栅解调装置受到光纤环路高集成难度大、高精度拟合处理器资源开销大、空间环境适应性差等因素未实现实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术及应用限制，提供一种高速、多通道星载微型化光纤光栅解调装置，本装置可提供卫星、载人/货运飞船、深空探测器、外星居住基地等不同结构力、热参数一体化、分布式监测、结构损伤评估，为航天器在轨维护等提供数据支撑，具有广阔的推广前景和应用价值。
本专利所采用的技术解决方案如下：
一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，包含电路模块、整体结构，所述电路模块包含电源模块、光学模块和处理接口模块；
其中，电源模块，用于接收外部供电，为解调装置光学模块、处理接口模块提供所需的二次电源；
光学模块，用于光源驱动与控温、光波长扫描控制、光路分束、数据采集触发控制、光电转换与信号放大；
处理接口模块，用于1-8测量光路、参考光路信号采集、解调，解调数据存储、回传控制，总线接口控制，光学模块信号增益控制；
整体结构，用于电路模块各电路板卡固定、解调装置整机安装，同时提供抗力学、空间辐照加固。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，所述电源模块包含输入过流保护电路、抗浪涌电路、供电控制电路、EMI滤波电路、DC-DC变换电路，外部供电经输入依次经过过流保护电路、抗浪涌电路、供电控制电路、EMI滤波电路、DC-DC变换电路后输出多路二次电压供解调装置其它电路模块使用。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，所述光学模块包含光源、光源驱动、光源温控、可调谐光滤波器、光分路器、9通道光电探测及信号滤波、放大阵列、连接光纤；光源驱动为光源提供恒定供电电流，光源温控为光源提供实时温度监测与温度补偿，输出光源经过可调谐光滤波器扫描后输出梳妆光信号，经光分路器把光源功率按比例输出给参考通道和各测量通道，之后输出光信号经9通道光电探测及信号滤波、放大阵列处理输出给处理接口模块进行光波长解调。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，光源驱动与光源温控均包含光源温控和光源驱动电路。光源驱动为光源提供恒定供电电流，光源温控为光源提供实时温度监测与温度补偿。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，光源扫描采用可调谐光滤波器实现，F-P腔扫描带宽为1525nm～1565nm，F-P腔的扫描回程为1/5。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，9通道光电探测及信号滤波的9通道包含1个参考通道+8个测量通道。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，所述处理接口模块包含SOC处理器、9通道测量信号调理单元、模数转换单元、百兆以太网接口模块、1553B总线接口模块；来自光学模块的光9通道测量信号经信号调理单元后输入至模数转换单元，转换为数字量供SOC处理。百兆以太网接口模块和1553B总线接口模块分别用于已存储的各测点解调结果原始数据以及解调装置自身工作状态信息输出。
作为本发明的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置的进一步优选方案，SOC处理器采用低功耗、高集成度的SOC架构。
一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调方法，具体包含如下步骤：
步骤1：同步采样，接收光模块输出启动数据采集触发信号，启动参考及测量通道同步数据采集，单通道数据采样点数控制为2048，数据采样过程中采用双FIFO缓存，采样数据在采样控制信号控制下写入各通道对应的双FIFO数据缓冲，之后由数据总线控制将FIFO中数据传输到CPU中进行拟合及寻峰等解算处理；
