CN103557879B - 基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置 - Google Patents

Abstract

一种基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置，它包括ASE光源、耦合器、光环形器、光栅阵列、光开关、体光栅、谐振腔、光开关连接端Ⅰ和光开关连接端Ⅱ，其特征在于，ASE光源连接耦合器，耦合器的P1端口连接光环形器的a端口，光环形器的b端口和c端口分别连接光栅阵列和光开关连接端Ⅰ，耦合器的P2端口连接谐振腔，谐振腔连接光开关连接端Ⅱ，体光栅通过光开关连接光开关连接端Ⅰ或光开关连接端Ⅱ。它通过将反射腔得到的吸收光谱进行标定处理，建立光谱CCD像元位置与其吸收谱的中心波长关系，完成对各像元中心波长的标定。此发明简化了标定系统，大大提高了光纤光栅传感系统测量精度和测量范围。

Description

基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置

技术领域

本发明涉及的是光纤光栅传感系统中的波长定标装置，尤其涉及基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置。

背景技术

光纤光栅传感系统是通过检测布拉格波长的移动来监测外界温度或应力的变化。布拉格波长的检测有多种方式，基于体光栅的解调法具有动态特性好等优点，引起了广泛重视。对于基于体光栅的解调方法，体光栅起到的是一个色散器件的作用。平行光照到体光栅后，不同的波长将从不同的方向透射出来，经过会聚透镜后将入射到线阵CCD上，并且相同的波长将会落在CCD的同一位置，波长与CCD的位置一一对应。

当外界环境的变化导致传感光栅的布拉格波长变化时，入射到CCD上的位置会发生变化，通过光斑在CCD上位置的变化，就可对布拉格波长进行监测，从而实现传感。

通常情况下，光纤光栅的灵敏度可达到1pm，光谱测量精度较高，因此需要精确标定CCD位置和波长的关系。但是，由于外界的影响，CCD的位置和波长的对应关系可能会发生轻微的漂移，因此在使用过程中必须进行定标。但是，在目前的基于体光栅的光纤光栅传感方案中，标定方法没有引起重视，

为了提高解调精度，需要对光谱仪进行精确标定处理。目前常见的用汞灯、氩灯等方法，通过不同气体或金属蒸汽的蒸汽放电灯，发出已知特定波长光谱进行标定，定标的光谱仪分辨率可达1nm以内。光纤光栅的布拉格波长λ_B为

λ_B＝2n_effΛ（公式1）

上式中，n_eff为有效折射率，Λ为光栅周期。当波导通过光纤光栅时，满足布拉格条件（即公式1）的光波将被反射回来，这就是光纤光栅的基本工作原理。用已知波长的元素光谱灯对光谱仪定标是一种常用的定标方法，由光源提供谱线照射，光谱仪内部CCD探测器会接收光信号，将其转化为电信号后输出“像元序号-响应信号”光谱图，通过对测量数据预处理，找到光谱灯各谱线对应的CCD像元序号，然后将峰位和波长进行配对，找出像元序号与波长之间合适的相关关系函数表达式，建立光谱CCD像元位置与其波长值关系的多项式定标函数，从而完成像元中心波长的定标。

发明内容

本发明提供了一种基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置，它通过改变光纤光栅传感解调系统设计，采用低反射率的谐振腔，通过多次反射加强气体的吸收效果，进一步提高了光谱仪标定精度。

本发明是这样来实现的，它包括ASE光源、耦合器、光环形器、光栅阵列、光开关、体光栅、谐振腔、光开关连接端Ⅰ和光开关连接端Ⅱ，其特征在于，ASE光源连接耦合器，耦合器的P1端口连接光环形器的a端口，光环形器的b端口和c端口分别连接光栅阵列和光开关连接端Ⅰ，耦合器的P2端口连接谐振腔，谐振腔连接光开关连接端Ⅱ，体光栅通过光开关连接光开关连接端Ⅰ或光开关连接端Ⅱ。ASE光源提供的宽带光波长为1525nm-1610nm。所述谐振腔为低反射率，其腔体中充满在近红外区域具有两个明显吸收峰且峰值波长已知的气体；所述的气体为CH₄、乙炔或CO。

