本发明属于光纤传感器技术领域，具体的，涉及一种宇航用光纤光栅传感系统及方法。
背景技术：
光纤光栅传感系统与传统电学传感系统相比具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电气绝缘、多传感器复用等优点。光纤光栅传感系统的优点使它在工程结构监测、电力、石油化工、海洋、医学等多领域都得到了广泛应用。
近年来，在航空航天领域，光纤光栅传感系统也成为新型测量技术研究和应用热点。但由于宇航的辐照、真空等特殊环境条件，光纤光栅传感系统应用于宇航环境存在多方面的技术难度。目前，国内尚未有针对宇航辐照环境的光纤光栅传感系统的发明专利。当前应用中的光纤光栅传感系统在宇航环境的辐照作用下，使用寿命极短，且输出测量结果易发生漂移。如何克服宇航环境的辐照作用对光纤光栅传感系统的光电子器件，电子元器件的影响一直未有具体可行的技术手段。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宇航用光纤光栅传感系统及方法，解决了光纤光栅传感系统在宇航环境中应用的抗辐照的问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种宇航用光纤光栅传感系统，包括：光纤光栅解调仪、光纤光栅传感器探头和传输光缆；其中，所述光纤光栅解调仪发出的光通过所述传输光缆传输给所述光纤光栅传感器探头，所述光纤光栅传感器探头将包含待测结构的温度或应变量的光信号反射回所述光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪对反射回的光信号进行处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述光纤光栅解调仪包括壳体、电路系统和光学测量系统；其中，所述电路系统和所述光学测量系统均设置于所述壳体内；所述电路系统和所述光学测量系统相连接，所述光学测量系统发出的光通过所述传输光缆传输给所述光纤光栅传感器探头，所述光纤光栅传感器探头将包含待测结构的温度或应变量的光信号反射回所述光学测量系统，所述电路系统对反射回的光信号进行处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述电路系统包括二次电源电路和光路控制及信号采集处理电路；其中，所述二次电源电路对供电电压转换，同时接收外部系统的控制信号并用于控制光纤光栅解调仪的开关机；所述光路控制及信号采集处理电路用于对光学测量系统的控制及电信号采集和处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述光学测量系统包括光源、光纤耦合器、光谱检测模块、光开关、中心波长校准单元和光纤连接器；其中，所述光源发射出光源并通过所述光纤耦合器分别传输给所述光开关和中心波长校准单元；所述中心波长校准单元根据其自身的波长对所述光学测量系统的测量偏差进行实时校准；所述光开关对来自所述光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给所述光纤连接器；所述光纤连接器将处理后的光谱通过所述传输光纤传输给所述光纤光栅传感器探头；所述光纤光栅传感器探头将处理后的光谱转换为包含待测结构的温度或应变量的光信号并反射回所述光纤连接器，再依次通过光开关和耦合器传输到所述光谱检测模块；所述光谱检测模块将包含待测结构的温度或应变量的光信号进行光电转换得到电信号。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述二次电源电路包括：抗辐照滤波器、抗辐照电源模块和继电器；其中，所述抗辐照滤波器对外部电源进行滤波处理；所述抗辐照电源模块实现电源电压的转换；所述继电器接收外部信号，实现所述光纤光栅解调仪的开关机控制。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述光路控制及信号采集处理电路包括：抗辐照fpga芯片、抗辐照dsp芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、抗辐照fpga配置芯片、抗辐照程序存储器、光开关驱动电路和宽带光源驱动电路；其中，所述抗辐照fpga芯片为所述光谱检测模块提供控制信号，所述光谱检测模块为所述抗辐照fpga芯片提供应答信号；所述模数转换电路对所述光谱检测模块的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给所述抗