一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪的制作方法

1.本发明属于光纤光栅测温技术领域，特别涉及一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，主要应用于实现卫星在轨运行期间仪器设备的温度场监测。


背景技术：

2.随着航天领域的发展变革，多点测温需求越来越多，对卫星关键设备进行温度检测，可以及时发现设备存在的问题，提前预警、有效预防和减少故障发生，同时可以帮助我们了解设备的运行状态，为设备的维护和故障诊断提供帮助。
3.自1989年以来，光纤光栅传感器在世界范围内受到了广泛重视，得到了持续发展，光纤光栅具有较强的抗电磁干扰能力，且温度在较大范围内与光纤光栅的波长具有较好的线性关系。光纤光栅反射光谱会随着外界物理参数(如温度)的变化而发生横向移动，但光谱形状不发生改变，因此，当外界温度发生变化时，可以通过测量光纤光栅反射光谱中心波长变化量，间接测量出温度变化量。因此为了实现卫星的多点温度测量，可在卫星舱内和天线板等位置铺设光纤光栅温度传感网络，来监测卫星各部分结构温度变化。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，特别是一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，这种光纤光栅测温解调具有测量范围宽、布设灵活重量轻，非常适合用于航天器大型精密结构大范围多点测温度的场合。
5.本发明提供的技术方案如下：
6.一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，包括：二次电源组件、2块互为冷备份的信号处理与接口电路板、2块互为冷备份的光源驱动电路板、2个主备份光源模块、2路二级温控系统和1块探测器电路板；
7.所述二次电源组件用于将系统工作供电电压转换为二次电压，
8.所述2块互为冷备份的信号处理与接口电路板用于光电数据和温度数据的采集及控制、向光源驱动电路板输出电压控制信号并提供对外通信接口；
9.所述2块互为冷备份的光源驱动电路板用于向光源提供稳定的驱动电流；
10.所述主备份光源模块用于在驱动电流的驱动下，发出不同波长的光照射在光纤光栅上；
11.所述2路二级温控系统用于控制对光源模块的加热，并控制光源管芯的温度；
12.所述探测器电路板对反射光进行光电转换，探测器输出的电信号强弱指示着反射光的强弱，解算后输出光纤光栅反射光谱数据的中心波长，再根据中心波长确定当前温度。
13.根据本发明提供的一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，具有以下有益效果：
14.(1)本发明在结构设计上满足其各组成部分的安装固定要求，保证信号处理与接口电路、光源模块、电源模块等紧固安装，同时把光学模块与光源驱动电路与电源隔开，有
利于减少电源发热对光源驱动电路的影响；。
15.(2)本发明在光源驱动电路设计上，采用“d/a+i/v+v/i”方式，可实现对光源的光功率调谐和光波长调谐；另一方面在元器件选用上，全部采用国产和进口插拔替换封装，即适用高可靠空间型号使用，又可原位替换成低成本器件，推广应用到更多型号，减少设计成本。
16.(3)本发明的光源二级温控采用固体及继电器配合加热片的数字温控方式，与以往模拟温控相比，控制更灵活，精度更高，且可融入模糊和pid算法，温控适应性更强，很大程度上将光源外部温度范围缩窄，有效提高了光源输出波长的稳定性。
17.(4)本发明在系统组成上采用重要电路重要模块采取冷备份的模式，减少单点失效概率，大大提高产品可靠性，更适用高要求长寿命的场合。
18.(5)本发明在供电系统设计上，采取主份电源给信号处理与接口的电路和主份光源驱动电路供电，主份供电前加肖特基二极管进行隔离；备份电源给备份信号处理与接口的电路和备份光源驱动电路供电，备份供电前加肖特基二极管进行隔离；主备份各加二极管隔离后互联同时给探测器电路板供电，主备份二极管隔离设计，有效避免潜通路发生。
19.(6)本发明在信号处理与接口电路设计中，采用双存储器模式，即prom+flash。将dsp程序中的算法段和数据段分别存储在prom和flash中，其中将数据段复制三份，分别存储在flash内部三个不同的地址处，上电后通过程序控制，不断比较flash三个地址处数据段程序一致性，其目的在于防止flash芯片被粒子打翻造成数据段程序永久丢失。
附图说明
20.图1为光纤光栅测温系统组成示意图；
21.图2为本发明的结构组成示意图；
22.图3为本发明的组成逻辑框图；