步骤2：陷波点查找，遍历参考通道数据，在连续两个波峰宽度数据点间未找到有效波峰，且出现光谱最小值，即将该最小值作为参考通道陷波点，标定为陷波点波长；
步骤3：光谱分峰，动态识别各测量通道挂载传感器情况，扫描识别对应参考、测量通道光谱数据所包含的有效峰数量，按照传感器反射峰光谱宽度实现各反射峰分割，同时，若参考通道测量光谱判定失效，不再对该次各测量通道采集光谱数据进行解调，若通道挂载传感器分段集中，则对各测量通道测量数据进行合理性截取降低后续数据处理工作量；
步骤4：光谱拟合，FPGA将采集缓存的各个通道单次扫描数据传送至CPU，在CPU内实现数据拟合，并对拟合形成的光谱寻峰处理，确定光谱中心波长相对参考通道对应光波长偏移量；
步骤5：测量通道测点峰值检索，对各分段拟合光谱范围内数据进行检索寻找最大值，形成传感器编号对采样拟合点对应表；
步骤6：参考波长标定与光波长解调，按照已知的参考通道陷波点光波长与参考通道光梳妆滤波器光谱输出特性，完成参考通道各梳妆峰波长与拟合后采样点对应关系表，并形成与各测量通道各传感器对应关系表；将参考通道两个或若干个相邻波间可认为是短时线形，因此光波长长解调根据采样点范围选择对应参考通道光波长分段范围进行线形拟合处理，计算得到各测点光波长值；
步骤7：物理量解调，根据各通道各传感器标定时确认的物理量与波长对应关系表完成物理量解调，并根据不同传感器特性，采用相应的滤波处理后输出测量结果。
有益效果：
1、解调装置基于SOC技术实现数据处理高集成、高速和多通道传感，8测量通道高度集成、各测量通道10Hz～1KHz可配置解调速率，解调精度优于1pm，重复性1pm；
2、解调装置各测量通道采取可控增益放大实现外部各传感通道光扫描信号增益可控，从而适应不同类型及不同布设工况下航天器结构监测、结构损伤评估需求；
3、解调装置采用优化的多项式拟合算法、多通道多缓冲循环处理实现解调精度与解调速率的平衡，实现各通道不少于15个测点每测点10Hz～1KHz可配置解调速率，解调精度优于1pm，重复性1pm；
4、解调装置采用参考通道与测量通道并行解调方式通过测量通道实时监测结果，补偿外界环境对测量影响，保证系统定标精度。
附图说明
图1(a)为本发明解调设备外形主视图；
图1(b)为本发明解调设备外形侧视图；
图1(c)为本发明解调设备外形俯视图；
图2为本发明解调装置内部模块组成图；
图3为本发明数据分峰、拟合、解调流图；
图4为本发明数据处理流程时间分配图；
图5为本发明光栅反射波长解调过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示是解调装置外形尺寸三视图，介绍如下：
解调装置由电路模块、整体结构(含集成光纤连接接口)构成。其中电路模块由3个高集成电路模块(电源模块、光学模块、处理接口模块)构成，各模块间通过连接器实现信号传递与供电。整体结构由3个可堆叠电路模块结构以及上下盖板构成，装置外形尺寸大小为242mm×242mm×92mm(L×B×H)，总重不超过1.3kg。
如图2是解调装置内部各电路模块设计框图，集成设计说明如下：
(1)电源模块主要由输入过流保护、抗浪涌电路、供电控制电路、EMI滤波电路、DC-DC变换等电路构成。主要功能：单机加电浪涌电流抑制，一次电源到二次电源变换，光学模块与处理接口模块供电功能。
a)因光学模块需要二次电压输入较多，且光学模块由于光学器件集成、光电探测转换阵列集成器件布局紧凑，考虑光学模块散热设计和单机供电可靠性，将所需二次电压均由电源模块直接输出供给，电源模块采用两个电源变换模块输出所需二次电压，避免继续增大光学版供电设计占用空间，实现光学模块高集成。
b)因单机功耗较大，多个二次电压模块同时加电瞬间浪涌较大，采取一次电源输入端浪涌控制，±12V电源变换模块延迟上电方式进行浪涌控制。光学模块对±12V电源功率需求不平衡，因此采用增加匹配功率负载方式实现正负电源平衡功率匹配。