辐照fpga芯片；所述抗辐照fpga芯片接收到所述模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给所述抗辐照dsp芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备；所述抗辐照fpga配置芯片在所述光路控制及信号采集处理电路通电时将配置信息传输给所述抗辐照fpga；所述抗辐照程序存储器在所述光路控制及信号采集处理电路通电时将运行指令传输给所述抗辐照dsp芯片；所述宽带光源驱动电路为所述光源提供稳定的驱动电流和温控功能；所述光开关驱动电路对所述光开关进行驱动控制，实现光路通道的切换。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述中心波长校准单元包括：标准中心波长器件和温度传感器；其中，所述标准中心波长器件用于为所述光纤光栅解调仪提供标准的中心波长参考值；所述标准中心波长器件与所述光纤耦合器相连接，以便所述光学测量系统的所述光谱测量模块接收到所述标准中心波长器件的反射光，经光电转换将电信号传输给所述电路系统，所述电路系统会计算出所述中心波长校准单元的中心波长实测值，并将所述标准中心波长器件的中心波长实测值与其应有标准波长值求差，将差值用于所述光纤光栅解调仪测量偏差的补偿；所述温度传感器用于监测所述标准中心波长器件温度变化并提供不同温度下的中心波长参考值。
上述宇航用光纤光栅传感系统中，所述中心波长校准单元根据其自身的波长对所述光学测量系统的测量偏差进行实时校准包括：所述中心波长校准单元反射光的波长为标准波长值，所述光学测量系统接收到所述中心波长校准单元的反射光，经光电转换将电信号传输给所述电路系统，所述电路系统会计算出所述中心波长校准单元的中心波长实测值，并将所述中心波长校准单元的中心波长实测值与其应有标准波长值求差，将差值用于所述光纤光栅解调仪测量偏差的补偿。
根据本发明的另一方面，还提供了一种宇航用光纤光栅传感方法，包括以下步骤：光纤光栅解调仪发出的光通过传输光缆传输给光纤光栅传感器探头；光纤光栅传感器探头将包含待测结构的温度或应变量的光信号反射回光纤光栅解调仪；光纤光栅解调仪对反射回的光信号进行处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述光纤光栅解调仪包括壳体、电路系统和光学测量系统；其中，所述电路系统和所述光学测量系统均设置于所述壳体内；所述电路系统和所述光学测量系统相连接，所述光学测量系统发出的光通过所述传输光缆传输给所述光纤光栅传感器探头，所述光纤光栅传感器探头将包含待测结构的温度或应变量的光信号反射回所述光学测量系统，所述电路系统对反射回的光信号进行处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述电路系统包括二次电源电路和光路控制及信号采集处理电路；其中，所述二次电源电路对供电电压转换，同时接收外部系统的控制信号并用于控制光纤光栅解调仪的开关机；所述光路控制及信号采集处理电路用于对光学测量系统的控制及电信号采集和处理得到待测结构的温度或应变量。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述光学测量系统包括光源、光纤耦合器、光谱检测模块、光开关、中心波长校准单元和光纤连接器；其中，所述光源发射出光源并通过所述光纤耦合器分别传输给所述光开关和中心波长校准单元；所述中心波长校准单元根据其自身的波长对所述光学测量系统的测量偏差进行实时校准；所述光开关对来自所述光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给所述光纤连接器；所述光纤连接器将处理后的光谱通过所述传输光纤传输给所述光纤光栅传感器探头；所述光纤光栅传感器探头将处理后的光谱转换为包含待测结构的温度或应变量的光信号并反射回所述光纤连接器，再依次通过光开关和耦合器传输到所述光谱检测模块；所述光谱检测模块将包含待测结构的温度或应变量的光信号进行光电转换得到电信号。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述二次电源电路包括：抗辐照滤波器、抗辐照电源模块和继电器；其中，所述抗辐照滤波器对外部电源进行滤波处理；所述抗辐照电源模块实现电源电压的转换；所述继电器接收外部信号，实现所述光纤光栅解调仪的开关机控制。