CN104864959A - 一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，利用工作于Littrow条件下的光栅方程推导出光波长和光学编码器读数之间的关系，建立理论标定模型；并利用两点解方程法进行光谱波长标定；最后为保证不同光谱仪测量同一波长光栅目标位置的一致性，利用标定参数进行初始波长定位。本发明方法的优点为：(1)标定步骤简单而有效，在保证标定精度的前提下，减少了标定工作量和计算量；(2)在保证波长准确度的前提下，只需要使用两台不同波长值的标准光源即可完成标定工作，标定时间短，标定效率高，标定成本低；(3)通过已知理论建立了标定模型，无需采用曲线拟合，综合考虑了不同光谱仪之间影响标定的因子，标定更加合理可行，标定精度更高。

Description

一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法

技术领域

本发明涉及一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法。

背景技术

目前，光纤通信技术由于具有传输容量大、传输速率高、抗电磁干扰、保密性强等优点，已经在军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域得到了飞速发展和广泛应用，随着光纤通信系统的传输速率和传输精度的不断提高，对光纤通信系统的测试尤为重要，相关测试仪器起着“看似配角，实为关键”的重要角色。无论是光纤通信系统研制单位，还是光纤通信器件研制生产单位都需要通信波段的光谱分析仪对其相关产品或系统性能参数进行测试与分析，在600nm～1700nm近红外通信波段，近红外光谱分析仪是最通用的光频率域测量仪器，其中分光系统是光谱仪的核心，专门用于测试、分析与表征光纤通信系统中近红外半导体光源、光纤及光纤放大器、光学滤波器、光纤传感器等器件的光谱特性或光波传输特性以及光纤通信系统总体参数的光谱分析仪，其分光系统一般采用单通道光栅转动型。

单通道光栅转动型光谱分析仪分光系统的波长调谐是由衍射光栅的角位置控制的，入射光束由准直抛物面反射镜准直后照射到衍射光栅上，不同的光沿着不同的角度发散。对每一个光栅角位置有一个相应波长的光最后通过抛物面反射镜聚焦在出射狭缝的中心。为了避免传统大减速比齿轮减速装置速度慢、回差明显、对环境条件变化引起的误差敏感等缺点，系统中采用直接驱动、直接读取光栅角位置的光栅定位系统，即将直流无刷电机和光学编码器的转轴直接固定在光栅的转轴上。但每台光谱分析仪出厂时，由于其光学系统中光栅和直流无刷电机及光学编码器的轴固定时相对位置不一样，而且由于制作工艺等误差，同一型号、同一批次的衍射光栅其光栅常数也存在一定的差异，为了保证每台光谱仪扫描过程中相同的波长对应直流无刷电机目标位置的一致性，必须针对每台光谱分析仪进行光谱波长标定。

现有的光谱仪光谱波长标定方法是利用多项式拟合法绘制出波长-位置曲线图。典型的标定过程如图1所示：

首先准备波长在600nm～1700nm范围内，波长值分别为λ₁，λ₂，…λ_n且为光纤输入的标准光源，将光源分别连接系统，主控CPU 1通过电机驱动电路2控制直流无刷电机3带动光栅4转动，由光学编码器5进行位置计数，并设计插值电路对输出信号进一步细分。当有光被测出时停止，通过主控CPU记录此时电机位置步数，重复以上步骤，得到λ₁，λ₂，…λ_n每个波长值对应的位置值C₁，C₂，…C_n，以波长为横坐标，位置为纵坐标进行最小二乘法多项式曲线拟合，得到波长-位置曲线图，实际测量时利用该图来计算直流无刷电机的目标位置。

上述方法需要多种不同波长值的标准光纤激光光源，且光源的波长原则上应该较为均匀的分配在600nm～1700nm波段范围内，波长-位置曲线图的拟合精度的高低取决于标准光源的数量，光源的数量越多，分配的越均匀，曲线拟合的越精确，测量的波长准确度也就越高。上述方法虽然原理简单，但存在如下缺点：

(1)该方法工作量较大，前期的标定过程针对每台光源都需要较为精准控制直流无刷电机转动，并及时反馈光学编码器位置计数，后期曲线拟合计算也较为复杂；(2)该方法效率低、耗时大、成本较高，为了满足波长准确度的要求，需要用多种不同波长值的标准光纤激光光源，且要求光源的波长较为均匀的分配在600nm～1700nm波段范围内，因此标定成本较高，另外寻找这么多满足上述波长要求的标准光源也比较困难；(3)该方法标定精度较低，首先若没有足够满足要求的标准光源，会降低标定曲线的准确度，另外该方法并没有考虑每台光谱仪因光栅常数不同产生的误差，因此标定精度较低。实验证明，采用5台标准光源进行标定，标定点处波长准确度约为±0.08nm，非标定点处波长准确度约为±0.5nm。