(2)光学模块集成光源，光源驱动，光源温控，可调谐光滤波器，1分2、1分8光分路器，9通道(1个参考通道+8个测量通道)光电探测及信号滤波、放大阵列，连接光纤以及其它辅助电路。主要实现光源驱动与控温、光源扫描驱动、数据采集触发控制、光电转换与信号放大等功能。
a)光源驱动与温控：电路的主要部分是恒温电路和光源驱动电路构成。光源的温度的变化能引起光源输出宽带光的光强和带宽的变化，从而导致系统不稳定，采用恒温控制，温度变化控制在0.2℃，采用温度制冷控制芯片等保持光源部分温度稳定，实现光源稳定输出。
b)光源扫描选用可调滤波器(F-P腔)实现，选用的F-P腔扫描带宽为1525nm～1565nm，F-P腔的扫描回程为1/5。
c)光电转换与信号放大：光强度(W)和电流(A)之间转换系数在1550nm附近较宽范围内比较接近，便于实现1525nm～1565nm范围内各光栅反射信号稳定增益，且在0.85以上。光电流放大采用二级放大及滤波调理电路实现，实现测量通道扫描反射光电探测信号放大至0.5V～2.5V范围。
d)数据采集触发信号：根据扫描驱动电压(当前扫描精准位置)向信号处理单元提供周期性数据采集触发脉冲信号，保证数据采集单元启动数据采集后连续2048点数据(2048点数据包含1个完整的测量通道扫描光谱)；
e)光路集成：实现1分2分光光路，1分8分光光路微集成，实现9通道(1个参考通道+8个测量通道)光路耦合探测；
f)同时，为降低温度带来的光模块输出光强和带宽变化影响，设计采用增加参考光通道形式解决，采用参考通道与测量通道并行解调方式保证系统定标精度，实施监测、补偿外界环境对测量影响。
(3)处理接口模块集成SOC处理器，9通道信号差分、模数转换单元，百兆以太网接口模块、1553B总线接口模块以及其它辅助电路，主要实现参考光路信号采集、解调，1-8测量光路信号采集、处理和数据存储、回传控制，总线接口控制、光学模块光信号放大增益控制等功能；
a)SOC处理器：采用低功耗、高集成度的SOC(CPU+FPGA组合)架构。最小系统由SOC处理器、DDR3SDRAM芯片、PROM、NADNFLASH、晶振构成，双ARM+FPGA结构实现进行数据乒乓缓冲处理。
b)9通道信号差分、模数转换单元：参考及测量通道信号跟随、隔离、滤波，信号采集控制，参考及测量通道测量数据循环缓冲控制、光波长解调，连续解调结果数字滤波处理。
c)数据存储与接口控制：实现原始解调结果数据存储控制，根据总线指令以百兆速率下行所存储数据，同时进行总线巡检、遥测回传、注入控制等。
如图3是算法及数据流控制图，介绍如下：
(1)同步采样控制：接收光模块输出启动数据采集触发信号，启动参考及测量通道同步数据采集，单通道数据采样点数控制为2048，1ms周期内完成参考通道及所有测量通道波长拟合处理；
(2)数据双缓冲控制：采用双FIFO缓存，采样数据在采样控制信号控制下写入各通道对应的双FIFO数据缓冲，之后由数据总线控制将FIFO中数据传输到CPU中进行拟合及寻峰等解算处理；此情况下，由FPGA分时将参考通道及测量通道的数据发送给FPGA进行解调解算，并将结果输出给FPGA进行缓冲、存储；
(3)陷波点查找：遍历参考通道数据，在连续两个波峰宽度数据点间未找到有效波峰，且出现光谱最小值，以该最小值对应位置即是参考通道陷波点，标定为陷波点波长；
(4)光谱分峰：动态识别各测量通道挂载传感器情况，扫描识别对应参考、测量通道光谱数据所包含的有效峰数量，按照传感器反射峰光谱宽度实现各反射峰分割，同时，若参考通道测量光谱判定失效，不再对该次各测量通道采集光谱数据进行解调，若通道挂载传感器分段集中，则可通过对各测量通道测量数据进行合理性截取降低后续数据处理工作量；
(5)光谱拟合：FPGA将采集缓存的各个通道单次扫描数据传送至CPU，在CPU内实现数据拟合，并对拟合形成的光谱寻峰处理，确定光谱中心波长相对参考通道对应光波长偏移量，从而计算当前测点温度及应变情况；
(6)峰值检索：对各分段拟合光谱范围内数据进行检索寻找最大值，形成传感器编号对采样拟合点对应表；
