CN104457803A - 基于f-p标准具和参考光栅的波长解调系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，光路连接为:宽带光源经隔离器后连接可调谐F-P滤波器，可调谐F-P滤波器出来的光进入耦合器均分为两路，一路进入F-P标准具，再进入第一光电探测器；另二路经光环形器输出至串联的第一参考光纤光栅、第二参考光纤光栅和传感光纤光栅，光纤光栅的反射光再经光环形器进入第二光电探测器，最后PC机对两路数据同步采样。本发明公开的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，PC机控制可调谐F-P滤波器；对两个通道的光谱进行同步数据采集；分别对两个通道采集到的数据进行寻峰计算；计算得到传感光栅，本方法通过F-P标准具和参考光栅可快速精确对传感光栅波长的解调。

Description

基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统和方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，本发明还涉及一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法。

背景技术

光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本等特点，此外其波长编码特性以及能在单光纤上实现准分布式测量的优点是其它传感器所无法比拟的，具有广阔的应用前景。光纤光栅传感器是一种波长调制型器件，外界物理量的变化会影响光纤光栅的中心波长，通过测量光纤光栅中心波长的变化，就可以获得外界物理量的变化情况。但目前限制光纤光栅传感器大规模实际应用的最主要障碍之一是对光纤光栅传感器波长信号的解调，所以精确解调波长的变化是光纤光栅传感的一项关键技术。

波长解调方法有很多种，其中基于可调谐法布里珀罗(Fabry-Perot，F-P)滤波器的波长解调方法具有灵敏度高、可调谐范围大等特点得到了广泛应用。传统的基于可调谐F-P滤波器的波长解调方法是通过标定获得压电陶瓷的驱动电压和光纤光栅反射波长的对应关系实现的，这种解调方法简单实用。但由于可调谐F-P滤波器器件本身制造工艺的限制，在反复扫描时受电磁感应和电荷迟滞等的影响不可能每次扫描都精确重合，且其压电陶瓷容易受到外界环境温度和使用时间的影响发生偏移，获得的压电陶瓷驱动电压和光纤光栅反射波长之间的对应关系存在严重的系统误差，从而难以保证解调系统对待测传感光栅的检测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，解决了现有技术中存在的解调系统对待测传感光栅的检测精度低的问题。

本发明另一个目的是提供一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，包括光源，光源依次通过光路与光隔离器、可调谐F-P滤波器和耦合器相连接；耦合器分别通过光路连接有F-P标准具和光环形器；F-P标准具通过光路与第一光电探测器相连接，第一光电探测器依次通过导线与数据采集器和PC机相连接；光环形器通过光路分别连接有第二光电探测器和第一参考光纤光栅，第二光电探测器通过导线与数据采集器相连接；第一参考光纤光栅依次通过光路与第二参考光纤光栅和传感光纤光栅相连接；PC机通过导线连接有用于锯齿波信号扫描的数模转换器；数模转换器通过光路与可调谐F-P滤波器相连接。

本发明的特点还在于，

光源为宽带光源；第一参考光纤光栅和第二参考光纤光栅为同种材质波长间隔为1nm的光栅；耦合器为1×2(50∶50)型耦合器。

本发明所采用的第二技术方案是，一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，采用上述基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，具体按照以下步骤实施：

步骤1、PC机通过数模转换器发出锯齿波扫描电压控制可调谐F-P滤波器；

步骤2、数据采集器对F-P标准具通道和传感光栅通道的光谱进行同步数据采集并传给PC机；

步骤3、PC机分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算；

步骤4、PC机根据第一参考光栅和第二参考光栅的波长值和步骤3中的两通道的寻峰结果计算得到传感光栅的波长。

本发明的特点还在于，

F-P标准具通道和传感光栅通道的形成过程如下：光源发出的光经隔离器进入可调谐F-P滤波器，可调谐F-P滤波器出来的光从A端进入耦合器并均分为两路，第一路光经B端从耦合器出来，再进入F-P标准具，然后进入第一光电探测器，最后经数据采样器送入PC机形成F-P标准具通道；第二路光经C端从耦合器出来，由D端进入光环形器后从E端出来，从E端出来的光经第一参考光栅、第二参考光栅和传感光栅后的反射光由E端再次进入光环形器并从F端射出光环形器，然后进入第二光电探测器，最后经数据采样器送入PC机形成传感光栅通道；采集到的数据为F-P标准具通道和传感光栅通道的光信号转换而成的具有相同包络的电信号，横坐标为采样时间，纵坐标为电压。