本发明的技术效果是：它通过将反射腔得到的吸收光谱进行标定处理，建立光谱CCD像元位置与其吸收谱的中心波长关系，完成对各像元中心波长的标定。此发明简化了标定系统，大大提高了光纤光栅传感系统测量精度和测量范围。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明基于腔吸收的气体定标光谱图。

1、ASE光源2、耦合器3、光环形器4、光栅阵列5、光开关6、体光栅7、谐振腔8、光开关连接端Ⅰ9、光开关连接端Ⅱ。

具体实施方式

本发明采用图1所示的解调系统设计，其中气体吸收层可根据实际情况选用不同气体，如乙炔，CO等。光纤光栅传感系统的设计包含两条光路，系统由ASE光源1(1525nm-1610nm)提供宽带光，经由耦合器2分为两束：由P1端口输出的宽带光进入光环形器3的a端口，再由b端口进入光栅阵列4，反射回的传感光谱经c端口到达光开关连接端Ⅰ8；由P2端口输出的宽带光进入低反射率谐振腔7，腔体中充满在近红外区域具有两个明显吸收峰且峰值波长已知的气体，使两条特征光谱得到充分吸收，得到带有高精度吸收特征的反射谱，到达光开关连接端Ⅱ9。光开关5连接光开关连接端Ⅱ9，特征吸收谱进入体光栅6，通过建立多项式定标函数，实现对光纤光谱仪的精确标定；定标结束后，光开关5与光开关连接端Ⅰ8连接，建立光栅传感光路，实现对光纤光栅(FBG)应变和温度变化的解调处理。两条光路的设计省略了对外加标定光源的需要，同时使系统工作模式的选择更加灵活。

选用在近红外区域具有两个明显吸收峰且峰值波长已知的气体对宽光谱进行吸收处理，通过对两个峰值数据的求差运算并建立定标函数，实现了对光谱仪的动态标定处理，大大提高了仪器的检测精度。

光谱仪的光路结构中，CCD探测器的每个像元与波长为一一对应关系。通过光开关选择光谱仪标定光路，由反射腔返回的的特征光谱中，两个最强吸收线处的光谱对应的CCD像元接收到的光强最弱，经过寻峰处理后得到两个最小值对应的CCD像元序号。由于两个中心波长λ₁，λ₂已知，由下式可以实现对像元的标定：

$\mathrm{\λ}\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1}{z_2-z_1}(z_2-z_1)+{\mathrm{\λ}}_1$ （公式2）

完成对像元的标定。其中，λ(z)为CCD上位置z处的像元接收到的谱线波长，z₁和z₂分别是λ₁和λ₂照射在CCD上的位置。根据公式2可实现对光谱仪CCD像元的标定。定标精度与两个明显吸收峰的间隔（甲烷气体1.6mm附近吸收带两最强吸收峰间隔20nm左右）、吸收峰的宽度有关。该定标方法可以消除因像元大小引起的谱线测量误差，可大幅提高光纤光栅传感解调系统的波长精度。

图2中为具有明显吸收特征的反射谱曲线，其中两个吸收峰波长分别为λ₁和λ₂，分别被位置为z₁和z₂的两个像元接收。图2可知谱线吸收效果非常明显，两个峰值间距较大，极易被像元分辨，可大大降低标定误差。用此方法可大大提高光纤光栅波长解调系统的波长定标精度。

Claims (3)

1.一种基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置，它包括ASE光源、耦合器、光环形器、光栅阵列、光开关、体光栅、谐振腔、光开关连接端Ⅰ和光开关连接端Ⅱ，其特征在于，ASE光源连接耦合器，耦合器的端口连接光环形器的端口，光环形器的端口和端口分别连接光栅阵列和光开关连接端Ⅰ，耦合器的端口连接谐振腔，谐振腔连接光开关连接端Ⅱ，体光栅通过光开关连接光开关连接端Ⅰ或光开关连接端Ⅱ。

2.如权利要求1所述的一种基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置，其特征在于，所述谐振腔为低反射率的谐振腔，其腔体中充满在近红外区域具有两个明显吸收峰且峰值波长已知的气体，利用其对特定波长的吸收得到具有标定特征的吸收谱线，可实现CCD位置和波长关系的标定。

3.如权利要求2所述的一种基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置，其特征在于，谐振腔内所充的气体在光纤光栅传感系统的波长范围内存在合适的吸收峰。