CN103344415A - 一种光谱获取方法及其获取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的光谱获取方法，主要包括步骤：a、利用脉冲激光器生成初始波长的窄带脉冲；b、将窄带脉冲输入放大器放大并输送至分路器；c、分路器将输入信号的10%输出至光谱探测系统，余下90%输出至移频器；d、移频器将信号移频后输出至步骤b所述的放大器，形成循环。光谱获取系统，包括脉冲激光器、泵浦激光源和探测单元，所述脉冲激光器用于生成初始波长的窄带脉冲。本发明的有益效果是：本发明提供了一种新光谱获取系统方案，所述方案通过移频回路产生时域的光脉冲序列，简单的实现了对串联型被测光学器件的光谱检测。并且本系统噪声低、能量高，可以很好地在时域上实现对串行复用的被测光学器件进行光谱探测分析。
Description
技术领域
本发明涉及光谱探测技术领域，具体涉及一种基于移频器产生时域脉冲序列以对串行复用的被测光学器进行光谱获取的方法及系统。
背景技术
光谱特性是反映光学仪器的重要参数之一，一个光学系统的光谱特性信息主要是由光学器件的内在性质决定，这里的光学仪器是指光学系统中的比如光源、光路传输媒介、耦合器以及被测物等器件。通常通过对光学器件的光谱特性分析就能获得由其它方法所不能获得的该器件的内在属性。因此在检测技术领域，光谱提取和光谱分析技术有着非常广阔的应用前景。近年来，随着光器件在生物、医学、能源、环境、航天航空以及军事等领域的快速发展，光学器件的单一使用已无法满足应用需求，越来越多的领域需要光器件的复用。例如，测量空间不同位置处的光学器件的光谱，就需要对光学器件的串联或并联复用。
现有技术多是通过宽带光脉冲发生装置为整个探测系统提供光能输入，宽带连续光打到分光色散元件上，探测器根据连续光在各个波长处的能量谱，分析得出所测光学元件的光谱特征。这种频域实现方法的具体原理是光源产生的宽带连续光（指光源的带宽比较大并且是连续的）照射到被测光学器件上，并通过使被测光学器件在各个波长处移动，探测器探测通过被测光学器件的连续光在各个波长处的能量值并传输给信号处理单元PC分析处理，通过分辨各波长能量值的组成特征从而分辨出被测光学器件的光谱特征。
但是这种光学探测系统仅能在频域中实现对被测光学器件的光谱探测，对于诸如图2所示的法-珀干涉仪等串联复用的被测器件无法适用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的光谱探测系统对诸如法-珀干涉仪等串联复用的被测光学器件无法适用的不足，提出了一种基于移频器实现的可应用于串联复用的被测光学器件的光谱获取方法及系统。
本发明为解决上述技术问题的技术方案是：
一种光谱获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、利用脉冲激光器生成初始波长的窄带脉冲；
b、将窄带脉冲输入放大器放大并输送至分路器；
c、分路器将输入信号的10%输出至光谱探测系统，余下90%输出至移频器；
d、移频器将信号移频后输出至步骤b所述的放大器，形成循环。
进一步的，上述步骤b的窄带脉冲在输入放大器前先输入与泵浦激光源耦合连接的波分复用单元，波分复用单元将信号耦合后的信号输出至放大器。
一种光谱获取系统，包括脉冲激光器、泵浦激光源和探测单元，所述脉冲激光器用于生成初始波长的窄带脉冲，其特征在于还包括波分复用单元、移频回路和光谱探测单元，所述波分复用单元包括第一输入端、第二输入端和输出端，用于将第一输入端和第二输入端的信号耦合后输出，所述脉冲激光器和泵浦激光源分别与波分复用单元的第一输入端和第二输入端相连接，所述移频回路包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端和第一输出端分别与波分复用单元的输出端和第一输入端相连接，用于将波分复用单元的输出信号经移频后输入波分复用单元与泵浦激光源耦合，所述移频回路的第二输出端与探测单元相连接，用于向探测单元输入光谱探测所需的激光序列。
优选的，所述移频回路包括第一分路器和移频器，所述第一分路器为一分二分路器，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端作为移频回路的输入端，第二输出端作为移频回路的第二输出端，所述移频器包括输入端和输出端，所述输入端与第一分路器的第一输出端相连接，所述输出端作为移频回路的第一输出端。
进一步的，上述移频回路还包括放大单元，所述放大单元连接于波分复用单元的输出端与第一分路器的输入端之间，用于补偿信号的损耗。