基于上述原因，迫切需要提出一种简单并有效的方法来进行光谱波长标定。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，其采用如下技术方案：

一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，光栅由直流无刷电机直接驱动，并通过光学编码器直接读取光栅的角位置；在光学编码器上连接有插值电路；所述光谱波长标定方法包括如下步骤：

a建立光谱波长标定理论模型

光栅相对光学编码器索引孔转动角度与光学编码器读数关系为：

$C=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(1\right)$

其中，C为光学编码器读数，θ为光栅相对光学编码器索引孔转动角度，P为光学编码器旋转一周输出的脉冲数；M为插值电路的插值比；

设θ₀代表待标定光谱仪的光栅起始位置，即直流无刷电机转动至光学编码器索引孔处对应光栅的入射角，则(θ+θ₀)满足衍射级次为1，且工作于Littrow条件下的光栅方程：

λ＝2d sin(θ+θ₀)                    (2)

其中，d为光栅常数，λ为光波长；

由式(2)可得：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

将式(3)带入式(1)，可得：

$C=\frac{\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(4\right)$

式(4)即为光谱波长标定的理论模型；

b采用两点解方程法进行光谱波长标定

由式(4)可知，为确定光波长λ与光学编码器读数C的关系，需要计算待标定光谱仪光栅的起始位置θ₀和光栅常数d值，具体计算过程如下：

首先通过检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将待标定光谱仪的光栅转动至光学编码器索引孔处；

然后分别接入中心波长在600nm～1700nm之间的两路激光光源，中心波长记为λ₁和λ₂，由CPU控制直流无刷电机从光学编码器索引孔处开始逐渐转动，同时光学编码器开始递增计数，根据探测器输出判断是否有光被测出，并进一步求取峰值光功率，控制直流无刷电机停止在峰值光功率对应的峰值波长处；

最后记录停止扫描时光学编码器的读数C₁和C₂，利用(λ₁，C₁)和(λ₂，C₂)这两组数据，带入式(4)解方程组，得到待标定光谱仪光栅的起始位置θ₀和光栅常数d值；

c开机进行初始波长定位

将经过步骤b得到的θ₀和d值写入待标定光谱仪的内存Flash中，记录待标定光谱仪关机前波长的目标位置；待标定光谱仪开机时执行初始波长点定位，具体过程如下：

开机时首先要检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将光栅转动至编码器索引孔处；然后将待标定光谱仪的光栅转动θ₀角度，使开机后光栅的初始入射角均为零；最后需将光栅转动到上次关机前波长的目标位置。

进一步，上述步骤b中，光被测出的具体过程如下：

首先，每增加一个光学编码器计数，记录一个光功率值，控制直流无刷电机转动覆盖全波段范围，得到光学编码器读数与光功率值的一一对应关系；

其次，将光功率值进行归一化；

最后，根据归一化后的光功率均值确定是否有光。

进一步，上述步骤b中，峰值光功率的求取方法为：以得到的光功率值的最大值作为峰值光功率。

本发明方法利用工作于Littrow条件下的光栅方程推导出光波长和光学编码器读数之间的关系，建立理论标定模型；并利用两点解方程法进行光谱波长标定；最后为保证不同光谱仪测量同一波长时光栅目标位置的一致性，利用标定参数进行初始波长定位。

上述方法相比于现有技术中的光谱波长标定方法，具有如下优点：

(1)标定步骤简单而有效，在保证标定精度的前提下，减少了标定工作量和计算量。(2)在保证波长准确度的前提下，只需要使用两台不同波长值的标准光源即可完成标定工作，标定时间短，标定效率高，标定成本低。(3)通过已知理论建立了标定模型，无需采用曲线拟合，综合考虑了不同光谱仪之间影响标定的因子，标定更加合理可行，标定精度更高。实验证明，该方法应用于光栅转动分光光谱仪，标定点处波长准确度约为±0.03nm，非标定点处波长准确度约为±0.3nm。

