CN103411686A - 基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置与方法，适用于光纤通信和传感领域基于法珀滤波器的扫描光源输出波长的精确定位。本发明利用气体分子在近红外波段的多条吸收谱线为光纤扫描光源的波长标定提供多个参考波长，具有极高的稳定性。标定过程中，宽带光经过连续电压驱动的法珀滤波器后输出窄线宽扫描光，在气室中与气体分子相互作用形成气体吸收光谱；通过基线提取、吸收峰拟合和吸收波长查询，获得气体各条吸收谱线对应的驱动电压和吸收波长；然后根据各谱线电压-波长对应关系，对光纤扫描光源的输出波长进行标定，并通过样条插值实现系统波长定位。本发明具有装置简单、易集成、精度高等优点，具有广阔的应用前景。

Description

基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信和传感领域，尤其涉及一种以光纤法珀可调滤波器为关键器件的扫描光源输出波长的标定方法。

背景技术

光纤扫描光源作为一种可调谐窄线宽光源，以其宽输出波长范围、窄输出光谱线宽等优点，在近年来得到了快速发展，并被广泛用作各种光纤通信和传感系统的光源。相比于FBG、M-Z干涉仪等选频器件，光纤法珀可调滤波器调谐范围宽、调谐速率快、分辨率和精细度高，是构成光纤扫描光源的常用器件。法珀滤波器是基于法珀干涉仪的原理进行波长选择的，当一束宽带光入射到两块内表面镀有高反膜的平行平板上时，会发生多次反射和折射，在透射光方向形成一系列不同波长的等倾干涉亮条纹。当用连续电压驱动压电陶瓷来改变两板间的距离时，透射光极大值对应的波长也连续改变，从而得到窄线宽扫描光输出。若滤波器的自由光谱范围大于光纤扫描光源的输出波长范围，则光源的驱动电压与输出波长是一一对应的。对光纤扫描光源的电压-波长关系进行标定后，即可由实时驱动电压快速定位光源输出波长，为各种应用场合的波长测量提供基准。

迄今为止，已有基于光谱分析仪、FBG阵列和F-P标准具的多种光纤扫描光源波长标定方法，但均有其不足之处。光谱仪体积较大且价格昂贵，不利于标定装置的小型化、模块化，也不利于与应用系统集成；FBG阵列和F-P标准具虽能提供多个参考波长用于标定，但受器件热稳定性的影响，参考波长会随温度的改变而发生不同程度的漂移，从而偏离其标称值，给标定带来误差。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置及方法，利用气体分子在近红外波段的多条泛频吸收谱线的中心波长作为参考波长，实现对以光纤法珀可调滤波器为选频器件的扫描光源的驱动电压-输出波长关系的高精度标定。

气体分子在红外波段具有基频吸收线，在近红外波段具有泛频吸收线，不同分子吸收谱线对应的波长不同，同一分子的不同吸收谱线对应的波长也不同。由于气体吸收波长是由分子本身的能级结构决定的，以其为参考波长对光纤扫描光源的输出波长进行标定，不受温度、振动等环境因素的干扰，系统稳定性及波长定位精度大大提高。

本发明中标定气体的选择具有较强的灵活性和广泛的适应性，可根据不同应用环境中扫描光源输出波长范围的不同选择对其有吸收的气体，例如在1500m-1565nm波长范围内选择乙炔，在1565nm-1625nm波长范围内选择二氧化碳，在1625nm-1670nm波长范围内选择甲烷；标定气体既可以选择高纯气体，也可以将高纯气体与氮气按一定比例混合，其中高纯气体所占比例一般不低于30%，以能在输出光谱曲线上观察到较为明显的气体吸收峰为宜。

本发明的理论依据是朗伯-比尔定律：

I=I₀exp(-αcl)    (1)