23.图4为本发明的供电框图；
24.图5为本发明的信号处理与接口电路示意图；
25.图6为本发明的光源驱动电路示意图；
26.图7为本发明的光源温控电路示意图；
27.图8为本发明的探测器电路示意图。
具体实施方式
28.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
29.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
30.本发明提供了一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，光纤光栅测温解调仪和光纤光栅测温传感器阵列组成了光纤光栅测温系统，见图1。光纤光栅测温传感器安装于待测物体表面，光纤光栅测温解调仪为光纤光栅测温系统的核心，主要完成光纤测温传感器的信号采集、处理和传输等功能。
31.光纤光栅测温解调仪是基于sg-dbr扫频激光器解调技术实现的，fpga(a54sx72a-cq208b)接收dsp指令后，发送数字电压信号至d/a转换电路，电压信号依靠光源驱动电路转换为电流信号驱动激光器进行扫频，不同电流组合对应不同激光器输出波长，扫频光依次照射在光纤测温传感器上，反射光依次经过环形器由探测器电路进行光电转换，探测器输出的电信号强弱指示着反射光的强弱，电信号由a/d采集电路进行采集，送至dsp(ft-c6701v-a)进行算法拟合，确定出离散的光纤光栅反射光谱数据的中心波长，再根据中心波长确定当前温度。
32.图2为光纤光栅测温解调仪的结构组成示意图，在结构设计上满足其各组成部分的安装固定要求，保证信号处理与接口电路、光源模块、电源模块等紧固安装，同时把光学模块与光源驱动电路与电源隔开，有利于减少电源发热对光源驱动电路的影响。
33.图3为光纤光栅测温解调仪的组成逻辑框图。为提高系统可靠性，本发明对二次电源组件、信号处理与接口电路板、光源及其驱动电路板进行了主备份设计。具体地，所述光纤光栅测温解调仪，包括：二次电源组件、2块互为冷备份的信号处理与接口电路板、2块互为冷备份的光源驱动电路板、2个光源模块(主份和备份)、2路二级温控系统、1块探测器电路板、1个光学耦合器、2个电连接器、8个光连接器、信号处理与接口电路支撑板、光纤热缩管支撑板、解调仪本体和上下盖板。
34.二次电源组件
35.二次电源组件包括1块二次电源电路板(含主份和备份)、独立于二次电源电路板安装的2套emi滤波器、2套dc/dc电源模块(均含主份和备份)和8只肖特基二极管；二次电源电路板上设置主备份“过流保护电路”、“浪涌抑制及通断电控制电路”和“主备份电源开关控制电路”，一次电源经过流保护、浪涌抑制、emi滤波和dc/dc电源模块变换后转化为解调仪需要的二次电源，同时响应主备份电源开机和关断指令。
36.如图4所示，二次电源组件供电分两种：一种为30v系统工作供电电压，另一种为30v遥控供电电压。一方面，30v系统工作电压进入二次电源组件后分为两路，一路经过主份“过流保护电路”保护后进入主份“浪涌抑制及通断电控制电路”，另一路经过备份“过流保护电路”保护后进入备份“浪涌抑制及通断电控制电路”；另一方面，30v遥控供电和外部的开关机指令经过“主备份开关机控制电路”后同时作用到主份和备份的“浪涌抑制及通断电控制电路”，“主备份电源开关控制电路”通过控制主份和备份的“浪涌抑制及通断电控制电路”开启与否实现系统的开关机功能；当开机指令有效时，经过了过流保护和浪涌抑制后的30v系统工作电压进入emi滤波器的“滤波电路”进行滤波，再之后进入dc/dc电源模块的“二次电源转换电路”将一次30v电压分别转换为二次+5v和-5v电压，最后再经过8只肖特基二极管隔离处理后给后级其他电路板供电。
37.两块互为冷备份的信号处理与接口电路板
38.如图3和图5所示，两块互为冷备份的信号处理与接口电路板包括：看门狗和上电复位模块、电平转换模块、rs422通信模块、a/d采集模块、5路d/a转换和调理模块、dsp+fpga+flah+prom最小系统模块和温控模块。
39.看门狗和上电复位模块，用于实现看门狗和上电复位；
40.电平转换模块，用于将二次电源组件输出的二次5v电压转换为信号处理与接口电路板内部需要的电压；
41.rs422通信模块，用于实施1路rs-422标准串口通信；
42.a/d采集模块，用于实现对多支如20支探测器采集和多路如2路温度信号的采集；
43.5路d/a转换和调理模块，用于产生5路电压控制信号给光源驱动电路；
44.模拟开关控制模块，用于产生8路模拟开关切换信号给探测器电路实现对多支如20支探测器和多路如2路温度信号的选通；
45.温控模块，用于向二级温控系统的加热片输出1路温控信号，实现光源二级温控；
