CN102288289A - 一种光纤光栅峰值波长的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤光栅峰值波长的确定方法，涉及一种光纤布拉格光栅。针对目前光纤Bragg光栅解调方案中采用低分辨率CCD测量FBG峰值波长时存在的问题，提出一种采用基于FBG实际反射谱构建基函数匹配CCD测量获得的有限测量点确定FBG峰值波长偏移量的新方法。分别在理论和实验上对这种方法的有效性和可行性进行了研究，证明这种采用FBG实际反射谱函数匹配有限测量数据的方法比采用特定函数拟合测量数据的方法能够更准确地获得FBG峰值波长的偏移量。实现了在CCD采样点数少、光谱分辨率较低的情况下对FBG峰值波长偏移量的高精度确定，有效地提高了实际工程应用中基于低成本CCD解调FBG峰值波长及其微小偏移量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤布拉格光栅，尤其是涉及一种光纤传感领域中的光纤光栅波长解调。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)是当前具有代表性的光纤无源器件，在光纤通信和传感领域都有广泛的应用。在光纤光栅的传感应用中，为了能够准确获得被测物理量的信息，FBG波长的解调是决定传感系统性能的关键技术之一。目前，FBG波长解调方法大致可分为两类：第一类，通过波长可调的扫描光源，或基于光栅衍射的光谱测量方法检测FBG的反射谱，从而得出FBG峰值波长的偏移量，例如采用光谱仪直接测量、采用CCD(ChargeCoupled Device)检测、扫描滤波器及扫描激光法等；第二类，使用固定滤波器，如边沿滤波法，利用滤波器上升或下降边沿光强透射率与波长呈线性关系的特性将FBG峰值波长的偏移转换为输出光强度的变化。采用高波长精度的扫描光源和光谱仪存在系统应用成本高、检测速度慢等问题；边沿滤波法系统虽然简单，但是存在滤波器与FBG要求严格匹配、测量范围与精度存在矛盾、多点复用不便等问题。
采用平面或体光栅对FBG反射光衍射并结合线性CCD测量FBG的反射谱从而获得FBG峰值波长变化的方法具有光谱测量快速、可测波长范围宽、成本较低等优点。但这种方法得到的FBG峰值波长的精确度与FBG反射谱测量的分辨率与CCD的像素数目有很大关系。例如，对于目前常见的采用512个像素点的长波长CCD测量1520～1570nm波长范围的检测系统来说，相邻像素点对应的光谱分辨率约为0.1nm。而对于采用普通FBG的温度或应变传感系统来说，温度或应变对应的FBG峰值波长偏移量仅为0.01nm/℃和0.012nm/με(设光源波长为1550nm)。因此，为了得到FBG峰值波长的微小变化，通常需要将CCD获得的若干个离散的FBG采样数据通过已知函数的曲线拟合估算出FBG反射谱的峰值。这种算法存在的缺点有：首先，由于受到CCD像素有限的限制，扫描FBG反射谱获得的采样点数十分有限，精确重构FBG反射谱的难度较大；其次，如果用于重构FBG反射谱的已知函数，如高斯函数、洛仑兹函数、弗高特函数、样条函数、径向基函数网络等与FBG实际的反射谱有较大差异时，这种算法将大大降低FBG峰值波长解调的准确度。而FBG在实际制作和封装过程的不完善都会使其反射谱与理论设计有较大差别。
中国专利CN1570549公开一种光纤光栅峰值波长调谐装置，它包括光纤、第一内套管、第三内套管、第二内套管、外套管、套筒、法兰盘、拉杆，法兰盘与第二环之间设置有第二弹簧，法兰盘与第一环之间设置有第一弹簧，该发明使裸的光纤光栅直接承受拉应变和压应变，可获取大的调谐范围；温度交扰仅由光纤本身性质决定，易于补偿。在采用双压弹簧对光纤光栅进行调谐时，可保证位移对峰值波长的线性调谐作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤光栅峰值波长的确定方法。
本发明包括以下步骤：
1)用光谱仪测量光纤布拉格光栅(FBG)在常温下的反射谱；
在步骤1)中，所述用光谱仪测量光纤布拉格光栅(FBG)在常温下的反射谱的具体方法如下：
设反射谱上最大光功率为Pmax，取反射谱上所有光功率大于20％*Pmax的实测数据点构建基函数，基函数的宽度用波长最大值与最小值的差Δλ表示；以96％*Pmax为基准将用来构建基函数的实测数据做功率归一化处理，然后采用多项式分段拟合归一化之后的FBG反射谱数据，得出基函数的表达式F(λ)。
2)设CCD对FBG反射谱进行采样的测量点波长间隔为ΔλS，与基函数F(λ)进行匹配运算的有效采样点为CCD在FBG反射谱上获得的所有采样点中光功率大于20％*Pmax且彼此相邻的m个点，
并以采样点中的光功率最大值为基准，对选取的m个采样点做功率归一化；
3)将经过功率归一化的m个有效采样数据点(λi，Pi)，(i＝1，2，3，…，m)与基函数F(λ)进行比对，根据最小二乘算法，即采样点的功率值与基函数平移至采样点的波长时对应的功率值之差的平方和I达到最小时，基函数与采样点达到匹配，这时基函数峰值对应的波长为实际的FBG峰值波长，基函数在波长上的平移量Δλ为实际FBG峰值波长偏移量。