当一束光通过气体时，在其吸收波长处光强会发生衰减，I₀和I分别为气体吸收前后的光强。衰减大小与气体吸收系数α、气体浓度c以及光与气体相互作用的长度l有关，可以用谱线吸光度K来定量表征。气体吸收越强则吸光度越大，相应光谱曲线上的光强幅值凹陷就越明显。

K=ln(I₀/I)=αcl    (2)

由于气体吸收谱线的中心波长由分子本身物理性质决定，是个定值，可由HITRAN光谱数据库查询得到，因而只要对气体吸收光谱进行处理获得各谱线中心波长对应的驱动电压，就可对光纤扫描光源的电压-波长关系进行标定，获得光源实时输出波长。

本发明基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，该装置包括光纤扫描光源、气室、探测器、数据采集卡和计算机；所述光纤扫描光源由依次布置的宽带光源、隔离器、可调衰减器和光纤法珀滤波器构成；所述宽带光源发出的光经过隔离器和可调衰减器后进入连续电压驱动调谐的光纤法珀滤波器；其中，所述隔离器用于保证光的单向传输以防止来自光纤法珀滤波器的反射光进入所述宽带光源造成器件的损坏；所述可调衰减器用于对宽带光源的输出光功率进行衰减以避免因功率过高损伤光纤法珀滤波器中的高反膜；所述光纤扫描光源输出的窄线宽扫描光在气室中与气体分子相互作用形成气体吸收光谱，所述探测器接收该气体吸收光谱后将其转换为电信号，所述数据采集卡采集所述探测器输出的光电压，经过模数转换后通过USB连接线送入所述计算机进行处理。

进一步讲，所述气室内充有对扫描光源输出光具有吸收作用的高纯气体；或是该高纯气体与氮气的混合气体，混合气体中高纯气体所占体积比至少为30%。

本发明基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定方法，采用上述基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，并包括如下步骤：

步骤一、用连续电压驱动光纤扫描光源获得窄线宽扫描光输出，该窄线宽扫描光与气室中的气体分子相互作用后，由探测器采集气体吸收光谱，经数据采集卡模数转换后送入计算机处理；

步骤二、对气体吸收光谱采用二阶导极大值寻峰方法进行峰值检测，提取各条吸收谱线，按照各谱线位置处光谱曲线二阶导数值从大到小的顺序，记录不少于10条谱线的光强幅值，然后分别提取上述各谱线的基线，获得无气体吸收时的背景光强；

步骤三、分别计算上述多条谱线的吸光度，并对吸收峰线型采用洛伦兹函数拟合，记录各拟合曲线中心位置处的驱动电压和峰值吸光度；

步骤四、由上述多条谱线的峰值吸光度分别计算各谱线的吸收系数，并通过查询HITRAN光谱数据库，获得各吸收系数对应的谱线中心吸收波长；

步骤五、根据步骤三和步骤四获得的上述多条谱线的驱动电压和中心吸收波长，建立光纤扫描光源的驱动电压-输出波长标定曲线，并对该标定曲线采用样条插值实现光源波长定位。

进一步讲，步骤二中，提取上述各谱线的基线采用线性内插算法，插值范围覆盖整条谱线的吸收区域，插值点两端设置在谱线两侧对光源无吸收的平滑区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明根据近红外光谱吸收原理，利用气体分子吸收波长为光纤扫描光源的输出波长标定提供参考波长，具有极高的稳定性，能大大减弱环境干扰的影响，提高标定精度；

(2)本发明具有较强的可拓展性，可根据标定气体的替换获得不同波段的参考波长，当所选参考波长与待测波长相接近时，波长定位误差大大降低；

(3)本发明所述标定装置结构紧凑，易于与各种光纤通信与传感系统集成，能实现对光纤扫描光源输出波长的实时标定与精确定位，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置示意图；

