Измерение диапазонов температур наноспутника с помощью волоконно-брэгговской решетки



В данной статье основное внимание уделяется разработке датчика температуры для использования в наноспутнике. В системе используется источник света, длина волны которого может регулироваться в умеренном диапазоне, и волоконная брэгговская решетка. Система включает в себя регулятор температуры, регулятор тока лазера и компактную систему обработки сигналов. Климатическая камера используется для калибровки датчика и определения соотношения между длиной волны и температурой. Экспериментальные результаты показывают температурный диапазон от 50°C до 100°C с чувствительностью 30pm/°C, и изучается возможность достижения диапазонов до 400°C с помощью ВБР с чувствительностью 10pm/°C.

Ключевые слова: наноспутник, разработка, волоконная брэгговская решетка, диапазон, длина волны, температура.

This article focuses on the development of a temperature sensor for use in nanosatellites. The system uses a light source whose wavelength can be adjusted in a moderate range, and a fiber Bragg grating. The system includes a temperature controller, a laser current controller and a compact signal processing system. The climate chamber is used to calibrate the sensor and determine the ratio between wavelength and temperature. The experimental results show a temperature range from 50°C to 100°C with a sensitivity of 30pm/°C, and the possibility of achieving ranges up to 400°C with the help of a FBG with a sensitivity of 10pm/°C is being studied.

Keywords: nanosatellite, development, fiber Bragg grating, range, wavelength, temperature.

CubeSats — это небольшие спутники, которые соответствуют стандартным спецификациям с точки зрения размеров и веса. Эти наноспутники выступают в качестве технологических демонстраторов, выполняя в основном научные миссии. Стандарты были установлены Калифорнийским политехническим государственным университетом (CalPoly) и Лабораторией разработки космических систем Стэнфордского университета (SSDL) в 1999 году. Размеры измеряются от базовой единицы 1U, которая имеет стандартные размеры 10 см x 10 см x 11 см [1].

Рис. 1. Наноспутник стандарта CubeSat

Волоконные брэгговские решетки (ВБР) — это микроструктуры, вписанные в оптическое волокно. ВБР ведет себя аналогично полосовому фильтру, отражая только часть оптического спектра вокруг длины волны, называемой ( ), и пропуская другие длины волн. Отраженный (

) зависит от деформации и температуры на ВБР [2].

Датчики FBG имеют важные преимущества для приложений CubeSats. Они устойчивы к электромагнитным помехам. Эта особенность очень важна, так как CubeSats, находящиеся в космосе, получают электромагнитное излучение (в основном от Солнца). Помимо электромагнитных помех, перед датчиками температуры наноспутников стоит задача охвата широких диапазонов температур, особенно температур ниже 0°C. Другими важными характеристиками являются небольшой размер и легкость, идеально подходящие для использования в небольшом спутнике.

Кроме того, они могут использовать мультиплексированные или распределенные датчики. Типичное потребление наноспутника составляет менее 100 Вт. Потребление полезной нагрузки составляет около 10 Вт, что должно включать запас от 5 % до 25 % [2].

По этой причине все системы и подсистемы должны иметь низкое энергопотребление. В этой статье мы предлагаем проверить возможности маломощной системы опроса для достижения диапазонов температур, которые возникают как внутри, так и снаружи CubeSat. Диапазоны температур внутри и снаружи CubeSat в космическом пространстве колеблется в широком диапазоне необходимо учитывать состояние основных компонентов наноспутника. Каждый компонент наноспутника имеет свой рабочий режим температурного диапазона. Компоненты с самым широким диапазоном температур находятся за пределами спутника, например, антенны или солнечные батареи. Для всех компонентов следует измерять диапазон температур от -150°С до 110°С [2].

Представленный подход основан на использовании маломощного перестраиваемого лазерного источника с ВБР для измерения температуры. Реализована полная система опроса, состоящая из различных подсистем управления и подсистемы обработки сигналов. Система была протестирована в лабораторных условиях для определения температурных диапазонов, о которых будет сказано ниже. Кроме того, будут представлены другие способы достижения более широких температурных диапазонов.

