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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

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

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

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

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 FBG 以取得参考信号它们的中心波长标称值分别是1522 ±0.5nm1537 ±0.5nm1552 ±0.5nm1567 ±0.5nm1577 ±0.5nm1587 0.5nm1592 ±0.5nm1597 ±0.5nm1602±0.5nm 1607±0.5nmF-P 滤波器第一个扫描周期内10 个参考信号的采样结果如图2 所示

2 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 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PdBm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λ1λ2对应的采样点数为s1s2,则采样点s1s2

之间恣意一点si对应的波长λinmλi=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 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λ0λ1,,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λ0λ1,,λ10FBG 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]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PCPC=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ndBn6.990.46dB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C1C2对应波长为λ1λ2计算该参考信号综合特征点波形中点处的波长值λMλM= 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 FBGFBG1FBG2,…,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C1C2在采样序列中的位置S1S2 即对应的采样点数),取其中心位置SMSM= 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 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 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SM1SM2,…,SM10)。分别计算SM2SM10SM1的间隔Δ1=SM2-SM1Δ2=SM3-SM2,,Δ9=SM10-SM9)。依次求出每个间隔的扫描规范差σ1σ2,…,σ9作规范差曲线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σ1σ2,…, σ9),并作规范差曲线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 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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