PC机分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算具体为：将F-P标准具通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak0[]中；将传感光栅通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak1[]中，且数组Peak1[]中仅有3个元素，Peak1[1]表示第一参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[2]表示第二参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[3]表示传感光栅的峰值横坐标值。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、求解F-P标准具通道和传感光栅通道两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的波长值λ_m；

步骤4.2、求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1；

步骤4.3、计算传感光栅波长λ_FBG，并根据F-P标准具通道和传感光栅通道相关峰值坐标的位置关系对步骤4.1中的计算和步骤4.3中的计算进行优化。

步骤4.1求解F-P标准具通道和传感光栅通道两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的波长值λ_m具体为：

根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的横坐标Peak0[m]，其满足如下关系：

Peak1[1]＜Peak0[m]＜Peak1[2]

找到Peak0[m]后，再根据第一参考光栅的波长值λ_ref1和第二参考光栅波长值λ_ref2以及第一参考光栅和第二参考光栅的峰值横坐标Peak1[1]和Peak1[2]计算出F-P标准具通道中位于第一参考光栅和第二参考光栅之间的横坐标Peak0[m]对应的那个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_m={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right).$

步骤4.2中求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1具体为：

首先根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的横坐标Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]，其满足如下关系：

Peak0[m+n]＜Peak1[3]＜Peak0[m+n+1]

找到Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]后，再依据F-P标准具的波长标定算法，以λ_m为标定参考波长，根据λ_m+n和λ_m+n+1与λ_m之间的波峰间隔数计算出F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{m+n}=\frac{c{\mathrm{\λ}}_m}{c+n\×{\mathrm{\λ}}_m\×\mathrm{FSR}}$

${\mathrm{\λ}}_{m+n+1}=\frac{{\mathrm{c\λ}}_m}{c+(n+1)\×{\mathrm{\λ}}_m\×\mathrm{FSR}}.$

步骤4.3中计算传感光栅波长，并根据F-P标准具通道和传感光栅通道相关峰值坐标的位置关系对步骤4.1中λ_m的计算和步骤4.3中λ_FBG的计算进行优化具体为：

根据传感光栅通道中传感光栅的横坐标值Peak1[3]，F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1以及横坐标值Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]计算传感光栅波长λ_FBG，计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\λ}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{m+n+1}-{\mathrm{\λ}}_{m+n}}{\mathrm{Peal}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)$

由此即解调出传感光栅的波长；

其中，步骤4.1中λ_m的计算根据Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系做进一步的优化：

如果Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}0\left[m\right]<\frac{\mathrm{Peak}1\left[1\right]+\mathrm{Peak}1\left[2\right]}{2}$

则λ_m按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}}{\mathrm{Peak}1\left[1\right]-\mathrm{Peak}1\left[2\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[2\left]\right)$

同理，步骤4.3中λ_FBG的计算根据Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系做进一步的优化：

如果Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}1\left[3\right]<\frac{\mathrm{Peak}0[m+n]+\mathrm{Peak}0[m+n+1]}{2}$

则λ_FBG按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}}{\mathrm{Peak}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}}{\mathrm{Peak}0[m+n]-\mathrm{Peak}0[m+n+1]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n+1\left]\right).$

F-P标准具的波长标定算法具体为：

在F-P标准具透射谱中，假设F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰对应的波长分别为λ_m和λ_m+1，c为光速，则其对应的频率值分别为

$f_m=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}$

$f_{m+1}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}$

自由光谱范围：自由光谱范围是衡量F-P滤波器透射光谱中两个相邻的共振峰之间的频率距离，表示为：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2\mathrm{nd}}=|f_m-f_{m+1}|$

式中n为F-P标准具的腔内介质的折射率，d为腔长，由于F-P标准具的n和d为定值，所以FSR为一定值，即F-P标准具透射谱中各峰之间的频率间隔为定值FSR；则各峰之间的波长间隔Δλ为

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=|{\mathrm{\&lambda;}}_m-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}|\\ =|\frac{c}{f_m}-\frac{c}{f_{m+1}}|=c\left|\frac{f_{m+1}-f_m}{f_m{f}_{m+1}}\right|\\ =c\left|\frac{2\mathrm{nd}}{\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}\&times;\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}}\right|\\ =\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}{2\mathrm{nd}}\end{array}$

