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微型光纤光谱仪校准方法之一


本文基于F-P滤波器设计了一种微型光纤光谱仪,运用了FBG的反射信号作为波长的丈量基准,对


F-P滤波器的输出波出息行了校准。研讨了FBG反射信号波长的准确测定办法,将参考信号波峰功率降落6dB,选取信号波峰两侧的特征点,取这两个特征点的中点作为该参考信号的波长。比照计算结果标明,参考信号波长有较好的波长稳定性。该办法操作过程烦琐,计算工作量小,具有较强的适用性。


1.1系统构造及工作原理


基于F-P滤波器的微型光纤光谱仪构造图如图1所示。一路光信号来自内部宽带光源发出的宽带激


光,经FBG反射后成为参考信号,经过耦合器2进入F-P滤波器停止波长解析,输出的光信号由光电探测器转换为电信号,被微处置器控制的ADC采样模块停止数据采集。另一路光信号是外部的待测信号,由光开关控制后同样经耦合器2进入F-P滤波器停止波长解析,被微处置器的ADC采样模块采集为一系列数据。在系统工作时,经过合理控制宽带光源激光器和光开关的开闭次第,完成参考信号和待测信号依次分时经过F-P滤波器,扫描两次F-P滤波器,ADC模块停止两次相应的采样从而完成一次计量过程。





在第一个扫描周期内只让参考信号经过F-P滤波器,经过ADC模块同步采样后得到一组包含采样点


数(对应于扫描电压)与波长信息的数据,依据已知的参考信号波长值能够推算出各采样点处的波长值,以此作为横坐标数组。在第二个扫描周期内只让待测信号经过F-P滤波器,同样经过ADC同步采样和计算后得到待测信号各采样点对应的光功率值,以此作为纵坐标数组。经过这两组数据作出“波长值-光功率”散布图即可得到待测信号的光谱图。


1.2 F-P滤波器的校准原理


本系统的中心光器件F-P滤波器采用MicronOptics公司的FFP-TF2滤波器,它的自在光谱(FSR)


为1520~1620nm(C&L波段),3dB带宽为0.05nm。依据该滤波器在高波长段非线性比拟严重的特性,本计划在L波段和C波段分别插入7根和3根FBG以取得参考信号,它们的中心波长标称值分别是1522±0.5nm、1537±0.5nm、1552±0.5nm、1567±0.5nm、1577±0.5nm、1587 0.5nm、1592±0.5nm、1597±0.5nm、1602±0.5nm和1607±0.5nm。在F-P滤波器第一个扫描周期内,这10个参考信号的采样结果如图2所示。





图2中,横轴为采样点数,对应于依次线性递增的F-P滤波器扫描电压,F-P滤波器在每个扫描电压时辰输出不同波长的光;纵轴为该光信号的12位ADC采样值。依据硬件采样电路的设计原理能够推导出ADC采样值D与光功率P(dBm)的关系:P=0.024×D-90.969(1)由式(1)可得到光谱图纵坐标的信号光功率。依据F-P滤波器在较小驱动电压范围内驱动电压与输出波长值成近似线性关系的特性,设两个参考信号的波长分别为λ1、λ2,对应的采样点数为s1、s2,则采样点s1、s2


之间恣意一点si对应的波长λi(nm)为:λi=λ2-λ1s2-s1×(si-s1)+λ1(2)分段计算出F-P滤波器在整个FSR范围内各处扫描电压对应的输出波长值,从而完成横坐标从采样点数到波长值的转换。此波长值的转换精密水平将直接影响微型光谱仪的波长分辨精度,其决议要素主要包括两方面:①插入的参考信号数量能否足够密集,能最大水平地迫近F-P滤波器的波长输出特性;②参考信号FBG波长值的测定办法能否稳定牢靠,确保微型光谱仪内程序算法运用的参考信号波长值坚持稳定,且能与外部仪器(如台式光谱仪)的准确计量值坚持较好的分歧性。


2参考信号波长值的测定办法


由式(2)的波长值坐标转换原理可知,微型光谱仪在程序计算过程中用到的参考信号波长值必需能稳定地表征相应的参考信号,并且它的程序计算办法能够在外部复现,以确保程序运用的波长值与外部台式光谱仪的准确丈量值坚持分歧。最烦琐的操作办法就是寻觅波峰,即先在台式光谱仪上丈量出10个参考信号的光功率峰值,记载相应的波长为λ0,λ1,…,λ10,再在微型光谱仪的程序算法中寻觅参考信号采样序列的部分最大值(即各信号的光功率峰值),那么各相应采样点数对应的波长就能够运用λ0,λ1,…,λ10。FBG的反射光谱是一种近似高斯散布的信号,理论上其信号波峰值就是它的中心波长值[4],当FBG遭到外部温度和压力的影响惹起形变时,反射信号波形发作整体挪动,其中心波长值也随之改动。此外,FBG反射信号的波峰值还容易受系统噪声影响而发作动摇,但此时整体波形根本不变。因而,以寻觅波峰值的办法来肯定FBG波长值将招致系统基准信号不肯定。应用高斯拟合和多项式拟合计算FBG中心波长[5]又会呈现数据准备操作过程复杂、算法计算工作量较大和不便于在嵌入式系统上完成的问题。本文将FBG置于恒温盒中,以消弭环境温度变化的影响。依据反射信号在遭到系统噪声扰动后波峰功率值动摇,整体波形根本不变的特性,采取在信号波峰两侧选取两个相对稳定的特征点,计算其综合特征点(即波形中点)作为FBG波长,替代中心波长。