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述光路控制及信号采集处理电路包括：抗辐照fpga芯片、抗辐照dsp芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、抗辐照fpga配置芯片、抗辐照程序存储器、光开关驱动电路和宽带光源驱动电路；其中，所述抗辐照fpga芯片为所述光谱检测模块提供控制信号，所述光谱检测模块为所述抗辐照fpga芯片提供应答信号；所述模数转换电路对所述光谱检测模块的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给所述抗辐照fpga芯片；所述抗辐照fpga芯片接收到所述模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给所述抗辐照dsp芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备；所述抗辐照fpga配置芯片在所述光路控制及信号采集处理电路通电时将配置信息传输给所述抗辐照fpga；所述抗辐照程序存储器在所述光路控制及信号采集处理电路通电时将运行指令传输给所述抗辐照dsp芯片；所述宽带光源驱动电路为所述光源提供稳定的驱动电流和温控功能；所述光开关驱动电路对所述光开关进行驱动控制，实现光路通道的切换。
上述宇航用光纤光栅传感方法中，所述中心波长校准单元包括：标准中心波长器件和温度传感器；其中，所述标准中心波长器件用于为所述光纤光栅解调仪提供标准的中心波长参考值；所述标准中心波长器件与所述光纤耦合器相连接，使得所述光学测量系统的所述光谱测量模块接收到所述标准中心波长器件的反射光，经光电转换将电信号传输给所述电路系统，所述电路系统会计算出所述中心波长校准单元的中心波长实测值，并将所述标准中心波长器件的中心波长实测值与其应有标准波长值求差，将差值用于所述光纤光栅解调仪测量偏差的补偿；所述温度传感器用于监测所述标准中心波长器件温度变化并提供不同温度下的中心波长参考值。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明解决了光纤光栅传感系统在宇航环境中应用的抗辐照的问题。
(2)本发明采用中心波长校准单元，对辐照引起的测量漂移进行实时校准，使光纤光栅传感系统的测量精度具有长期稳定性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明的实施例提供的宇航用光纤光栅传感系统的组成示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为本发明的实施例提供的宇航用光纤光栅传感系统的组成示意图。如图1所示，该宇航用光纤光栅传感系统包括：光纤光栅传感系统包括光纤光栅解调仪、光纤光栅传感器探头和传输光缆。
其中，光纤光栅解调仪由壳体结构、电路系统和光学测量系统组成。壳体结构为光纤光栅解调仪的电路系统和光学测量系统提供安装固定的结构，并起到整体屏蔽辐照、减缓力学振动、冲击影响、以及散热等作用。电路系统包括二次电源电路和光路控制及信号采集处理电路；二次电源电路，为光纤光栅解调仪的电路系统实现供电电压的转换，同时接收外部系统的控制信号，实现光纤传感系统的开关机；光路控制及信号采集处理电路，可实现对光纤光栅解调仪的光学测量系统的控制及电信号采集、处理，并将测量结果通过通信接口发送给外部系统。光学测量系统包括宽带光源、光纤耦合器、光谱检测模块、光开关、中心波长校准单元、光纤连接器。
外部电源及控制接口控制宇航用光纤光栅传感系统开机工作时，光纤光栅解调仪的光路控制及信号采集处理电路启动，控制解调仪内的光学测量系统对光纤光栅传感器反射的光学测量信号进行光电转换，并将转换后的电信号传输给光纤光栅解调仪的光路控制及信号采集处理电路进行解调运算处理，并将解调结果通过通信接口传输给外部设备。为确保解调结果精度的长期稳定性，光纤光栅解调仪内设计了中心波长校准单元，对辐照引起的测量漂移进行实时校准；并使用抗辐照的光纤光栅传感器探头，降低辐照对测量影响。
宽带光源为所述光学测量系统提供光源。
光纤耦合器对来自所述宽带光源的光功率进行分配，分别传输给所述光开关和中心波长校准单元。
中心波长校准单元对光学测量系统的测量偏差进行实时校准。中心波长校准单元反射光的波长为标准波长值，所述光学测量系统接收到所述中心波长校准单元的反射光，经光电转换将电信号传输给所述电路系统，所述电路系统会计算出所述中心波长校准单元的中心波长实测值，并将所述中心波长校准单元的中心波长实测值与其应有标准波长值求差，将差值用于所述光纤光栅解调仪测量偏差的补偿。