(7)参考波长标定：按照已知的参考通道陷波点光波长与参考通道光梳妆滤波器光谱输出特性，完成参考通道各梳妆峰波长与拟合后采样点对应关系表，并形成与各测量通道各传感器对应关系表；
(8)光波长解调：考虑光梳妆滤波器在整个谱段的非线形，但参考通道两个或若干个相邻波间可认为是短时线形，因此光波长长解调根据采样点范围选择对应参考通道光波长分段范围进行线形拟和处理；
(9)物理量解调：根据各通道各传感器标定时确认的物理量与波长对应关系表完成物理量解调，并根据不同传感器特性，采用相应的滤波处理后输出测量结果。
如图4是数据乒乓处理时间分配图，介绍如下：
在单词解调1ms周期内完成参考通道及所有测量通道波长拟合处理，而参考通道及所有测量通道的各自解调时间又分为T1～T6部分，各部分为：
(1)T1：CPU读取FPGA某通道原始数据；
(2)T2：CPU与FPGA握手确认；
(3)T3：单通道CPU波长解算；
(4)T4：CPU与FPGA握手确认；
(5)T5：CPU向FPGA发送解调结果；
(6)T6：CPU与FPGA握手确认本次单通道数据解调完成。
如图5是数据处理过程图，过程如下：
软件初始化后等待光模块发出采集触发信号指令控制9路AD对光模块输出的模拟电信号进行同步采集和数据截取缓冲控制，采样完成后，由CPU读取FIFO中的缓冲数据分别进行参考通道与传感测量通道的数据拟合，对两次拟合结果计算各峰值中心波长偏移量从而获得监测数据，并对解调数据进行存储。
Claims (8)
1.一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：包含电路模块、整体结构，所述电路模块包含电源模块、光学模块和处理接口模块；
其中，电源模块，用于接收外部供电，为解调装置光学模块、处理接口模块提供所需的二次电源；
光学模块，用于光源驱动与控温、光波长扫描控制、光路分束、数据采集触发控制、光电转换与信号放大；所述光学模块包含光源、光源驱动、光源温控；光源驱动为光源提供恒定供电电流，光源温控为光源提供实时温度监测与温度补偿，以使光源输出强度和带宽稳定的光源；
处理接口模块，用于1-8测量通道、参考通道信号采集、解调，解调数据存储、回传控制，总线接口控制，光学模块信号增益控制；同步采样，接收光学模块输出启动数据采集触发信号，启动参考及测量通道同步数据采集，单通道数据采样点数控制为2048，数据采样过程中采用双FIFO缓存，采样数据在采样控制信号控制下写入各通道对应的双FIFO数据缓冲，之后由数据总线控制将FIFO中数据传输到CPU中进行拟合及寻峰解算处理；陷波点查找，遍历参考通道数据，在连续两个波峰宽度数据点间未找到有效波峰，且出现光谱最小值，即将该最小值作为参考通道陷波点，标定为陷波点光波长；光谱分峰，动态识别各测量通道挂载传感器情况，扫描识别对应参考、测量通道光谱数据所包含的有效峰数量，按照传感器反射峰光谱宽度实现各反射峰分割，同时，若参考通道测量光谱判定失效，不再对该次各测量通道采集光谱数据进行解调，若测量通道挂载传感器分段集中，则对各测量通道测量数据进行合理性截取降低后续数据处理工作量；光谱拟合，FPGA将采集缓存的各个通道单次扫描数据传送至CPU，在CPU内实现数据拟合，并对拟合形成的光谱寻峰处理，确定光谱中心波长相对参考通道对应光波长偏移量；测量通道测点峰值检索，对各分段拟合光谱范围内数据进行检索寻找最大值，形成传感器编号对采样拟合点对应表；参考波长标定与光波长解调，按照已知的参考通道陷波点光波长与参考通道光梳状滤波器光谱输出特性，完成参考通道各梳状峰波长与拟合后采样点对应关系表，并形成与各测量通道各传感器对应关系表；将参考通道两个或若干个相邻波间认为是短时线形，因此光波长解调根据采样点范围选择对应参考通道光波长分段范围进行线形拟合处理，计算得到各测点光波长值；物理量解调，根据各测量通道各传感器标定时确认的物理量与波长对应关系表完成物理量解调，并根据不同传感器特性，采用相应的滤波处理后输出测量结果；
整体结构，用于电路模块各电路板卡固定、解调装置整机安装，同时提供抗力学、空间辐照加固。