因此Δλ不是定值，即F-P标准具透射谱中的各峰的波长间隔是不相等的，因此只能通过相邻峰之间的频率间隔为定值FSR来找寻各峰之间的波长关系；对于F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰

f_m+1＝f_m+FSR

$\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}+\mathrm{FSR}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c+{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

以此类推，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长时，根据波长间隔数n计算获得位于第m个峰右侧的第m+n个峰的波长值λ_m+n；同理，计算获得位于第m个峰左侧的第m-n个峰的波长值λ_m-n，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c+n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m-n}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c-n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

由此类推，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长将F-P标准具的所有波长值都标定出来。

本发明的有益效果是：本发明所涉及的波长解调方案，当温度变化导致F-P滤波器的滤波特性发生变化时，相同的扫描电压对应的光的波长发生变化，但此时F-P标准具通道和参考光栅通道的入射光会同时跟随F-P滤波器变化，所以可避免由此产生的解调误差。本发明所设计的方案利用了采样点和波长之间的关系，没有采用扫描电压和波长之间的关系，从而可避免扫描电压波动产生的解调误差，能实现高准确度的波长解调。

本发明的系统是一种具有重要意义的高准确度的波长解调系统，它能有效消除上述误差对波长解调精度的影响，相关技术可推广至土木工程、航空航天、机械制造、医疗卫生等领域广泛应用于测量应变、温度、振动等参量，需求广泛，经济社会效益显著。

附图说明

图1是本发明基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统的整体框架图；

图2是本发明F-P标准具透射谱示意图；

图3是本发明F-P标准具通道和传感光栅通道的光谱分析示意图；

图4是本发明波长优化计算示意图。

图中，1.光源，2.光隔离器，3.可调谐F-P滤波器，4.耦合器，5.F-P标准具，6.光环形器，7.第一光电探测器，8.第二光电探测器，9.第一参考光纤光栅，10.第二参考光纤光栅，11.传感光纤光栅，12.PC机，13.数据采集器，14.数模转换器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，如图1所示，包括：光源1、光隔离器2、可调谐F-P滤波器3、1×2(50∶50)耦合器4、F-P标准具5、光环形器6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第一参考光纤光栅9、第二参考光纤光栅10、传感光纤光栅11和PC机12、数据采集器13和数模转换器14。

其中，光源1依次通过光路与光隔离器2、可调谐F-P滤波器3和耦合器4相连接；耦合器4分别通过光路连接有F-P标准具5和光环形器6；F-P标准具5通过光路与第一光电探测器7相连接，第一光电探测器7依次通过导线与数据采集器13和PC机12相连接；光环形器6通过光路分别连接有第二光电探测器8和第一参考光纤光栅9，第二光电探测器8通过导线与数据采集器13相连接；第一参考光纤光栅9依次通过光路与第二参考光纤光栅10和传感光纤光栅11相连接；PC机12通过导线连接有用于锯齿波信号扫描的数模转换器14；数模转换器14通过导线与可调谐F-P滤波器3相连接。

该系统的工作原理为：光源1发出的光经隔离器2进入可调谐F-P滤波器3，可调谐F-P滤波器3出来的光从A端进入耦合器4并均分为两路，第一路光经B端从耦合器4出来，再进入F-P标准具5，然后进入第一光电探测器7，最后经数据采样器13送入PC机12，上述为F-P标准具通道；第二路光经C端从耦合器4出来，由D端进入光环形器6后从E端出来，从E端出来的光经第一参考光栅9、第二参考光栅10和传感光栅11后的反射光由E端再次进入光环形器6并从F端射出光环形器6，然后进入第二光电探测器8，最后经数据采样器13送入PC机12，上述为传感光栅通道。PC机12经过数模转换器14发出锯齿波扫描信号控制可调谐F-P滤波器3，并且对两通道进行同步数据采集。

其中，选用的光源1为宽带光源；宽带光源具有较高的输出功率和较宽的工作带宽，可在一定范围内调节输出功率且在工作宽带内具有极好的光谱平滑度。

光隔离器2是允许光向一个方向通过而阻止光向相反方向通过的无源器件，光纤光栅解调系统中的后向传输光可能会产生附加噪声，引起光源的剧烈波动使系统的性能劣化；宽带光源后面连接光隔离器是为了对光的方向进行限制，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。