46.dsp+fpga+flah+prom最小系统模块，所述prom和flah用于存储dsp的算法段和数据段，算法段用于解调光纤光栅的温度，数据段为光纤光栅传感器的参数；
47.所述fpga接收dsp指令，发送数字电压信号至5路d/a转换和调理模块，电压信号依靠光源驱动电路转换为电流信号驱动激光器进行扫频，不同电流组合对应不同激光器输出波长，扫频光依次照射在光纤测温传感器上，反射光依次经过环形器由探测器电路进行光电转换，探测器输出的电信号强弱指示着反射光的强弱，电信号由a/d采集模块进行采集，送至dsp(ft-c6701v-a)进行算法拟合，确定出离散的光纤光栅反射光谱数据的中心波长，再根据中心波长确定当前温度。
48.信号处理与接口电路板的供电来自二次电源组件，a/d采集模块的信号来自探测器电路、rs422通信模块的信号来自对外电连接器，5路d/a转换和调理模块去往光源驱动电路、8路模拟开关切换信号去往探测器电路，1路温控信号去往二级温控系统的加热片。
49.dsp采用国防科大生产的ft-c6701v-a，使用dsp芯片的xf0引脚实现喂狗功能，该芯片的时钟主频最高能到167mhz，32位浮点计算能满足多只温度传感器温度解调算法高速计算需求。fpga选用进口的a54sx72a-cq208b，fpga是信号处理与接口电路的重要组成部分，用于完成a/d数据采集和模拟开关通道切换、对外控制d/a输出、对外串口通信接口，完成与dsp的接口和外部存储器读写控制功能，并输出温度控制信号。存储器选用prom+flash。prom容量为32k
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8bit，flash容量为16mbit。将dsp程序中的算法段和数据段分别存储在prom和flash中，其中将数据段复制三份，分别存储在flash内部三个不同的地址处，上电后通过程序控制，不断比较flash三个地址处数据段程序一致性，其目的在于防止flash芯片被粒子打翻造成数据段程序永久丢失。
50.光源驱动电路板和光源模块
51.如图3和图6所示，光源驱动电路板和光源模块一起组成一个完整的功能模块。其中光源驱动电路板包括5路压控电流源电路和1路光源管芯温控电路；信号处理与接口电路板上的5路d/a转换和调理模块包括5路d/a转换电路、5路i/v调理放大电路，d/a转换电路接收信号处理与接口电路输出的数字量，经d/a转换后输出相应的电流至i/v调理放大电路，经i/v调理放大电路处理后发送至压控电流源电路，压控电流源电路将电压转换为电流，向光源模块提供稳定的驱动电流；5路d/a转换电路-i/v调理放大电路-压控电流源电路分别控制半导体光放大器、增益区、相位区、左光栅区、右光栅区5路电流源，实现光功率调谐和光波长调谐。
52.光源温控设计上，采用“一级模拟温控+二级数字温控”的方式，光源管芯温控电路为一级模拟温控系统，用于控制光源管芯的温度，见图7；光源管芯温控电路包括采温电桥电路、运放调理电路、pid反馈电路、帕尔贴驱动电路和采样电路；电源模块中的热敏电阻经采温电桥电路后连接运放调理电路，运放调理电路输出连接2路帕尔贴驱动电路和电源模
块中的帕尔贴，采样电路采集帕尔贴的电压通过pid反馈电路传输给运放调理电路实现温度的闭环反馈。也就是说，光源驱动电路的主要功能是实现一级模拟温控控制光源管芯温度并为光源提供五路稳定的驱动电流，实现光功率调谐和光波长调谐。
53.二级温控系统
54.2路二级温控系统为数字温控，包括主份光源二级温控系统和备份光源二级温控系统，其作用是缩小光源外界环境温度，使得光源输出波长更稳定；每路二级温控系统包括1只采温电阻、2片串联的加热片和一套温控电路；主备份采温电阻和加热片分别安装在光源模块的结构件上，温控电路的采温电路在探测器电路板上、温控模块在信号处理与接口电路板上，采温电阻的两根信号线双绞后连接探测器电路板上“采温电路”，后经模拟开关和电压跟随电路后输出给信号处理与接口电路板的“a/d采集模块”，dsp读取a/d数据后转换为温度，经温控算法后控制加热片是否加热。
55.探测器电路板
56.如图8所示，探测器电路板包括多只如20只pin-fet光电探测器、2只16选1模拟开关、2路用于二级温控的采温电路、预留信号采集电路以及电压跟随电路。pin-fet光电探测器、采温电路及预留信号采集电路连接至2只16选1模拟开关，2只16选1模拟开关选通后，电压信号传输至电压跟随电路，输出给信号处理与接口电路板的“a/d采集模块”，用于确定当前温度。