附图说明

图1为现有技术中波长-位置曲线图方法标定过程示意图；

图2为本发明实施例中两点解方程法标定流程图；

图3为本发明实施例中初始波长定位流程图；

其中，1-主控CPU，2-电机驱动电路，3-直流无刷电机，4-光栅，5-光学编码器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，包括如下步骤：

a建立光谱波长标定理论模型

光谱仪光栅分光系统的波长调谐是由衍射光栅的角位置控制，其光栅定位系统中直流无刷电机的转轴和光学编码器的转轴是直接固定在光栅的转轴上的。

这样设计的目的在于便于直接驱动、直接读取光栅的角位置。

待标定光谱仪采用正弦波输出增量式激光旋转编码器，其转盘上有81000条刻线，含两路正余弦输出计数通道信号和一路索引通道信号。

光栅每次转动到光学编码器索引孔，索引通道信号会产生一个索引脉冲。

工作时，首先对光学编码器输出的正余弦信号放大，放大信号经过比较器产生同步的方波信号，采用专用计数器进行上升沿及下降沿的同时计数，这样光学编码器转动一周计数为81000×4＝324000。

CPU根据当前扫描波长点，计算出光栅转角，同时计算出转角对应的转动步数，将步数写入直流无刷电机控制芯片，控制芯片产生驱动信号驱动控制电机带动光栅转动，由光学编码器进行位置计数。

同时为了达到分辨率的要求，增强抗干扰性，以获得稳定可靠的位置信息，采用插值率为6:1的插值电路对输出信号进一步细分。

光栅相对光学编码器索引孔转动角度与光学编码器读数关系为：

$C=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(1\right)$

其中，C为光学编码器读数，θ为光栅相对光学编码器索引孔转动角度，P为光学编码器旋转一周输出的脉冲数，为324000；M为插值电路的插值比，为6:1。

由于每台光谱仪出厂时光栅和光学编码器索引孔相对位置不一样，则每台光谱仪光栅的初始位置不同。

设θ₀代表待标定光谱仪的光栅起始位置，即直流无刷电机转动至光学编码器索引孔处对应光栅的入射角，则(θ+θ₀)满足衍射级次为1，且工作于Littrow条件下的光栅方程：

λ＝2d sin(θ+θ₀)                  (2)

其中，d为光栅常数，λ为光波长；

由式(2)可得：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

将式(3)带入式(1)，可得：

$C=\frac{\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(4\right)$

式(4)即为光谱波长标定的理论模型。

b采用两点解方程法进行光谱波长标定

在式(4)中，每台光谱仪的θ₀和d值是不同的。

为确定光波长λ和光学编码器读数C的关系，必须对每台光谱仪的θ₀和d值进行计算。本发明采用两点解方程法进行标定，标定流程图如图2所示：

首先通过检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将待标定光谱仪的光栅转动至光学编码器索引孔处。

然后分别接入中心波长在600nm～1700nm之间的两路激光光源，中心波长记为λ₁和λ₂，例如一路可以选取λ₁＝632.8nm的标准激光光源，另一路选取λ₂＝1550nm的标准激光光源，由CPU控制直流无刷电机从光学编码器索引孔处开始逐渐转动，同时光学编码器开始递增计数，根据探测器输出判断是否有光被测出，并进一步求取峰值光功率，控制直流无刷电机停止在峰值光功率对应的峰值波长处。具体的，判断是否有光的方法：

探测器的输出值经过模数转换、差分放大等处理后保存在待标定光谱仪的内存Flash中，内存中的数字信号经过电平修正计算后，得到光功率值。

首先，每增加一个光学编码器计数，记录一个光功率值，控制直流无刷电机转动覆盖全波段范围，得到光学编码器读数与光功率值的一一对应关系。

其次，将光功率值进行归一化，归一化的目的是防止没有进行功率值校准造成的较大误差，求取归一化光功率值的均值。

最后，根据归一化后的光功率均值确定是否有光，即根据激光光源光谱一般近似呈具有一定谱宽的高斯分布，而无光时只有随机分布且功率值在10^-6mW量级及以下的散粒噪声和热噪声可知，有光时归一化光功率均值较大，一般在10^-1量级，且分布近似高斯分布，无光时均值较小，一般在10^-5量级，且分布为随机分布。

求取峰值光功率的方法：以得到的光功率值的最大值作为峰值光功率。

最后记录停止扫描时光学编码器的读数C₁和C₂，利用(λ₁，C₁)和(λ₂，C₂)这两组数据，带入式(4)解方程组，得到待标定光谱仪光栅的起始位置θ₀和光栅常数d值。

c开机进行初始波长定位

将步骤b中得到的θ₀和d值写入待标定光谱仪的内存Flash中，为了保证不同光谱仪之间光栅转动控制过程的一致性，即设置不同仪器相同的中心波长，其光栅的目标位置应该一致，待标定光谱仪每次开机时要执行初始波长点定位，其流程图如图3所示：

由于光谱仪具有保存测量条件的功能，即开机时的测量条件和上次关机前的测量条件要求一致，因此首先记录待标定光谱仪关机前波长的目标位置。仪器每次关机时，直流无刷电机停止位置不是固定的，开机后检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将光栅转动至编码器索引孔处；然后将待标定光谱仪的光栅转动θ₀角度，使开机后光栅的初始入射角均为零；最后需将光栅转动到上次关机前波长的目标位置。