Существует два основных типа систем опроса для ВБР. Первая представляет собой систему, состоящую из широкополосного источника света или широкополосного источника (BBS) и приемной системы, способной различать разные длины волн; например, анализатор оптического спектра. Эти источники излучают в полосе частот около 40 нм. Уровень мощности по всему спектру излучения низкий, это может привести к низкому отношению сигнал/шум. При этом длина волны Брэгга ( ) определяется при приеме [5]. Вторая система состоит из перестраиваемого лазера (TL) с фотоприемником. Непрерывная настройка узкополосного источника обеспечивает максимальную точность, разрешение и чувствительность. Таким образом, опрос длин волн Брэгга осуществляется в источнике [6].

В данной работе была спроектирована и реализована система, образованная TL и одним фотоприемником. В качестве конкретного TL используется вертикально-излучающий лазер с поверхностным излучением (VCSEL) [7]. Этот тип системы имеет несколько преимуществ при установке в CubeSats. Мощность, необходимая для лазера, ниже, так как он концентрирует всю мощность в узкой полосе оптического спектра [8]. Это компактная недорогая система, которая может быть реализована с помощью COTS в соответствии с философией CubeSats.

Принцип измерения позволяет динамически измерять температуру. ВБР отражает , зависящее от температуры. Лазер выполняет развертку в диапазоне длин волн в пределах . Отражение происходит, когда длина волны излучения лазера совпадает с

(рис. 2) [9]. ВБР действует как оптический фильтр, так что он ослабляет оптическую мощность на длинах волн, отличных от .

Рис. 2. Развертка длины волны VCSEL в пределах λB

Для развертки лазера по длине волны на лазер подается ток инжекции треугольной формы с частотой 1 кГц. Один пик отражения возникает как в восходящем, так и в нисходящем периоде сигнала тока. Первый пик включает сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а второй пик выключает его. Полученный ШИМ-сигнал имеет рабочий цикл, который изменяется в зависимости от отраженной длины волны.

На рис.3 показан треугольный сигнал тока и импульсы отражения в напряжении для температуры 60°С. В ВБР длина волны зависит от температуры.

Рис. 3. Импульсы отражения для температуры 60°С и полученный ШИМ-сигнал

На рис.4 показаны треугольный токовый сигнал и импульсы отражения для температуры 100°С. В этом случае импульсы ближе, создавая ШИМ-сигнал с более длительным рабочим циклом .

Рис. 4. Импульсы отражения для температуры 100°С и полученный ШИМ-сигнал

На рис. 5 показана предлагаемая система опроса. Основными блоками являются VCSEL, регулятор тока и регулятор температуры, которые являются драйверами VCSEL, оптоволоконный циркулятор, фотодетектор и блок обработки сигналов. Драйверы VCSEL управляют разверткой по длине волны.

Рис. 5. Система опроса, основанная на использовании VCSEL в качестве источника света и FBG

Длина волны, на которой излучает VCSEL, зависит от тока и температуры. Таким образом, чтобы выполнить свипирование по длине волны, контроллер температуры будет стабилизировать температуру VCSEL, в то время как регулятор тока будет выполнять свипирование по длине волны посредством тока инжекции. Задача регулятора тока (рис. 6) — генерировать треугольный токовый сигнал между 3 мА и 12 мА. Это изменение тока заставит VCSEL выполнять развертку по длине волны.

Рис. 6. Контроллер преобразования

Для получения треугольного сигнала тока:

1) Нестабильный мультивибратор будет генерировать прямоугольный сигнал напряжения частотой 1 кГц.

2) Интегрирующий каскад преобразует прямоугольный сигнал в треугольный сигнал напряжения частотой 1 кГц.

3) Этап, показанный на рис. 6, преобразует треугольный сигнал напряжения в треугольный сигнал тока. Регулятор температуры поддерживает постоянную температуру. В качестве элементов используются терморезистор, охлаждающее устройство типа Пельтье и микроконтроллер (рис. 7).