进一步的，上述光谱获取系统还包括光开关，所述光开关为单刀双掷开关，其三个连接端分别与移频器输出端、脉冲激光器和波分复用单元的第一输入端相连接，用于实现波分复用单元选择性与脉冲激光器和移频器连接。
进一步的，上述光谱获取系统包括反馈回路，所述反馈回路连接于移频回路的第二输出端和放大单元之间，用于根据移频回路的第二输出端信号反馈调节放大单元的输出。
进一步的，上述光谱获取系统的探测单元包括探测装置、分路器和环行器，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，所述分路器为一分二分路器，输入端与移频回路的输出端相连接，输出端分别与探测装置的第一探测器和环行器的第一端口相连接，所述环行器为三端口环行器，其第二端口用于与被测光学器件耦合连接，第三端口与第二探测器相连接，所述第一探测器和第二探测器用于将光信号转换为电信号并输入信号处理单元，所述信号处理单元用于对信号进行运算处理。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种新光谱获取系统方案，所述方案通过移频回路产生时域的光脉冲序列，简单的实现了对串联型被测光学器件的光谱检测。另外通过挑选拉曼光纤放大器等器件构成光谱获取系统，使得本系统具有噪声低、能量高、光脉冲序列稳定并且探测精度高、系统分辨率高等优良性能，可以很好地在时域上实现对串行复用的被测光学器件进行光谱探测分析。
附图说明
图1为本发明的实施例1系统框图；
图2为被测光学器件的示意图；
图3为脉冲序列示意图；
图4为本发明的实施例2系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步的说明。
实施例1：
本实施例的一种光谱获取方法，包括以下步骤：a、利用脉冲激光器生成初始波长的窄带脉冲；b、将初始波长窄带脉冲输入放大器放大并输出至分路器；c、分路器将输入信号的10%输出至光谱探测系统，余下90%的信号输送至移频器；d、移频器将信号移频后输出至步骤b所述的放大器，形成循环。
上述步骤b的窄带脉冲在输入放大器前先输入与泵浦激光源耦合连接的波分复用单元，波分复用单元将信号耦合后的信号输出至放大器。其中，第一次输入波分复用单元的信号为脉冲激光器产生的窄带脉冲，经过一次循环后为移频器输出的脉冲信号。
如图1所示，本实施例的一种光谱获取系统，包括脉冲激光器、泵浦激光源和探测单元，脉冲激光器用于生成初始波长的窄带脉冲，还包括波分复用单元WDM、移频回路和光谱探测单元，所述波分复用单元包括第一输入端、第二输入端和输出端，用于将第一输入端和第二输入端的信号耦合后输出，所述脉冲激光器和泵浦激光源分别与波分复用单元的第一输入端和第二输入端相连接，所述移频回路包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端和第一输出端分别与波分复用单元的输出端和第一输入端相连接，用于将波分复用单元的输出信号经移频后输入波分复用单元于泵浦激光源耦合，所述移频回路的第二输出端与探测单元相连接，用于向探测单元输入光谱探测所需的激光序列。其工作原理是，首先由脉冲激光器产生一个初始波长为λ0的窄带脉冲，该脉冲输入波分复用单元WDM后与泵浦激光源输入的能量相耦合，然后经波分复用单元输出给移频回路，移频回路将约10%的脉冲激光经第二输出端输出用于探测被测光学器件的光谱，剩下的约90%的脉冲激光经移频回路移频△λ后再经波分复用单元与泵浦激光源耦合，随后循环进行输出和移频，进而在移频回路的第二输出端就可以得到可用于对串行复用的被测光学器件进行光谱探测的时域的激光脉冲序列，如图3所示。该脉冲序列经一分二分路器平均分为两路，一路用于直接输入探测装置的一探测器，另一路输入被测光学器件并经被测光学器件反射后输入探测装置的另一探测器，通过信号处理单元处理两探测器的信号以得到被测光学器件的光谱。
为了便于理解本发明的技术原理，本实施例中的移频回路优选为包括第一分路器（图1所示的分路器1）和移频器，第一分路器为一分二分路器，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端与波分复用单元的输出端相连接，第一输出端与移频器相连接，第二输出端作为移频回路的第二输出端。以上为移频回路的经典模式，也是本发明的一优选实施例，不应该被解释为本发明的保护范围仅限于此具体方案。
基于上述实施例的技术方案在系统稳定性上还存在一定的问题，主要表现在系统能量的不断衰减上，为了克服该问题，本实施例中于上述移频回路中增加放大单元，所述放大单元连接于波分复用单元的输出端与第一分路器的输入端之间，用于补偿信号的损耗。