可调谐F-P滤波器3连接在光源之后，F-P标准具通道和传感光栅通道之前，将宽带光源1发出的光窄带化后分成相同的两束分别入射到F-P标准具通道和传感光栅通道，以保证两个通道的光源完全同步。

PC机12发出锯齿波扫描电压控制可调谐F-P滤波器3，确保在驱动电压的作用下，调谐F-P腔的腔长成周期性的变化，从而实现对宽带光源的整个光谱范围进行扫描。

选用了两个参考光栅，所选用的第一参考光栅和第二参考光栅为同种材质的光栅且应该置于相同的环境条件下，以保证其随环境影响产生的漂移相同，从而消除环境变化对解调系统精度造成的影响。

所选用的第一参考光栅9和第二参考光栅10之间的波长间隔为1nm，使得在两参考光栅之间刚好有且仅有1个F-P标准具的峰。

参考光栅(第一参考光栅9和第二参考光栅10)和传感光栅11位于同一通道，所选用的参考光栅中心波长应该在传感光栅中心波长附近，同时避开传感光栅的中心波长及变化范围，以进一步提高解调精度。

利用了F-P标准具温度稳定性高的特点，将其单独作为一个通道，实现对参考光栅和传感光栅的标定。

需要分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算，获得F-P标准具通道和传感光栅通道信号峰值的横坐标，根据F-P标准具通道每个采样点对应的波长值来确定传感通道每个峰对应的波长。

两通道要同步采集数据，以根据各光栅的波长值以及各波长值所对应的采样点位置计算解调传感光栅波长。

可以根据F-P标准具通道和传感光栅通道相关峰值坐标的位置关系对波长计算进行优化，进一步提高解调精度。

(1)F-P标准具的波长标定

如图2为F-P标准具透射谱示意图，假设F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰对应的波长分别为λ_m和λ_m+1，c为光速，则其对应的频率值分别为

$f_m=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}---\left(1\right)$

$f_{m+1}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}---\left(2\right)$

自由光谱范围(FSR：Free Spectrum Range)：自由光谱范围是衡量F-P滤波器透射光谱中两个相邻的共振峰之间的频率距离，一般表示为：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2\mathrm{nd}}=|f_m-f_{m+1}|---\left(3\right)$

式中n为F-P标准具的腔内介质的折射率，d为腔长，由于F-P标准具的n和d为定值，所以FSR为一定值，即图2中各峰之间的频率间隔为定值FSR。则各峰之间的波长间隔Δλ为

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=|{\mathrm{\&lambda;}}_m-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}|\\ =|\frac{c}{f_m}-\frac{c}{f_{m+1}}|=c\left|\frac{f_{m+1}-f_m}{f_m{f}_{m+1}}\right|\\ =c\left|\frac{2\mathrm{nd}}{\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}\&times;\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}}\right|\\ =\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}{2\mathrm{nd}}\end{array}---\left(4\right)$

由此可见Δλ不是定值，即图2中的各峰的波长间隔是不相等的，因此只能通过相邻峰之间的频率间隔为定值FSR来找寻各峰之间的波长关系。对于F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰

f_m+1＝f_m+FSR   (5)

$\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}+\mathrm{FSR}---\left(6\right)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c+{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}---\left(7\right)$

以此类推，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长时，可以根据波长间隔数n计算获得位于第m个峰右侧的第m+n个峰的波长值λ_m+n；同理，也可以计算获得位于第m个峰左侧的第m-n个峰的波长值λ_m-n，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c+n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}---\left(8\right)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m-n}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c-n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

由此可知，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长可以将F-P标准具的所有波长值都标定出来。

(2)波长解调原理

本发明还提供一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，具体步骤如下：

步骤1、PC机12通过数模转换器14发出锯齿波扫描电压控制可调谐F-P滤波器3；

步骤2、数据采集器13对F-P标准具通道和传感光栅通道的光谱进行同步数据采集并传给PC机12；

步骤3、PC机分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算；

步骤4、PC机根据第一参考光栅9和第二参考光栅10的波长值和步骤3中的两通道的寻峰结果计算得到传感光栅的波长。

如上所述步骤1中，应该合适选取锯齿波扫描电压的范围，确保调谐F-P腔的腔长成周期性的变化，从而实现对宽带光源的整个光谱范围进行扫描，其中，锯齿波扫描电压的范围为0-18V；