57.光纤光栅能够对特定波长的光进行反射处理，反射光通过环形器进入相应的光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号送信号处理与接口电路进行解调。所述的探测器电路板，供电来自二次电源组件，8路模拟开关切换信号来自信号处理与接口电路板，温度信号来自于2路采温电路，20路探测器光纤连接200只光栅返回的光信号，模拟开关输出信号经过跟随后输出给信号处理与接口电路板上的a/d采集模块。
58.光学耦合器
59.光学耦合器模块主要功能是连接2个光源和多串如20串光纤光栅以及多路如20路光电探测器，光纤光栅解调仪需要对20通道，每通道10只传感器进行测量。光源通过2
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20的耦合器分成20路光，通过环形器，进入对应的测量通道。
60.电连接器和光连接器
61.电连接器和光连接器包括2个电连接器和5个光连接器。其中电连接器用于外部供电、以及遥控指令、对外通信和遥测电压等信号的传输；光连接器用于连接20串光纤光栅测温传感器。
62.信号处理与接口电路支撑板、光纤热缩管支撑板、解调仪外框本体和上下盖板一起构成解调仪的结构支撑。在元器件选用上，所有电路板全部采用国产和进口插拔替换封装，即适用高可靠空间型号使用，又可原位替换成低成本器件，推广应用到更多型号，减少设计成本。
63.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
64.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，包括：二次电源组件、2块互为冷备份的信号处理与接口电路板、2块互为冷备份的光源驱动电路板、2个主备份光源模块、2路二级温控系统和1块探测器电路板；所述二次电源组件用于将系统工作供电电压转换为二次电压，所述2块互为冷备份的信号处理与接口电路板用于光电数据和温度数据的采集及控制、向光源驱动电路板输出电压控制信号并提供对外通信接口；所述2块互为冷备份的光源驱动电路板用于向光源提供稳定的驱动电流；所述主备份光源模块用于在驱动电流的驱动下，发出不同波长的光照射在光纤光栅上；所述2路二级温控系统用于控制对光源模块的加热，并控制光源管芯的温度；所述探测器电路板对反射光进行光电转换，探测器输出的电信号强弱指示着反射光的强弱，解算后输出光纤光栅反射光谱数据的中心波长，再根据中心波长确定当前温度。2.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述二次电源组件包括1块二次电源电路板、独立于二次电源电路板安装的2套主备份emi滤波器、2套主备份dc/dc电源模块和8只肖特基二极管；二次电源电路板上设置主备份过流保护电路、浪涌抑制及通断电控制电路和主备份电源开关控制电路；系统工作电压进入二次电源组件后分为两路，一路经过主份过流保护电路保护后进入主份浪涌抑制及通断电控制电路，另一路经过备份过流保护电路保护后进入备份浪涌抑制及通断电控制电路；遥控供电和外部的开关机指令经过主备份开关机控制电路后同时作用到主份和备份的浪涌抑制及通断电控制电路，主备份电源开关控制电路通过控制主份和备份的浪涌抑制及通断电控制电路开启与否实现系统的开关机功能；当开机指令有效时，经过了过流保护和浪涌抑制后的系统工作电压进入emi滤波器的滤波电路进行滤波，再之后进入dc/dc电源模块的二次电源转换电路将一次系统工作电压电压分别转换为二次+5v和-5v电压，最后再经过8只肖特基二极管隔离处理后给后级其他电路板供电。3.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述两块互为冷备份的信号处理与接口电路板包括：看门狗和上电复位模块、电平转换模块、rs422通信模块、a/d采集模块、5路d/a转换和调理模块、dsp+fpga+flah+prom最小系统模块和温控模块；看门狗和上电复位模块，用于实现看门狗和上电复位；电平转换模块，用于将二次电源组件输出的二次5v电压转换为信号处理与接口电路板内部需要的电压；rs422通信模块，用于实施1路rs-422标准串口通信；a/d采集模块，用于实现对多支如20支探测器采集和多路如2路温度信号的采集；5路d/a转换和调理模块，用于产生5路电压控制信号给光源驱动电路；模拟开关控制模块，用于产生8路模拟开关切换信号给探测器电路实现对多支如20支探测器和多路如2路温度信号的选通；温控模块，用于向二级温控系统的加热片输出1路温控信号，实现光源二级温控；dsp+fpga+flah+prom最小系统模块，所述prom和flah用于存储dsp的算法段和数据段，算法段用于解调光纤光栅的温度，数据段为光纤光栅的参数；所述fpga接收dsp指令，发送