同样的，为了是本发明的技术方案更为直观，本实施例中的波分复用单元与脉冲激光器和移频回路之间连接的转换采用光开关实现，所述光开关为单刀双掷开关，其三个连接端分别与移频器输出端、脉冲激光器和波分复用单元的第一输入端相连接，用于实现波分复用单元选择性与脉冲激光器和移频器连接。具体过程为，在系统初始阶段，光开关将脉冲激光器与波分复用单元相连接，脉冲激光器产生的初始窄带脉冲经过光开关输入波分复用单元，此时光开关切换为与脉冲激光器断开而与移频回路相连接，使移频回路移频后的脉冲激光信号经过光开关输入波分复用单元。同理，该采用光开关实现连接转换的方式也只是本发明的一具体实施例，不应该被解释为本发明的保护范围仅限于此具体方案。
尽管采用了放大单元等措施，上述的优选方案的系统仍然不够稳定，为了进一步提高系统的稳定性，本实施例进一步增加一反馈回路，所述反馈回路连接于移频回路的第二输出端和放大单元之间，用于根据移频回路的第二输出端信号反馈调节放大单元的输出。该放大单元可以为通常的可调式放大器，也可以是不可调的放大器与可调的光衰减器的组合。反馈信号可以是电信号或其他可能的信号。反馈回路的反馈信号可以从另一分路器或者一分多分路器获取，获取能量约为输入该分路器的光能量的20%，其余约80%的能量经分路器分两路后输入探测单元用于被测光学器件的光谱获取。
具体的，上述光谱获取系统的探测单元包括探测装置、分路器和环行器，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，所述分路器为一分二分路器，输入端与移频回路的输出端相连接，输出端分别与探测装置的第一探测器和环行器的第一端口相连接，所述环行器为三端口环行器，其第二端口用于与被测光学器件耦合连接，第三端口与第二探测器相连接，所述第一探测器和第二探测器用于将光信号转换为电信号并输入信号处理单元，所述信号处理单元用于对所述电信号进行运算处理。
实施例2：
如图2所示，本实施例的一种光谱获取系统与实施例1所公开的光谱获取系统具有同样的脉冲激光器、移频回路、泵浦激光源及其相应的连接方式，所不同的是在移频回路的第二输出端包括至少一个分路器或者移频回路包括多个输出端，所述输出端或分路器的输出端可与至少两个探测单元相连接，可实现同时对至少两个被测光学器件进行光谱获取。
关于本实施例的技术方案所针对的被测光学器件可以为串行复用的珐-珀干涉仪和/或布拉格光纤光栅。珐-珀干涉仪和布拉格光纤光栅都为反射式光学器件。被测串行复用的光学器件的反射波长范围（λ1，λ2...λn）要小于光脉冲序列光信号的波长范围(λ0，λ0+△λ...λ0+n△λ）。
下面结合图1到图4以光信号的产生及流动为线索对上述实施例1/实施例2的原理做进一步说明：
首先，脉冲激光器生成波长λ0的初始单一窄带脉冲并将初始光脉冲送入环形腔。当初始光脉冲送入环形腔后，与脉冲激光器连通的光开关的一端断开并切换到另一端，将环形腔连通。光脉冲信号经过光开关后与泵浦激光提供的光信号通过WDM耦合，接着经过放大器使光脉冲信号得到放大，然后光脉冲信号经过分路器1分为两路，其中10%的一路从环形腔输出，90%的一路进入下一级循环。进入下一级循环的波长λ0初始单一窄带脉冲经过移频器变为λ0+△λ的窄带脉冲光信号，光信号在环形腔中循环依次得到增益和频移，形成间隔△λ的光脉冲序列串。从环形腔输出的10%光脉冲信号输入分路器2。分路器2用于将环形腔输出的光脉冲信号分为两路，其中5%的一路输入第一探测器，95%的一路输入三端口环行器的第一端口并由环行器的第二端口输出射向反射式被测串行复用光学器件，该光脉冲序列串信号经被测串行复用光学器件反射后由环行器2的第二端口输入并经第三端口输出，进而输入第二探测器，两个探测器与PC机（信号处理单元）相连，PC机通过对比分析俩路光在各个波长处的不同能量谱信息，从而获得被测光学器件的特性。
采用图4所示的系统可以实现对两个被测串行复用光学器件的同时探测，使系统的测量速度得到很大提升。
其中泵浦激光器用于为整个系统提供能量，放大器用于补偿系统能量损失。由于拉曼光纤放大器对比于掺饵光纤放大器等其它放大器具有理论噪声为零，能够灵活控制增益带宽和增益波段的优良性能。所以为了进一步增加带宽，降低环形腔内损耗，本发明的方案中优选拉曼放大器作为放大单元为下一级光信号提供增益补偿，从而改善了输出的光脉冲，达到提高系统性能的目的，为了是以拉曼放大器为主的放大单元具有反馈调节功能，本实施例的方案是在拉曼放大器串行的链路上串联一可调光衰减器。所述频移器将经过的每一个光脉冲频移△λ从而形成波长间隔△λ的光脉冲序列串。在时域上不同位置对应了不同波长光强的光脉冲序列串被送入被测串行复用的光学器件。由于现有技术可以把△λ控制在很小的范围内，所以本系统的探测精度和分辨率可以达到很高。