如上所述步骤2中，要确保两通道进行同步数据采集，步骤2中采集到的数据为F-P标准具通道和传感光栅通道的光信号转换而成的具有相同包络的电信号，横坐标为采样时间、纵坐标为电压。

如上所述步骤3中，分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算，获得F-P标准具通道和传感光栅通道信号峰值的横坐标。将F-P标准具通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak0[]中；将传感光栅通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak1[]中，且数组Peak1[]中仅有3个元素，Peak1[1]表示第一参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[2]表示第二参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[3]表示传感光栅的峰值横坐标值。

如上所述步骤4中，根据第一参考光栅9和第二参考光栅10的波长值和步骤3中的两通道的寻峰结果计算得到传感光栅，其步骤包括：

步骤4.1、求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的波长值。

如图3是F-P标准具通道和传感光栅通道的光谱分析示意图，图3中上面的一路为F-P标准具通道的光谱示意图，图3中下面的一路为传感光栅通道的光谱示意图。步骤4-1即为求解出λ_m。

首先根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的横坐标Peak0[m]，其满足如下关系：

Peak1[1]＜Peak0[m]＜Peak1[2]   (10)

找到Peak0[m]后，再根据第一参考光栅的波长值λ_ref1和第二参考光栅波长值λ_ref2以及第一参考光栅和第二参考光栅的峰值横坐标Peak1[1]和Peak1[2]计算出F-P标准具通道中位于第一参考光栅和第二参考光栅之间的横坐标Peak0[m]对应的那个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right)---\left(11\right)$

步骤4.2、求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值。

该步骤即为求解图3中的λ_m+n和λ_m+n+1。

首先根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的横坐标Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]，其满足如下关系：

Peak0[m+n]＜Peak1[3]＜Peak0[m+n+1]   (12)

找到Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]后，再依据F-P标准具的波长标定算法，以λ_m为标定参考波长，根据λ_m+n和λ_m+n+1与λ_m之间的波峰间隔数计算出F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c+n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}---\left(13\right)$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}=\frac{{\mathrm{c\&lambda;}}_m}{c+(n+1)\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}---\left(14\right)$

步骤4.3、计算传感光栅波长。

如图3所示，根据传感光栅通道中传感光栅的横坐标值Peak1[3]，F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1以及横坐标值Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]计算传感光栅波长λ_FBG，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}}{\mathrm{Peal}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)---\left(15\right)$

由此即解调出传感光栅的波长。

其中，步骤4.1中λ_m的计算还可以根据Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系做进一步的优化：

如图4波长优化计算示意图所示，如果Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}0\left[m\right]<\frac{\mathrm{Peak}1\left[1\right]+\mathrm{Peak}1\left[2\right]}{2}---\left(16\right)$

则λ_m按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right)---\left(17\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}}{\mathrm{Peak}1\left[1\right]-\mathrm{Peak}1\left[2\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[2\left]\right)---\left(18\right)$

同理，步骤4-3中λ_FBG的计算也可以根据Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系做进一步的优化：

如果Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}1\left[3\right]<\frac{\mathrm{Peak}0[m+n]+\mathrm{Peak}0[m+n+1]}{2}---\left(19\right)$

则λ_FBG按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}}{\mathrm{Peak}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)---\left(20\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}}{\mathrm{Peak}0[m+n]-\mathrm{Peak}0[m+n+1]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n+1\left]\right)---\left(20\right).$

以上即为本发明所涉及的波长解调方案，当温度变化导致F-P滤波器的滤波特性发生变化时，相同的扫描电压对应的光的波长发生变化，但此时F-P标准具通道和参考光栅通道的入射光会同时跟随F-P滤波器变化，所以可避免由此产生的解调误差。本发明所设计的方案利用了采样点和波长之间的关系，没有采用扫描电压和波长之间的关系，从而可避免扫描电压波动产生的解调误差，能实现高准确度的波长解调。

Claims (10)