光开关对来自所述光纤耦合器的光谱进行通道间的分时复用处理，并将处理后的光谱传输给所述光纤连接器。
光纤连接器进一步将光谱传输给所述传输光纤和光纤光栅传感器探头。
光谱检测模块用于对所述光纤光栅传感器探头反射回的光谱信号进行光电转换。
传输光缆用于实现所述光纤光栅解调仪和光纤光栅传感器探头的光信号传输。
光纤光栅传感器探头用于测量待测结构的温度或应变量，并将测量结果通过所述传输光缆传输回所述光纤光栅解调议进行处理。
具体地，中心波长校准单元包括：标准中心波长器件和温度传感器；其中，所述标准中心波长器件用于为所述光纤光栅解调仪提供标准的中心波长参考值；所述标准中心波长器件与所述光纤耦合器相连接，使得所述光学测量系统的所述光谱测量模块接收到所述标准中心波长器件的反射光，经光电转换将电信号传输给所述电路系统，所述电路系统会计算出所述中心波长校准单元的中心波长实测值，并将所述标准中心波长器件的中心波长实测值与其应有标准波长值求差，将差值用于所述光纤光栅解调仪测量偏差的补偿；所述温度传感器用于监测所述标准中心波长器件温度变化并提供不同温度下的中心波长参考值。
具体地，二次电源电路包括：抗辐照滤波器、抗辐照电源模块、继电器。抗辐照滤波器对外部电源进行滤波处理；抗辐照电源模块实现电源电压的转换；继电器接收外部信号，实现光纤光栅解调仪的开关机控制。
具体地，光路控制及信号采集处理电路包括：抗辐照fpga芯片、抗辐照dsp芯片、输入信号调理电路、模数转换电路、通信接口电路、抗辐照fpga配置芯片、抗辐照程序存储器、光开关驱动电路、以及宽带光源驱动电路。
抗辐照fpga芯片为所述光谱检测模块提供控制信号，所述光谱检测模块为所述抗辐照fpga芯片提供应答信号。
模数转换电路对所述光谱检测模块的模拟电信号进行采集，并将模拟电信号转换为数字电信号发送给抗辐照fpga芯片。
抗辐照fpga芯片接收到模数转换电路的数字电信号，进行预处理后，发送给抗辐照dsp芯片进行解调运算处理，并将运算结果通过所述通信接口电路发送给外部设备。
抗辐照fpga配置芯片在光路控制及信号采集处理电路通电时将配置信息传输给抗辐照fpga。
抗辐照程序存储器在光路控制及信号采集处理电路通电时将运行程序传输给抗辐照dsp芯片。
宽带光源驱动电路为宽带光源提供稳定的驱动电流和温控功能。
光开关驱动电路对光开关进行驱动控制，实现光路通道的切换。
中心波长校准单元包括：标准中心波长器件、温度传感器、光纤光栅。其中，所述标准中心波长器件用于为所述光纤光栅解调仪提供标准的中心波长参考值；所述温度传感器用于监测所述中心波长校准单元温度变化，以便进行温度补偿；所述光纤光栅用于进行实际测量波长参考。
优选地，光纤耦合器为3db光纤耦合器。
优选地，光谱测量模块包括衍射光栅和探测器阵列，可测量波长范围大于40nm的光谱。
光纤光栅传感器探头包括光纤光栅和封装结构。其中，光纤光栅采用特定材料、工艺制备，以使所述光纤光栅具备抗辐照特性；封装结构采用高密度材料，进一步降低辐照对所述光纤光栅的影响。
外部电源及控制接口为宇航用光纤光栅传感系统的二次电源电路供电，宇航用光纤光栅传感系统开机工作。光纤光栅解调仪的光路控制及信号采集处理电路启动，光路控制及信号采集处理电路控制光源发射出光信号，光信号经光纤耦合器被分配给中心波长校准单元和光开关。中心波长校准单元将带有校准信息的光信号经光纤耦合器反馈给光谱测量模块。光信号经光开关被分配到光纤连接器的不同测量通道上，光纤连接器与带有光纤光栅传感器探头的传输光缆相连，光纤光栅传感器探头感知温度或应变信息后，将带有温度或应变信息的光信号沿传输光缆、光纤连接器、光开关、光纤耦合器反馈至光谱测量模块。光谱测量模块对光纤光栅传感器探头反射的光信号进行光电转换，然后将转换后的电信号传输给光纤光栅解调仪的光路控制及信号采集处理电路进行解调运算处理。光路控制及信号采集处理电路将解调结果通过通信接口传输给外部设备。为确保解调结果精度的长期稳定性，光纤光栅解调仪内设计了中心波长校准单元，对辐照引起的测量漂移进行实时校准；并使用抗辐照的光纤光栅传感器探头，降低辐照对测量影响。
本实施例还提供了一种宇航用光纤光栅传感方法，所述方法包括以下步骤：光纤光栅解调仪发出的光通过传输光缆传输给光纤光栅传感器探头；光纤光栅传感器探头将包含待测结构的温度或应变量的光信号反射回光纤光栅解调仪；光纤光栅解调仪对反射回的光信号进行处理得到待测结构的温度或应变量。
本实施例使用抗辐照的电子元器件，使光纤光栅传感系统的电路能够在辐照环境中长期稳定工作。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。