由于本发明系统噪声低，能量高，环形腔能够输出波长间隔△λ很小的稳定的光脉冲序列串，可以测得光学器件不同空间位置的光谱特征，从而能对串行复用的被测光学器件进行高分辨率的光谱探测。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光谱获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、利用脉冲激光器生成初始波长的窄带脉冲；
b、将窄带脉冲输入放大器放大并输送至分路器；
c、分路器将部分输入信号输出至光谱探测系统，余下部分输出至移频器；
d、移频器将信号移频后输出至步骤b所述的放大器，形成循环。
2.根据权利要求1所述的一种光谱获取方法，其特征在于，所述步骤b的窄带脉冲在输入放大器前先输入与泵浦激光源耦合连接的波分复用单元，波分复用单元将耦合后的信号输出至放大器。
3.一种光谱获取系统，包括脉冲激光器、泵浦激光源和探测单元，所述脉冲激光器用于生成初始波长的窄带脉冲，其特征在于还包括波分复用单元、移频回路和光谱探测单元，所述波分复用单元包括第一输入端、第二输入端和输出端，用于将第一输入端和第二输入端的信号耦合后输出，所述脉冲激光器和泵浦激光源分别与波分复用单元的第一输入端和第二输入端相连接，所述移频回路包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端和第一输出端分别与波分复用单元的输出端和第一输入端相连接，用于将波分复用单元的输出信号经移频后输入波分复用单元与泵浦激光源耦合，所述移频回路的第二输出端与探测单元相连接，用于向探测单元输入光谱探测所需的激光序列。
4.根据权利要求3所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述移频回路包括分路器和移频器，所述分路器为一分二分路器，包括输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端作为移频回路的输入端，第二输出端作为移频回路的第二输出端，所述移频器包括输入端和输出端，所述输入端与第一分路器的第一输出端相连接，所述输出端作为移频回路的第一输出端。
5.根据权利要求3所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述光谱获取系统还包括光开关，所述光开关为单刀双掷开关，其三个连接端分别与移频器输出端、脉冲激光器和波分复用单元的第一输入端相连接，用于实现波分复用单元选择性与脉冲激光器和移频器连接。
6.根据权利要求4所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述移频回路还包括放大单元，所述放大单元连接于波分复用单元的输出端与第一分路器的输入端之间，用于补偿信号的损耗。
7.根据权利要求6所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述光谱获取系统还包括光开关，所述光开关为单刀双掷开关，其三个连接端分别与移频器输出端、脉冲激光器和波分复用单元的第一输入端相连接，用于实现波分复用单元选择性与脉冲激光器和移频器连接。
8.根据权利要求6所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述光谱获取系统包括反馈回路，所述反馈回路连接于移频回路的第二输出端和放大单元之间，用于根据移频回路的第二输出端信号反馈调节放大单元的输出。
9.根据权利要求3至8的任一权利要求所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述光谱获取系统的探测单元包括探测装置、分路器和环行器，所述探测装置包括第一探测器、第二探测器和信号处理单元，所述分路器为一分二分路器，输入端与移频回路的输出端相连接，输出端分别与探测装置的第一探测器和环行器的第一端口相连接，所述环行器为三端口环行器，其第二端口用于与被测光学器件耦合连接，第三端口与第二探测器相连接，所述第一探测器和第二探测器用于将光信号转换为电信号并输入信号处理单元，所述信号处理单元用于对所述电信号进行运算处理。
10.根据权利要求6至8的任一权利要求所述的一种光谱获取系统，其特征在于，所述放大单元包括拉曼光纤放大器。
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