本发明提出不采用特定形状的已知函数，而将FBG实际的反射谱(可以预先通过高精度光谱仪测量获得)作为基函数，匹配实际系统CCD测量所得的采样数据，获得FBG峰值波长的偏移量。这种新的方法可以克服采用常规函数重构FBG反射谱的弊端，可有效提高FBG峰值波长解调的准确度，从而在CCD采样点数少、光谱分辨率低的情况下实现FBG峰值波长的高精度解调。
本发明针对目前光纤Bragg光栅(FBG)解调方案中采用低分辨率CCD测量FBG峰值波长时存在的问题，提出一种采用基于FBG实际反射谱构建基函数匹配CCD测量获得的有限测量点确定FBG峰值波长偏移量的新方法。分别在理论和实验上对这种方法的有效性和可行性进行了研究，证明这种采用FBG实际反射谱函数匹配有限测量数据的方法比采用特定函数拟合测量数据的方法能够更准确地获得FBG峰值波长的偏移量。实现了在CCD采样点数少、光谱分辨率较低的情况下对FBG峰值波长偏移量的高精度确定，有效地提高了实际工程应用中基于低成本CCD解调FBG峰值波长及其微小偏移量的准确性。
附图说明
图1为光栅实际反射谱(曲线a)以及基于实际反射谱构建的高斯函数曲线(曲线b)。在图1中，横坐标为波长/nm，纵坐标为光功率/mW。
图2为功率归一化的光栅反射谱(曲线a)以及基于此反射谱构建的基函数曲线(曲线b)。在图2中，横坐标为波长/nm，纵坐标为光功率/a.u.。
图3为仿真实验的光栅峰值波长偏移量对比图。在图3中，横坐标为峰值波长偏移量/nm，纵坐标为峰值波长偏移量/nm。
图4为仿真实验的光栅峰值波长偏移量相对误差对比图。在图4中，横坐标为峰值波长偏移量/nm，纵坐标为峰值波长偏移量相对误差。
图5为实测实验的光栅峰值波长偏移量对比图。在图5中，横坐标为温度/℃，纵坐标为峰值波长偏移量/nm。
图6为实测实验的光栅峰值波长偏移量相对误差对比图。在图6中，横坐标为温度/℃，纵坐标为峰值波长偏移量相对误差。
具体实施方式
1)采用高精度光谱仪测量FBG在常温下的反射谱。设反射谱上最大光功率为Pmax，取反射谱上所有光功率大于20％*Pmax的实测数据点构建基函数，基函数的宽度用波长最大值与最小值的差Δλ表示。以96％*Pmax为基准将用来构建基函数的实测数据做功率归一化处理，然后采用多项式分段拟合归一化之后的FBG反射谱数据得出基函数的表达式F(λ)。
2)设CCD对FBG反射谱进行采样的测量点波长间隔为ΔλS，与基函数F(λ)进行匹配运算的有效采样点为CCD在FBG反射谱上获得的所有采样点中光功率大于20％*Pmax且彼此相邻的m个点，
并以采样点中的光功率最大值为基准，对选取的m个采样点做功率归一化。
3)将经过功率归一化的m个有效采样数据点(λi，Pi)，(i＝1，2，3，…，m)与基函数F(λ)进行比对，根据最小二乘算法，即采样点的功率值与基函数平移至采样点的波长时对应的功率值之差的平方和I达到最小时，基函数与采样点达到匹配，这时基函数峰值对应的波长为实际的FBG峰值波长，基函数在波长上的平移量Δλ为实际FBG峰值波长偏移量。
光栅实际反射谱(曲线a)以及基于实际反射谱构建的高斯函数曲线(曲线b)参见图1。
功率归一化的光栅反射谱(曲线a)以及基于此反射谱构建的基函数曲线(曲线b)参见图2。
仿真实验的光栅峰值波长偏移量对比图参见图3，在图3中，标记■为峰值波长偏移量真实值，●为基函数匹配结果，▲为高斯拟合结果。
仿真实验的光栅峰值波长偏移量相对误差对比图参见图4，在图4中，标记●为基函数匹配结果，▲为高斯拟合结果。
实测实验的光栅峰值波长偏移量对比图参见图5，在图5中，标记■为峰值波长偏移量真实值，●为基函数匹配结果，▲为高斯拟合结果。
实测实验的光栅峰值波长偏移量相对误差对比图参见图6，在图6中，标记●为基函数匹配结果，▲为高斯拟合结果。
Claims (2)
1.一种光纤光栅峰值波长的确定方法，其特征在于包括以下步骤：
1)用光谱仪测量光纤布拉格光栅在常温下的反射谱；
2)设CCD对FBG反射谱进行采样的测量点波长间隔为ΔλS，与基函数F(λ)进行匹配运算的有效采样点为CCD在FBG反射谱上获得的所有采样点中光功率大于20％*Pmax且彼此相邻的m个点，
并以采样点中的光功率最大值为基准，对选取的m个采样点做功率归一化；
3)将经过功率归一化的m个有效采样数据点(λi，Pi)，(i＝1，2，3，…，m)与基函数F(λ)进行比对，根据最小二乘算法，即采样点的功率值与基函数平移至采样点的波长时对应的功率值之差的平方和I达到最小时，
基函数与采样点达到匹配，这时基函数峰值对应的波长为实际的FBG峰值波长，基函数在波长上的平移量Δλ为实际FBG峰值波长偏移量。
2.如权利要求1所述的一种光纤光栅峰值波长的确定方法，其特征在于在步骤1)中，所述用光谱仪测量光纤布拉格光栅在常温下的反射谱的具体方法如下：
设反射谱上最大光功率为Pmax，取反射谱上所有光功率大于20％*Pmax的实测数据点构建基函数，基函数的宽度用波长最大值与最小值的差Δλ表示；以96％*Pmax为基准将用来构建基函数的实测数据做功率归一化处理，然后采用多项式分段拟合归一化之后的FBG反射谱数据，得出基函数的表达式F(λ)。
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