CN101532877A

CN101532877A - 单接收器件的脉冲光谱仪

Info

Publication number: CN101532877A
Application number: CN200910014543A
Authority: CN
Inventors: 张凯临; 刘金涛; 张亭禄
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: CN101532877B

Abstract

本发明涉及一种单接收器件的脉冲光谱仪。本发明的核心内容是运用多个脉冲光信号在多根光纤中的传输时间的不同，从而将光谱信号在时域展开成一系列脉冲，将多个通道的测量，仅用一只光电转换器件来实现，减少了功耗，降低了光谱仪的复杂程度。由于所使用的光纤是无源器件，能量在其中传输也不会损失太多；脉冲光谱信号由于信号变化速度快，需要使用较快速的A/D转换器，快速的转换器正好转换由本发明转换得来的一系列光谱信号；使用单一光电接收器件在A/D转换、功耗方面比多个光电接收器有很大的功耗上的优势，特别是在使用电池供电的系统中，更能体现出其优势，有利于其推广使用。

Description

单接收器件的脉冲光谱仪

技术领域

本发明涉及一种使用单接收器件的脉冲光谱仪，更具体地来说是一种将脉冲光谱信号在时域展开，仅仅使用一只光电接收器件，就可测量多个脉冲光输入源的光谱仪。

背景技术

已有的脉冲光谱测量一般采用如下几种方案：

1，采用多通道光电转换器件的方案。在原有传统方案中，多采用CCD线阵、多通道光电倍增管、ICCD面阵、等作为采集原件，将脉冲光信号的光谱同步采集、转换。例如“可选波长脉冲摄谱仪”200810014777.8公开了一种利用多通道光电转换器件进行脉冲光谱测量的方案。

2，使用多种波长透过特性的滤光片的方案。此方案运用滤光片，运用多通道的分束光路，将每一个输出通道经过一个滤光片过滤，再连接至光电转换原件。此方案的最大缺点是如果有N个通道，每一通道的能量均为原来的1/N，大部分信号能量被浪费了，通道越多，能量浪费越多，也就是降低了信噪比。

3，用上面两种方案结合的方式。先有光谱仪将光信号按频率分离，再用干涉滤光片滤光，可以达到六个量级的光强抑制比。这种方案功耗高、体积大，不适用于需要低功耗的场合。

以上方案作为测量脉冲光源的光谱信号，均有一定的局限性，由于是多个通道同时测量，需要较为庞大的附属光机、光电转换系统，作为测量转换之用。在需要低功耗的场合，例如利用太阳能的海洋光学浮标，利用电池的水下自容式测量系统，抑或军用等场合的脉冲光电测量系统，均需要一种低功耗、多通道的脉冲光谱仪。而本发明采用单接收器件作为脉冲光谱仪的光电转换器件，降低了功耗，且在仪器的光谱采集、转换的一致性方面均有很大优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用单接收器件的脉冲光谱仪，已弥补现有技术的不足。本发明的核心内容是运用多个脉冲光信号在多根光纤中的传输时间的不同，从而将光谱信号在时域展开成一系列脉冲，将多个通道的测量，仅用一只光电转换器件来实现，减少了功耗，降低了光谱仪的复杂程度。

一种单接收器件的脉冲光谱仪，用于测量同一时刻的多个脉冲光信号，包括光谱仪，外部计算机采集系统，其特征在于发生于同一时刻的多个光脉冲信号通过第1路输入光接收器、第2路输入光接收器、第N路输入光接收器，其中N代表大于等于1路的光路，分别经过不同长度的多根光纤，连接到N×1的光纤耦合器，光纤耦合器的输出端使用光纤连接到一部光谱仪，光谱仪的多个波长不同的输出分别运用多条不同长度的光纤，将不同波长的输出光信号耦合至光纤耦合器，其合并的光信号输出通过光纤连接至光电转换器，并由外部计算机采集系统将光电转换器所输出的电信号转换、存储、显示。

上述的光输入端数量大于或等于一条，没有数量限制；每条光输入端由输入光接收器和光纤组成。光谱仪的多个波长不同的输出，可以是一个或多于一个，每个输出经过一条光纤，输出的数量和光纤的条数没有限制。每条光输入端所连接的光纤长度各不相同。光谱仪的多个波长不同的输出，连接的光纤长度各不相同。多个波长不同的输出，连接多条光纤，其长度的差异换算为光信号在光纤内传输的时间，此时间要求大于需测量脉冲光的脉冲宽度。多个光输入端所连接的光纤，各光纤之间的长度的差异应大于光输出光纤中最长的一条的长度，且应多留一段余量；此长度余量，换算为光信号在光纤内传输的时间，此时间要求大于需测量脉冲光的脉冲宽度。

如果光接收器的光敏感面积足够大，则多个波长不同的输出对应多条不同长度的光纤，可直接连接至光电转换器的光接收敏感部分，省去不用光纤耦合器，以降低仪器的复杂程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1，本发明的结构示意图。

图2，多个脉冲光输入的能量与时间的关系图。

图3，经过不同长度光纤传输后多个脉冲光输入的能量与时间的关系图。

图4，进入光谱仪的光谱信号的波长与能量的关系图。

图5，光谱仪输出经由不同长度光纤传输后的能量与时间的关系图。

图6，多个光谱信号经过本发明后得到的光信号能量与时间的关系图。

其中，1，第1路输入光接收器 2，第2路输入光接收器 3，第N路输入光接收器 4，光纤 5，光纤 6，光纤 7，光纤耦合器 8，光纤 9，光谱仪 10，光纤 11，光纤 12，光纤 13，光纤耦合器 14，光纤 15，光电转换器 16，外部计算机采集系统