1.一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，其特征在于，包括光源(1)，光源(1)依次通过光路与光隔离器(2)、可调谐F-P滤波器(3)和耦合器(4)相连接；所述耦合器(4)分别通过光路连接有F-P标准具(5)和光环形器(6)；所述F-P标准具(5)通过光路与第一光电探测器(7)相连接，所述第一光电探测器(7)依次通过导线与数据采集器(13)和PC机相连接；所述光环形器(6)通过光路分别连接有第二光电探测器(8)和第一参考光纤光栅(9)，所述第二光电探测器(8)通过导线与数据采集器(13)相连接；所述第一参考光纤光栅(9)依次通过光路与第二参考光纤光栅(10)和传感光纤光栅(11)相连接；所述PC机(12)通过导线连接有用于锯齿波信号扫描的数模转换器(14)；所述数模转换器(14)通过光路与可调谐F-P滤波器(3)相连接。

2.根据权利要求1所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，其特征在于，所述光源(1)为宽带光源；所述第一参考光纤光栅(9)和第二参考光纤光栅(10)为同种材质波长间隔为1nm的光栅；所述耦合器(4)为1×2(50∶50)型耦合器。

3.一种基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调系统，具体按照以下步骤实施：

步骤1、PC机(12)通过数模转换器(14)发出锯齿波扫描电压控制可调谐F-P滤波器(3)；

步骤2、数据采集器(13)对F-P标准具通道和传感光栅通道的光谱进行同步数据采集并传给PC机(12)；

步骤3、PC机分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算；

步骤4、PC机根据第一参考光栅(9)和第二参考光栅(10)的波长值和步骤3中的两通道的寻峰结果计算得到传感光栅的波长。

4.根据权利要求3所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述步骤2中F-P标准具通道和传感光栅通道的形成过程如下：光源(1)发出的光经隔离器(2)进入可调谐F-P滤波器(3)，可调谐F-P滤波器(3)出来的光从A端进入耦合器(4)并均分为两路，第一路光经B端从耦合器(4)出来，再进入F-P标准具(5)，然后进入第一光电探测器(7)，最后经数据采样器(13)送入PC机(12)形成F-P标准具通道；第二路光经C端从耦合器(4)出来，由D端进入光环形器后从E端出来，从E端出来的光经第一参考光栅(9)、第二参考光栅(10)和传感光栅(11)后的反射光由E端再次进入光环形器(6)并从F端射出光环形器(6)，然后进入第二光电探测器(8)，最后经数据采样器(13)送入PC机(12)形成传感光栅通道；采集到的数据为F-P标准具通道和传感光栅通道的光信号转换而成的具有相同包络的电信号，横坐标为采样时间，纵坐标为电压。

5.根据权利要求3所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述步骤3中的PC机(12)分别对F-P标准具通道和传感光栅通道采集到的数据进行寻峰计算具体为：将F-P标准具通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak0[]中；将传感光栅通道中寻得的各峰的横坐标存放在数组Peak1[]中，且数组Peak1[]中仅有3个元素，Peak1[1]表示第一参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[2]表示第二参考光栅的峰值横坐标值，Peak1[3]表示传感光栅的峰值横坐标值。

6.根据权利要求3所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、求解F-P标准具通道和传感光栅通道两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的波长值λ_m；

步骤4.2、求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1；

步骤4.3、计算传感光栅波长λ_FBG，并根据F-P标准具通道和传感光栅通道相关峰值坐标的位置关系对步骤4.1中的计算和步骤4.3中的计算进行优化。

7.根据权利要求6所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的步骤4.1求解F-P标准具通道和传感光栅通道两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中第一参考光栅和第二参考光栅之间的那个峰的波长值λ_m具体为：

根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于第一参考光栅(9)和第二参考光栅(10)之间的那个峰的横坐标Peak0[m]，其满足如下关系：

Peak1[1]＜Peak0[m]＜Peak1[2]

找到Peak0[m]后，再根据第一参考光栅(9)的波长值λ_ref1和第二参考光栅(10)波长值λ_ref2以及第一参考光栅(9)和第二参考光栅(10)的峰值横坐标Peak1[1]和Peak1[2]计算出F-P标准具通道中位于第一参考光栅(9)和第二参考光栅(10)之间的横坐标Peak0[m]对应的那个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right).$

8.根据权利要求6所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的步骤4.2中求解两通道同步数据采集后F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1具体为：

首先根据两通道中各峰的横坐标关系寻找F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的横坐标Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]，其满足如下关系：

Peak0[m+n]＜Peak1[3]＜Peak0[m+n+1]

找到Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]后，再依据F-P标准具的波长标定算法，以λ_m为标定参考波长，根据λ_m+n和λ_m+n+1与λ_m之间的波峰间隔数计算出F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c+n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c+(n+1)\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}.$