2.根据权利要求1所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：所述电源模块包含输入过流保护电路、抗浪涌电路、供电控制电路、EMI滤波电路、DC-DC变换电路，外部供电经输入依次经过过流保护电路、抗浪涌电路、供电控制电路、EMI滤波电路和DC-DC变换电路后输出多路二次电源供解调装置其它电路模块使用。
3.根据权利要求1所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：所述光学模块还包含可调谐光滤波器、光分路器、9通道光电探测及信号滤波、放大阵列和连接光纤；输出的强度和带宽稳定的光源经过可调谐光滤波器扫描后输出梳状光信号，经光分路器把光源功率按比例输出给参考通道和各测量通道，之后输出光信号经9通道光电探测及信号滤波、放大阵列处理输出给处理接口模块进行光波长解调。
4.根据权利要求3所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：光源扫描采用可调谐光滤波器实现，F-P腔扫描带宽为1525nm～1565nm，F-P腔的扫描回程为1/5。
5.根据权利要求3所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：9通道光电探测及信号滤波的9通道包含1个参考通道+8个测量通道。
6.根据权利要求1所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：所述处理接口模块包含SOC处理器、9通道测量信号调理单元、模数转换单元、百兆以太网接口模块和1553B总线接口模块；来自光学模块的9通道测量信号经9通道测量信号调理单元后输入至模数转换单元，转换为数字量供SOC处理器处理；百兆以太网接口模块和1553B总线接口模块分别用于已存储的各测点解调结果原始数据以及解调装置自身工作状态信息输出。
7.根据权利要求6所述的高速、多通道星载微型光纤光栅解调装置，其特征在于：SOC处理器采用低功耗、高集成度的SOC架构。
8.一种高速、多通道星载微型光纤光栅解调方法，其特征在于：具体包含如下步骤：
步骤1：同步采样，接收光学模块输出启动数据采集触发信号，启动参考及测量通道同步数据采集，单通道数据采样点数控制为2048，数据采样过程中采用双FIFO缓存，采样数据在采样控制信号控制下写入各通道对应的双FIFO数据缓冲，之后由数据总线控制将FIFO中数据传输到CPU中进行拟合及寻峰解算处理；
步骤2：陷波点查找，遍历参考通道数据，在连续两个波峰宽度数据点间未找到有效波峰，且出现光谱最小值，即将该最小值作为参考通道陷波点，标定为陷波点光波长；
步骤3：光谱分峰，动态识别各测量通道挂载传感器情况，扫描识别对应参考、测量通道光谱数据所包含的有效峰数量，按照传感器反射峰光谱宽度实现各反射峰分割，同时，若参考通道测量光谱判定失效，不再对该次各测量通道采集光谱数据进行解调，若测量通道挂载传感器分段集中，则对各测量通道测量数据进行合理性截取降低后续数据处理工作量；
步骤4：光谱拟合，FPGA将采集缓存的各个通道单次扫描数据传送至CPU，在CPU内实现数据拟合，并对拟合形成的光谱寻峰处理，确定光谱中心波长相对参考通道对应光波长偏移量；
步骤5：测量通道测点峰值检索，对各分段拟合光谱范围内数据进行检索寻找最大值，形成传感器编号对采样拟合点对应表；
步骤6：参考波长标定与光波长解调，按照已知的参考通道陷波点光波长与参考通道光梳状滤波器光谱输出特性，完成参考通道各梳状峰波长与拟合后采样点对应关系表，并形成与各测量通道各传感器对应关系表；将参考通道两个或若干个相邻波间认为是短时线形，因此光波长解调根据采样点范围选择对应参考通道光波长分段范围进行线形拟合处理，计算得到各测点光波长值；
步骤7：物理量解调，根据各测量通道各传感器标定时确认的物理量与波长对应关系表完成物理量解调，并根据不同传感器特性，采用相应的滤波处理后输出测量结果。
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