经过上述步骤，标定后每台光谱仪测量同一波长光源光谱时，光栅所转动角度是相同的，从而保证仪器的一致性。本发明方法步骤简单而有效，工作量和计算量较小；只需要中心波长为632.8nm和1550nm的两台标准光源即可完成标定工作，标定时间短，标定效率高，标定成本低；此外，本发明方法还建立了理论标定模型，综合考虑了每台光谱仪光栅起始位置和光栅常数参数的差异，标定精度较高。

采用本发明方法对5台光谱分析仪进行光谱波长标定，标定光源使用中心波长分别为632.8nm和1550nm的标准激光光源，标定结果如表1所示。

表1

使用标定后光谱分析仪测量632.8nm、1310nm、1550nm、1650nm波长的标准激光光源光谱，测量得到的中心波长值及误差如表2所示。

表2

由上述表2可知，对上述测量数据中632.8nm和1550nm波长的测量误差求取平均值为0.03nm，对1310nm和1650nm波长的测量误差求取平均值为0.2697nm。

通过上述实验数据证明，本发明方法应用于光栅转动分光光谱仪，标定点处波长准确度约为±0.03nm，非标定点处波长准确度约为±0.3nm。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (3)

1.一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，光栅由直流无刷电机直接驱动，并通过光学编码器直接读取光栅的角位置；在光学编码器上连接有插值电路；其特征在于，所述光谱波长标定方法包括如下步骤：

a建立光谱波长标定理论模型

光栅相对光学编码器索引孔转动角度与光学编码器读数关系为：

$C=\frac{\mathrm{\θ}}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(1\right)$

其中，C为光学编码器读数，θ为光栅相对光学编码器索引孔转动角度，P为光学编码器旋转一周输出的脉冲数；M为插值电路的插值比；

设θ₀代表待标定光谱仪的光栅起始位置，即直流无刷电机转动至光学编码器索引孔处对应光栅的入射角，则(θ+θ₀)满足衍射级次为1，且工作于Littrow条件下的光栅方程：

λ＝2dsin(θ+θ₀)            (2)

其中，d为光栅常数，λ为光波长；

由式(2)可得：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0---\left(3\right)$

将式(3)带入式(1)，可得：

$C=\frac{\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2d}-{\mathrm{\θ}}_0}{2\mathrm{\π}}\×P\×M---\left(4\right)$

式(4)即为光谱波长标定的理论模型；

b采用两点解方程法进行光谱波长标定

由式(4)可知，为确定光波长λ与光学编码器读数C的关系，需要计算待标定光谱仪光栅的起始位置θ₀和光栅常数d值，具体计算过程如下：

首先通过检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将待标定光谱仪的光栅转动至光学编码器索引孔处；

然后分别接入两路中心波长在600nm～1700nm之间的激光光源，中心波长记为λ₁和λ₂，由CPU控制直流无刷电机从光学编码器索引孔处开始逐渐转动，同时光学编码器开始递增计数，根据探测器输出判断是否有光被测出，并进一步求取峰值光功率，控制直流无刷电机停止在峰值光功率对应的峰值波长处；

最后记录停止扫描时光学编码器的读数C₁和C₂，利用(λ₁，C₁)和(λ₂，C₂)这两组数据，带入式(4)解方程组，得到待标定光谱仪光栅的起始位置θ₀和光栅常数d值；

c开机进行初始波长定位

将经过步骤b得到的θ₀和d值写入待标定光谱仪的内存Flash中，记录待标定光谱仪关机前波长的目标位置；待标定光谱仪开机时执行初始波长点定位，具体过程如下：

开机时首先要检测光学编码器的索引脉冲输出信号，将光栅转动至编码器索引孔处；然后将待标定光谱仪的光栅转动θ₀角度，使开机后光栅的初始入射角均为零；最后需将光栅转动到上次关机前波长的目标位置。

2.根据权利要求1所述的一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，其特征在于，所述步骤b中，光被测出的具体过程如下：

首先，每增加一个光学编码器计数，记录一个光功率值，控制直流无刷电机转动覆盖全波段范围，得到光学编码器读数与光功率值的一一对应关系；

其次，将光功率值进行归一化；

最后，根据归一化后的光功率均值确定是否有光。

3.根据权利要求2所述的一种光栅转动分光光谱仪光谱波长标定方法，其特征在于，所述步骤b中，峰值光功率的求取方法为：以得到的光功率值的最大值作为峰值光功率。