具体实施方式

此处的具体实施方式是为了举例解释本发明的发明内容，并不限定于此例的形式。

如图1，一种单接收器件的脉冲光谱仪，用于测量同一时刻的多个脉冲光信号，包括光谱仪(9)，外部计算机采集系统(16)，其特征在于同一时刻的三个光脉冲信号通过第1路输入光接收器(1)、第2路输入光接收器(2)、第N路输入光接收器(3)，分别经过不同长度的光纤(4)、光纤(5)、光纤(6)，连接到N×1的光纤耦合器(7)，光纤耦合器(7)的输出端使用光纤(8)连接到一部光谱仪(9)，光谱仪(9)的多个波长不同的输出分别运用多条不同长度的光纤(10)、光纤(11)和光纤(12)，将不同波长的输出光信号耦合至光纤耦合器(13)，其合并的光信号输出通过光纤(14)连接至光电转换器(15)，并由外部计算机采集系统(16)将光电转换器(15)所输出的电信号转换、存储、显示。

图2～图6用一个实例讲述了单接收器件的脉冲光谱仪工作的过程。如图2所示，有三个光谱信号S_a、S_b、S_c，其在时间轴上是重叠的，能量各有不同。三个光谱信号，分别经过第1、第2、第N路输入光接收器耦合进入到不同长度的光纤(4)、光纤(5)、光纤(6)中，由于光纤长度不同，光信号传输所经过的时间也不同，由图3所示，三个光谱分别从t₀延时至t_a、t_b、t_c。三个有时间差的光信号由光纤耦合器(7)耦合至一根光纤(8)，并传输至光谱仪(9)。光谱仪将光信号按频率或波长的不同而分光，光谱在频域上的特性由图4所示，需要测量的三个不同频率的光分别耦合至三根长度不同的光纤(10)、光纤(11)、光纤(12)中，由于光纤长度不同，最终三根光纤的光信号经光纤耦合器(13)耦合到光纤(14)并到达光电转换器件(15)时，有时间差，在图5上表达的结果是从t_N0分别延时至t_d、t_e、t_f时刻。为了能够分辨最终的信号是来自哪个脉冲光源，图3所示的t_a到t_c的时间要大于t_d，t_e两个时刻的时间差，也就是说，光纤(4)、光纤(5)、光纤(6)的两两之间长度之差，应大于光纤(10)、光纤(11)、光纤(12)之中最长的一根光纤的长度，并应再多留出一些余量，以便使信号清晰地分离开来。图2所示的三个脉冲光源的光谱信号S_a、S_b、S_c，经过本发明的光学延时处理之后，在光电转换器件(15)接收到的光的能量信号由图6所示，分别按照输入光接收器的不同和光谱的不同，展开成为从t₀时刻开始的从t_ad直到t_cf的一系列能量信号随时间的变化。单一的光电转换器件(15)可以测量同时到来的多个光信号的光谱信息，经过外部计算机采集系统(16)将光电转换器(15)所输出的电信号转换、存储、显示。

上述实施例中的三个光脉冲信号、三个不同频率的光均为举例说明，实际应用中数量可以是任意个，用三个只是用来说明本发明的工作过程。

所使用的光纤是无源器件，能量在其中传输也不会损失太多；脉冲光谱信号由于信号变化速度快，需要使用较快速的A/D转换器，快速的转换器正好转换由本发明转换得来的一系列光谱信号；使用单一光电接收器件在A/D转换、功耗方面比多个光电接收器有很大的功耗上的优势，特别是在使用电池供电的系统中，更能体现出其优势，有利于其推广使用。

Claims

1.一种单接收器件的脉冲光谱仪，用于测量同一时刻的多个脉冲光信号，包括光谱仪(9)，外部计算机采集系统(16)，其特征在于同一时刻的多个光脉冲信号通过第1路输入光接收器(1)、第2路输入光接收器(2)、第N路输入光接收器(3)，分别经过不同长度的光纤(4)、光纤(5)、光纤(6)，连接到N×1的光纤耦合器(7)，光纤耦合器(7)的输出端使用光纤(8)连接到一部光谱仪(9)，光谱仪(9)的多个波长不同的输出分别运用多条不同长度的光纤(10)、光纤(11)和光纤(12)，将不同波长的输出光信号耦合至光纤耦合器(13)，其合并的光信号输出通过光纤(14)连接至光电转换器(15)，并由外部计算机采集系统(16)将光电转换器(15)所输出的电信号转换、存储、显示。

2.如权利要求1所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于光输入端数量大于或等于一条，没有数量限制；每条光输入端由输入光接收器(1)和光纤(4)组成。

3.如权利要求1所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于光谱仪(9)的多个波长不同的输出，可以是一个或多于一个，每个输出经过一条光纤(10)，输出的数量和光纤的条数没有限制。

4.如权利要求1、2所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于每条光输入端所连接的光纤长度各不相同。

5.如权利要求1、3所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于光谱仪(9)的多个波长不同的输出，连接的光纤长度各不相同。

6.如权利要求1所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于权利要求5所述的多个波长不同的输出，连接多条光纤，其长度的差异换算为光信号在光纤内传输的时间，此时间要求大于需测量脉冲光的脉冲宽度。

7.如权利要求1所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于权利要求4所述的多个光输入端所连接的光纤，各光纤之间的长度的差异应大于如权利要求6所述各条光纤中最长的一条的长度，且应多留一段长度余量；此长度余量，换算为光信号在光纤内传输的时间，此时间要求大于需测量脉冲光的脉冲宽度。

8.如权利要求1所述的单接收器件的脉冲光谱仪，其特征在于可将多个波长不同的输出对应多条不同长度的光纤(10)直接连接至光电转换器(15)的光接收敏感部分，省去不用光纤耦合器(13)。