图2是光纤扫描光源光谱分布图；

图3是乙炔气体部分吸收谱线图；

图4是标定装置采集到的乙炔气体局部吸收光谱图；

图5是气体吸收谱线基线提取示意图；

图6是气体吸收峰线型拟合示意图；

图7是光纤扫描光源输出波长标定曲线；

图8是光纤扫描光源波长标定系统应用拓展示意图；

图9是光纤光栅波长定位精度测试图。

图中，1-宽带光源，2-隔离器，3-可调衰减器，4-光纤法珀滤波器，5-气室，6-探测器，7-数据采集卡，8-计算机，9-光纤扫描光源，10-3dB耦合器，11-环形器，12-光纤光栅，13-第一光探测器，14-第二光探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地描述。

实施例1：

如图1所示，本发明基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，包括光纤扫描光源9、气室5、探测器6、数据采集卡7和计算机8。

所述光纤扫描光源9由依次布置的宽带光源1、隔离器2、可调衰减器3和光纤法珀滤波器4构成。宽带光源1、隔离器2、可调衰减器3、光纤法珀滤波器4、气室5、探测器6通过FC/APC单模光纤适配器依序连接，探测器6与数据采集卡7之间通过铜导线相连，数据采集卡7与计算机8通过USB接口实现数据通信。

所述宽带光源1发出的光经过隔离器2和可调衰减器3后进入连续电压驱动调谐的光纤法珀滤波器4；其中，所述隔离器2用于保证光的单向传输以防止来自光纤法珀滤波器4的反射光进入所述宽带光源1造成器件的损坏；所述可调衰减器3用于对宽带光源1的输出光功率进行衰减以避免因功率过高损伤光纤法珀滤波器4中的高反膜。

所述气室5内充有对扫描光源输出光具有吸收作用的高纯气体；或是该高纯气体与氮气的混合气体，混合气体中高纯气体所占体积比至少为30%。所述光纤扫描光源9输出的窄线宽扫描光在气室5中与气体分子相互作用形成气体吸收光谱，所述探测器6接收该气体吸收光谱后将其转换为电信号，所述数据采集卡7采集所述探测器6输出的光电压，经过模数转换后通过USB连接线送入所述计算机8进行处理。

利用上述基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置进行标定的方法如下：

用连续电压驱动光纤法珀滤波器4，光纤扫描光源9获得窄线宽扫描光输出，所述光纤扫描光源9输出光谱分布如图2所示，波长范围为1500nm-1625nm，覆盖C+L波段，能满足绝大多数光纤传感和通信系统的要求。由于气体吸收需在空间中实现，因而气室采用C-lens实现光纤光路与空间光路的耦合，气室长度为10cm，填充1atm（1个标准大气压）的标定气体，标定气体选择乙炔-氮气混合气，其中乙炔所占体积比例为30%。在光纤扫描光源9中，由宽带光源1发出的宽带光经过隔离器2和可调衰减器3后，以不超过光纤法珀滤波器4输入光功率上限的光强单向进入该光纤法珀滤波器4，而该光纤法珀波滤器4在锯齿波电压的驱动下透射波长连续改变，实现对宽带光的滤波和调谐。光纤法珀滤波器4输出的窄线宽扫描光进入气室5后，该窄线宽扫描光与气室5中的气体分子相互作用，即在气体吸收波长处光强发生衰减，对应的吸收光谱曲线上出现强度凹陷，然后，由探测器6采集气体吸收光谱，探测器6负责对光强进行探测并将光信号转换成电信号，经数据采集卡7模数转换后送入计算机8中进行如下处理：

对气体吸收光谱采用二阶导极大值寻峰方法进行峰值检测，提取各条吸收谱线，按照各谱线位置处光谱曲线二阶导数值从大到小的顺序，记录不少于10条谱线的光强幅值，然后，采用线性内插算法，分别提取上述各谱线的基线，插值范围覆盖整条谱线的吸收区域，插值点两端设置在谱线两侧对光源无吸收的平滑区域，从而获得无气体吸收时的背景光强；