Температура постоянно сравнивается с заданной температурой, которая получается через аналого-цифровой порт в микроконтроллере. Ошибка состоит в разнице между двумя температурами. Микроконтроллер применяет ПИД-регулятор, воздействуя на температуру излучения VCSEL, включая или выключая устройство Пельтье с помощью выходного ШИМ-сигнала. Как объяснялось выше, треугольный токовый сигнал заставляет VCSEL выполнять свипирование по длине волны. Когда длина волны VCSEL совпадает с , пучок света отражается от фотодиода, который генерирует небольшой ток.

Рис. 7. Блок-схема используемого регулятора температуры

Система приема и обработки сигналов состоит из нескольких этапов. Фотодетектор преобразует оптическую мощность в ток. Трансимпедансная схема вместе с компаратором отвечает за получение сигнала напряжения. Этот сигнал соответствует импульсам отражения, создаваемым ВБР, и используется в качестве входа триггера (CLK). Вход D триггера представляет собой сигнал прямоугольной формы, ранее генерируемый нестабильным мультивибратором и синхронизированный с треугольной длиной волны, используемой для развертки. Выход Q триггера представляет собой ШИМ-сигнал, рабочий цикл которого зависит от отраженной длины волны и температуры. На рис. 8 показана электрическая схема.

Рис. 8. Электрическая схема системы приема и обработки сигналов

Наконец, система реализована на печатной плате (PCB), которая показана на рис.9.

Рис. 9. Система на печатной плате

Он включает в себя все описанные выше подсистемы: соединение для микроконтроллера, соединение с регулируемым источником питания и несколько управляющих контактов для контроля интересующих сигналов. Некоторые элементы не включены в конструкцию печатной платы, это микроконтроллер, который будет заменен системой сбора данных CubeSat, циркулятор и ВБР, который будет размещен в интересующей точке для измерения температуры. Все элементы, используемые в физической реализации, являются COTS. Основными элементами в этом проекте являются VCSEL и FBG, диапазоны которых должны максимально совпадать. Выбранный VCSEL — это 1550-SM ООО «Оптилаб». Это маломощная модель с идеальным диапазоном рабочих температур для установки в CubeSat. Модель FBG FS6LTS предоставлена компанией HBM Fiber Sensing. Имеет металлическое покрытие, препятствующее деформациям. Таким образом, изменения длины волны соответствуют только изменениям температуры. Чтобы соответствовать спецификациям, определенным для CubeSats, размеры доски составляют 10 см x 10 см. Плата, созданная в этом проекте, является частью технологического демонстратора.

В этой характеристике были проведены два различных теста. Первый тест состоит из определения длины волны излучения лазера при различных температурах и значениях постоянного тока инжекции.

Впоследствии вся система была испытана в климатической камере с несколькими температурными циклами. Характеристика длины волны излучения лазера имеет фундаментальное значение для работы системы. Поскольку это характеристика постоянного тока, контроллер тока (рис. 6) был заменен внешним источником тока (модель Thorlabs ITC510), а температура лазера была стабилизирована с помощью контроллера, представленного выше на рис. 7. Результаты наблюдались в оптическом анализаторе спектра (ОСА). Конкретная температура устанавливается с помощью регулятора температуры, а сила тока варьируется от 2 мА до 12 мА. Этот процесс повторяется для различных температур, результаты показаны на рис. 10.

Рис. 10. Результат калибровки длины волны лазера

Было замечено, что VCSEL достигает минимального диапазона длин волн (∆λmin) 3,6 нм, когда он находится при минимальной температуре диапазона характеристики (24°C). Однако, покрывая весь диапазон характеристик (т. е. диапазоны температур и токов 24°C-30°C и 2 мА — 12 мА соответственно), VCSEL может обеспечить диапазон настройки длины волны (∆λmax) равной 7,0 нм.

Калибровка всей системы должна проводиться с использованием элементов управления и приемно-обрабатывающей системы, описанных выше. На рис. 11 показана установка, используемая для этой калибровки.

Рис. 11. Блок-схема характеристики системы

Цель этой характеристики состоит в том, чтобы определить диапазон рабочих температур и взаимосвязь между температурой и выходным рабочим циклом. Для этого внутрь климатической камеры была введена ВБР, в которой было запрограммировано несколько термоциклов.