9.根据权利要求6所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述的步骤4.3中计算传感光栅波长，并根据F-P标准具通道和传感光栅通道相关峰值坐标的位置关系对步骤4.1中λ_m的计算和步骤4.3中λ_FBG的计算进行优化具体为：

根据传感光栅通道中传感光栅的横坐标值Peak1[3]，F-P标准具通道中位于传感光栅通道中传感光栅左右两侧的两个峰的波长值λ_m+n和λ_m+n+1以及横坐标值Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]计算传感光栅波长λ_FBG，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}}{\mathrm{Peak}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)$

由此即解调出传感光栅的波长；

其中，步骤4.1中λ_m的计算根据Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系做进一步的优化：

如果Peak0[m]与Peak1[1]和Peak1[2]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}0\left[m\right]<\frac{\mathrm{Peak}1\left[1\right]+\mathrm{Peak}1\left[2\right]}{2}$

则λ_m按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}}{\mathrm{Peak}1\left[2\right]-\mathrm{Peak}1\left[1\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[1\left]\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_m={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{ref}2}}{\mathrm{Peak}1\left[1\right]-\mathrm{Peak}1\left[2\right]}\left(\mathrm{Peak}0\right[m]-\mathrm{Peak}1[2\left]\right)$

同理，步骤4.3中λ_FBG的计算根据Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系做进一步的优化：

如果Peak1[3]与Peak0[m+n]和Peak0[m+n+1]的位置关系满足

$\mathrm{Peak}1\left[3\right]<\frac{\mathrm{Peak}0[m+n]+\mathrm{Peak}0[m+n+1]}{2}$

则λ_FBG按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}}{\mathrm{Peak}0[m+n+1]-\mathrm{Peak}0[m+n]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n\left]\right)$

否则，按下式计算

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{FBG}}={\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+n+1}}{\mathrm{Peak}0[m+n]-\mathrm{Peak}0[m+n+1]}\left(\mathrm{Peak}1\right[3]-\mathrm{Peak}0[m+n+1\left]\right).$

10.根据权利要求9所述的基于F-P标准具和参考光栅的波长解调方法，其特征在于，所述F-P标准具的波长标定算法具体为：

在F-P标准具透射谱中，假设F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰对应的波长分别为λ_m和λ_m+1，c为光速，则其对应的频率值分别为

$f_m=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}$

$f_{m+1}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}$

自由光谱范围：自由光谱范围是衡量F-P滤波器透射光谱中两个相邻的共振峰之间的频率距离，表示为：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2\mathrm{nd}}=|f_m-f_{m+1}|$

式中n为F-P标准具的腔内介质的折射率，d为腔长，由于F-P标准具的n和d为定值，所以FSR为一定值，即F-P标准具透射谱中各峰之间的频率间隔为定值FSR；则各峰之间的波长间隔Δλ为

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;\&lambda;}=|{\mathrm{\&lambda;}}_m-{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}|\\ =|\frac{c}{f_m}-\frac{c}{f_{m+1}}|=c\left|\frac{f_{m+1}-f_m}{f_m{f}_{m+1}}\right|\\ =c\left|\frac{2\mathrm{nd}}{\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}\&times;\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}}\right|\\ =\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_m{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}{2\mathrm{nd}}\end{array}$

Δλ不是定值，即F-P标准具透射谱中的各峰的波长间隔是不相等的，通过相邻峰之间的频率间隔为定值FSR来找寻各峰之间的波长关系；对于F-P标准具中的第m和第m+1这两个连续峰

f_m+1＝f_m+FSR

$\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}}=\frac{c}{{\mathrm{\&lambda;}}_m}+\mathrm{FSR}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c+{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

以此类推，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长时，根据波长间隔数n计算获得位于第m个峰右侧的第m+n个峰的波长值λ_m+n；同理，计算获得位于第m个峰左侧的第m-n个峰的波长值λ_m-n，计算公式如下：

${\mathrm{\&lambda;}}_{m+n}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c+n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

${\mathrm{\&lambda;}}_{m-n}=\frac{c{\mathrm{\&lambda;}}_m}{c-n\&times;{\mathrm{\&lambda;}}_m\&times;\mathrm{FSR}}$

由此类推，以第m个峰的波长值λ_m为标定参考波长将F-P标准具的所有波长值都标定出来。