分别计算上述多条谱线的吸光度，并对吸收峰线型采用洛伦兹函数拟合，记录各拟合曲线中心位置处的驱动电压和峰值吸光度；

由上述多条谱线的峰值吸光度分别计算各谱线的吸收系数，并通过查询HITRAN光谱数据库，获得各吸收系数对应的谱线中心吸收波长；

最终计算机8根据步骤三和步骤四解调得到上述多条谱线的驱动电压和中心吸收波长，建立光纤扫描光源9的驱动电压-输出波长标定曲线，并对该标定曲线采用样条插值从而实现对光纤扫描光源9输出波长的标定。

实施例2：

乙炔是一种对近红外光有较强吸收的气体，在1515nm-1540nm之间有几十条强吸收谱线，如图3所示。以乙炔为例，说明光纤扫描光源9的波长标定方法。在实际标定过程中，无需采集气体全部吸收谱线，局部吸收光谱即可提供足够多的参考波长用于标定。图4给出了光纤扫描光源9驱动电压在6.6V到9.6V之间变化，标定气体选择乙炔-氮气混合气时，探测器6采集到的气体吸收光谱图，其中乙炔所占体积比例为30%。对光谱曲线采用二阶导寻峰方法进行峰值检测，二阶导极大值处的驱动电压粗略对应着各谱线的中心吸收波长，二阶导数值越大，谱线吸收越强。在获得各谱线的大致吸收位置后，根据二阶导的大小选取其中吸收较强的18条谱线分别进行基线提取和吸收峰线型拟合，拟合曲线中心处的驱动电压精确对应着各谱线的中心吸收波长。

由于无气体吸收时光源输出光谱是连续且平滑变化的，因而根据吸收谱线两侧非吸光区域的采样光强，通过线性内插算法，即可获得吸收区域的背景光强，从而得到谱线的基线，如图5所示。在对气体吸收峰进行线型拟合时，因其实际线型Voigt函数是高斯函数和洛伦兹函数的卷积形式，只能通过数值分析求解，且计算较为复杂，故一般在低压下用高斯函数近似拟合，在常压和高压下用洛伦兹函数近似拟合。本实施例2中，气室5工作在常压下，图6给出了用洛伦兹函数对气体吸收峰进行拟合的结果。拟合曲线中心位置处的驱动电压和幅值即为吸收谱线中心波长对应的驱动电压和吸光度峰值。在气体浓度c与吸收长度l一定的情况下，峰值吸光度K仅与谱线吸收系数α有关。将求得的α与HITRAN分子数据库中的值相比对，可获得各吸收系数对应的谱线中心吸收波长。根据各谱线中心吸收波长及其驱动电压这一系列离散采样点，即可对光纤扫描光源的电压-波长关系进行标定，如图7所示。

在对光纤扫描光源9的输出波长进行标定后，可选择样条插值算法中的三次样条对标定曲线进行电压插值，实现光源输出波段内任意波长的精确定位，为扫描系统的各种应用拓展提供波长基准。

实施例3：

本发明所述方法简单易行，所需标定装置结构紧凑，易于与其他光纤传感系统集成，使得本发明既可用于扫描光源输出波长的离线标定，又可用于对光波长的在线实时测量，本实施例3是本发明的一个应用拓展实施方案，图8给出了光纤扫描光源标定系统与光纤光栅测温系统的一种集成方案。包括由宽带光源1，隔离器2，可调衰减器3和光纤法珀滤波器4构成的光纤扫描光源9，光纤法珀滤波器4输出的窄线宽扫描光通过3dB耦合器10分光成两个支路，50%的光进入支路一中的气室5和第一光探测器13，获得气体吸收光谱用于光纤扫描光源9输出波长的实时标定；另外的50%的光通过支路二中的环形器11进入光纤光栅12，由第二光探测器14采集光栅的反射谱。