2.1 FBG波形特征点选取及波长值计算


设参考信号波峰A处功率为PA,特征点C的功率为PC,则:PC=αPA(3)其中,α为阈值因子,取值范围为0~1。有关研讨标明,α取值在0.2~0.9变化时,特征点C对系统噪声扰动不敏感[6]。此办法相当于在参考信号波峰值降落ndB(n为6.99~0.46dB)处作一条平行线,平行线与参考信号波形的交点就是特征点C,详细过程如图3所示。设参考信号波峰两侧的特征点C1和C2对应波长为λ1和λ2,计算该参考信号综合特征点(波形中点)处的波长值λM:λM=λ2+λ12(4)依据以上操作办法能够在台式光谱仪上分别测得各参考信号比拟稳定的波长。这里以波峰功率降落6dB为例选取特征点,在坚持环境温度恒定为25℃的状况下,上述10根FBG(FBG1,FBG2,…,FBG10)反射信号的波长丈量和计算结果如表1所示。其中λA为峰值功率处的波长值。











2.2 FBG波长计量值的应用


在微型光谱仪的程序算法中,先寻觅参考信号采样序列的部分最大值(即各信号的光功率峰值),再减去6dBm,经过直线相交的办法找出波峰两侧特征点C1、C2在采样序列中的位置S1、S2(即对应的采样点数),取其中心位置SM:SM= S1+S22(5)作为参考信号的综合特征点,该点对应的波长能够运用由台式光谱仪丈量的相应波长,完成对FBG反射信号的波长校准,再依据式(2)就能够完成光谱图横坐标从采样点数到波长的转换。


2.3 FBG波形综合特征点稳定性考证依据各参考信号波长为固定值的特性,若以其中一个参考信号的综合特征点为参考基点,那么其它参考信号与参考基点之间的间隔应该是恒定不变的,据此能够考证经过上述办法计算得到的各参考信号综合特征点能否稳定,考证结果如图4所示。详细施行办法是将10根FBG光栅置于25℃恒温盒中以消弭温度变化对参考信号中心波长的影响,让微型光谱仪系统工作预热3分钟后,以每秒1次的扫描频率对10个参考信号连续扫描采样10次,记载得到10组参考信号的采样序列。在每组采样序列中按式(5)计算出各参考信号综合特征点位置(SM1,SM2,…,SM10)。分别计算SM2~SM10与SM1的间隔(Δ1=SM2-SM1,Δ2=SM3-SM2,…,Δ9=SM10-SM9)。依次求出每个间隔的扫描规范差(σ1,σ2,…,σ9)作规范差曲线(图4中带“*”号的曲线),此时σ的最大值为0.527,最小值为0.4216,这标明在10次扫描过程中,以此办法肯定的9个参考信号相对第一个参考信号的位置间隔动摇都不大。





为作比照,我们采用寻觅波峰值肯定FBG波长的办法,同样运用上述10组采样序列数据,计算得另一组规范差(σ1′,σ2′,…,σ9′),并作规范差曲线(图4中带“+”号的曲线),此时σ′的最大值为2.5298,最小值为1.2293。能够看出,以此办法肯定的各参考信号之间位置间隔动摇较大。由此可见,采用参考信号波形综合特征点肯定FBG波长的办法具有较好的波长稳定性,明显优于以信号波峰值肯定FBG波长的办法。


光谱仪是一种能够分辨光信号中不同波长信号的重要光学仪器,在地质、冶金、石油的物质成分剖析以及光通讯、光传感的光信号检测等范畴应用普遍。依据分光手腕不同将分光原理分为物质色散、多缝衍射和多光束干预3种。基于多光束干预原理的微型光纤光谱仪运用了可调谐F-P滤波器作为光谱解析器件,该光谱仪具有体型小、测试速度快、本钱低和便于模块化消费等优点[1]。由于F-P滤波器在整个自在光谱范围内的“扫描电压-输出波长”关系只是近似线性关系,假如在设计中参加一组光纤布喇格光栅(FBG)的反射信号作为参考信号,一方面能用于校准F-P滤波器的波长输出特性,另一方面也能应用其固定的波长值作为波长丈量的基准[2]。参考信号的FBG波长值需求由部仪器准确测定才干被微型光谱仪的算法运用。本文以参考信号波峰功率降落6dB处的波形中点作为FBG的波长值,在微型光谱仪上构成算法并烦琐地在台式光谱仪上停止对照仪器计量操作,从而完成对参考信号波长值的仪器校准。信息来源于http://www.yqxz88.com

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