数字电压信号至5路d/a转换和调理模块，电压信号依靠光源驱动电路转换为电流信号驱动激光器进行扫频，不同电流组合对应不同激光器输出波长，扫频光依次照射在光纤光栅上，反射光依次经过环形器由光电探测器电路进行光电转换，光电探测器输出的电信号强弱指示着反射光的强弱，电信号由a/d采集模块进行采集，送至dsp进行算法拟合，确定出离散的光纤光栅反射光谱数据的中心波长，再根据中心波长确定当前温度。4.根据权利要求3所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述fpga选用a54sx72a-cq208b芯片；和/或所述dsp选用ft-c6701v-a芯片。5.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述光源驱动电路板包括5路压控电流源电路；信号处理与接口电路板上的5路d/a转换和调理模块包括5路d/a转换电路、5路i/v调理放大电路，d/a转换电路接收信号处理与接口电路输出的数字量，经d/a转换后输出相应的电流至i/v调理放大电路，经i/v调理放大电路处理后发送至压控电流源电路，压控电流源电路将电压转换为电流，向光源模块提供稳定的驱动电流；5路d/a转换电路-i/v调理放大电路-压控电流源电路分别控制半导体光放大器、增益区、相位区、左光栅区、右光栅区5路电流源，实现光功率调谐和光波长调谐。6.根据权利要求5所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述光源驱动电路板还包括1路光源管芯温控电路，用于控制光源管芯的温度；光源管芯温控电路包括采温电桥电路、运放调理电路、pid反馈电路、帕尔贴驱动电路和采样电路，电源模块中的热敏电阻经采温电桥电路后连接运放调理电路，运放调理电路输出连接2路帕尔贴驱动电路和电源模块中的帕尔贴，采样电路采集帕尔贴的电压通过pid反馈电路传输给运放调理电路实现温度的闭环反馈。7.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述2路二级温控系统为数字温控，包括主份光源二级温控系统和备份光源二级温控系统，每路二级温控系统包括1只采温电阻、2片串联的加热片和一套温控电路；主备份采温电阻和加热片分别安装在光源模块的结构件上，温控电路的采温电路在探测器电路板上、温控模块在信号处理与接口电路板上，采温电阻的两根信号线双绞后连接探测器电路板上采温电路，后经模拟开关和电压跟随电路后输出给信号处理与接口电路板的a/d采集模块，dsp读取a/d数据后转换为温度，经温控算法后控制加热片是否加热。8.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述探测器电路板包括多只如20只pin-fet光电探测器、2只16选1模拟开关、2路用于二级温控的采温电路、预留信号采集电路以及电压跟随电路。pin-fet光电探测器、采温电路及预留信号采集电路连接至2只16选1模拟开关，2只16选1模拟开关选通后，电压信号传输至电压跟随电路，输出给信号处理与接口电路板用于确定当前温度。9.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述光纤光栅测温解调仪还包括光学耦合器模块，用于连接光源和多串光纤光栅以及多路光电探测器。10.根据权利要求1所述的空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，其特征在于，所述光纤光栅测温解调仪还包括2个电连接器和5个光连接器，其中电连接器用于外部供电、以及遥控指令、对外通信和遥测电压等信号的传输；光连接器用于连接多串光纤光栅。

技术总结
本发明提供了一种空间用长寿命光纤光栅测温解调仪，包括：二次电源组件、2块互为冷备份的信号处理与接口电路板、2块互为冷备份的光源驱动电路板、2个主备份光源模块、2路二级温控系统和1块探测器电路板。本发明是一种基于SG-DBR扫频激光器解调技术实现的光纤光栅测温解调仪，光纤光栅测温解调仪作为温度测量的新一代产品，具有测量范围宽、布设灵活、重量轻等特点，非常适合用于航天器大型精密结构大范围多点测温度的场合。为了实现卫星的多点温度测量，可在卫星舱内和天线板等位置铺设光纤光栅温度传感网络，来监测卫星各部分结构温度变化。变化。变化。


技术研发人员：苏立娟 冯杰 黄磊 孟祥涛 闫欢欢 袁韬 孙文彦 王公伯 张涵
受保护的技术使用者：北京航天时代光电科技有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/11