当环境温度改变时，光栅的中心反射波长会发生漂移，相应反射谱上峰值位置对应的驱动电压也会发生改变。由实时标定获得的光纤扫描光源9驱动电压-输出波长关系曲线，即可将光纤光栅反射峰对应的驱动电压改变量转换成光纤光栅中心反射波长变化量。由于光纤光栅的中心反射波长随温度变化的关系是由光栅本身的性质决定的，那么在得到波长变化量后，可根据实际使用的光栅温度-波长对应关系得到环境温度变化量。图9给出了在温度恒定时利用本发明方法和标定装置对光纤光栅中心波长进行200次重复测试的结果，图中光栅波长均值为1535.144nm，定位标准差为2.8pm，远小于温度变化所引起的光栅波长漂移。从中可以看出本发明基于气体吸收谱线的波长标定装置及方法可以大大提高系统波长定位精度，降低因标定误差对温度测量造成的干扰，具有很强的实用价值。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，其特征在于，该装置包括光纤扫描光源（9）、气室（5）、探测器（6）、数据采集卡（7）和计算机（8）；所述光纤扫描光源由依次布置的宽带光源（1）、隔离器（2）、可调衰减器（3）和光纤法珀滤波器（4）构成；

所述宽带光源（1）发出的光经过隔离器（2）和可调衰减器（3）后进入连续电压驱动调谐的光纤法珀滤波器（4）；其中，所述隔离器（2）用于保证光的单向传输以防止来自光纤法珀滤波器（4）的反射光进入所述宽带光源（1）造成器件的损坏；所述可调衰减器（3）用于对宽带光源（1）的输出光功率进行衰减以避免因功率过高损伤光纤法珀滤波器（4）中的高反膜；

所述光纤扫描光源（9）输出的窄线宽扫描光在气室（5）中与气体分子相互作用形成气体吸收光谱，所述探测器（6）接收该气体吸收光谱后将其转换为电信号，所述数据采集卡（7）采集所述探测器（6）输出的光电压，经过模数转换后通过USB连接线送入所述计算机（8）进行处理。

2.根据权利要求1所述基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，其中，所述气室（5）内充有对扫描光源输出光具有吸收作用的高纯气体；或是该高纯气体与氮气的混合气体，混合气体中高纯气体所占体积比至少为30%。

3.一种基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定方法，其特征在于，采用如权利要求1所述基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定装置，并包括如下步骤：

步骤一、用连续电压驱动光纤扫描光源（9）获得窄线宽扫描光输出，该窄线宽扫描光与气室（5）中的气体分子相互作用后，由探测器（6）采集气体吸收光谱，经数据采集卡（7）模数转换后送入计算机（8）处理；

步骤二、对气体吸收光谱采用二阶导极大值寻峰方法进行峰值检测，提取各条吸收谱线，按照各谱线位置处光谱曲线二阶导数值从大到小的顺序，记录不少于10条谱线的光强幅值，然后分别提取上述各谱线的基线，获得无气体吸收时的背景光强；

步骤三、分别计算上述多条谱线的吸光度，并对吸收峰线型采用洛伦兹函数拟合，记录各拟合曲线中心位置处的驱动电压和峰值吸光度；

步骤四、由上述多条谱线的峰值吸光度分别计算各谱线的吸收系数，并通过查询HITRAN光谱数据库，获得各吸收系数对应的谱线中心吸收波长；

步骤五、根据步骤三和步骤四获得的上述多条谱线的驱动电压和中心吸收波长，建立光纤扫描光源（9）的驱动电压-输出波长标定曲线，并对该标定曲线采用样条插值实现光源波长定位。

4.根据权利要求书3所述的基于气体吸收谱线的光纤扫描光源波长标定方法，其中，步骤二中，提取上述各谱线的基线采用线性内插算法，插值范围覆盖整条谱线的吸收区域，插值点两端设置在谱线两侧对光源无吸收的平滑区域。

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