Уравнение (1) характерно для датчика температуры ВБР, где коэффициенты , ,

предоставляются производителем, — опорная длина волны, λ — длина отраженной волны. Используя ее с диапазоном совпадения можно получить диапазон температур примерно от 50°С до 100°С.

(1)

Диапазон ВБР определяется экспериментально с помощью регулятора тока, а рабочий диапазон ВБР предоставляется производителем, как и его чувствительность. Оба диапазона сравниваются для определения диапазона совпадения. Было обнаружено, что диапазоны VCSEL и FBG совпадают только в 1,5 нм, в диапазоне от 1565,5 до 1567 нм (рис. 12).

Рис. 12. Рабочая зона системы

В климатической камере запрограммированы три температурных цикла от 40°С до 100°С. Результаты показаны на рис. 13.

Рис. 13. Линейная аппроксимация измерений

Произведена линейная аппроксимация измерений, и полученное уравнение показано в (2), где T — температура в климатической камере, а коэффициент заполнения — коэффициент заполнения выходного сигнала ШИМ. Линейная аппроксимация имеет погрешность 5 %, что соответствует температурной погрешности 2,5 °C. Эта настройка позволяет установить связь между температурой и рабочим циклом.

(2)

Заключение. Была разработана полная система опроса для измерения температуры. Он предназначен для использования на борту CubeSat. Система была охарактеризована с использованием климатической камеры путем тестирования нескольких температурных циклов. Окончательная система имеет диапазон измерения от 50°C до 100°C и чувствительность 30 pm/°C. Существует несколько способов улучшения системы: использование ВБР с центром в диапазоне длин волн VCSEL или использование ВБР с более низкой чувствительностью. Стандартные ВБР, работающие на длине волны около 1550 нм, имеют чувствительность примерно 10 pm/°C. В этом проекте для измерения температуры использовалась специально изготовленная модель ВБР. Эта ВБР имеет металлическое покрытие, предотвращающее деформацию, и имеет коэффициент температурной компенсации (TCF) 20 (мкм/м)/°C. Используя стандартную ВБР, например, модель 161128–1, поставляемую Alxenses (чувствительность 10 pm/°C), можно достичь более широких температурных диапазонов. Применяя вышеуказанные усовершенствования, система может измерять диапазоны выше 400°C. Этот температурный диапазон позволяет контролировать температуру в точках внутри или снаружи CubeSat. Таким образом, основная цель этого проекта была достигнута, а именно проверить жизнеспособность системы для достижения широких диапазонов в CubeSat.

Литература:

1. Белоконов И. В. Тимбай И. А. — Выбор проектных параметров аэродинамически стабилизированного наноспутника, СГАУ, ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2016. Т. 59, № 6
2. Крамлих А. В. — Модульное проектирование микроспутников/наноспутников, г. Самара, 2010.
3. Стандарт ЕС ECSS-E-ST-10C — Общие требования к системному проектированию
4. “Program Level Dispenser and CubeSat Requirements Document”, National Aeronautics and Space Administration (NASA), 2014.
5. R. Martinez, “Picosatelites/Cubesats: Investigaci ´ on Espacial de Bajo ´ Coste,” 2010.
6. Nanosatellites. Spaceand Ground Technologies, Operationsand Economics Editedby Rogerio Atemde Carvalho — © 2020 John Wiley & Sons, 686 р.
7. Justin Ancheta, Nanosatellite Design with Design of Experiments, Optimization and Model Based Engineering, San Jose State University, USA, 2018. 258 p
8. Nanosatellite Development Methodology and Preliminary Design Guides for the NANOSTAR Project
9. J. A. Garcia-Souto, P.Martin-Mateos, J. E. Posada, P. Acedo y D. A. Jackson, “Evaluation of a 1540 nm VCSEL for fibre bragg gratings interrogation in synamic measurement aplications,”, 23rd International Conference on Optical Fiber Sensors, Santander, Spain, June, 2nd, 2014.