CN108593110A - 基于pzt相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱仪器领域，为提出新的全光纤傅里叶变换光谱仪，提高FFTS仪器的精度和可靠性，消除噪声和伪影，同时具有小型化、便携式等特点。为此，本发明采用的技术方案是，基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪，结构如下：两个光纤干涉仪的传感臂缠绕在同一个光纤相位调制器PZT上，使得两者完全同步且一致，测试光通过耦合透镜进入宽带耦合器WIC1的一个输入端,经过耦合器WIC1分成50:50的两束,一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，分别进入宽带耦合器WIC2的输入端，经过宽带耦合器WIC2后在其输出端形成干涉条纹。本发明主要应用于光谱检测场合。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪器领域，特别是关于全光纤傅里叶变换光谱仪的设计。具体讲,涉及基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪。
背景技术
傅立叶变换光谱仪(FTS)广泛用于测量弱光谱信号和宽带光谱。FTS是一种利用干涉图和光谱图之间的傅里叶变换对通过测量干涉图来实现光谱图分析的干涉光谱仪。它具有许多优点，如多通道，高通量，高分辨率和高波数精度。FTS最初用于化学分析领域。随着理论体系的成熟，其在天文科学和气体成分检测领域的应用也受到了广泛关注，具有广阔的发展和应用前景。
近年来，由于仪器便携性和小型化的要求越来越高，以及光纤传感技术蓬勃发展，第一个全光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)被提出了。1985年，A.D.Kersey首先提出了一种使用光纤的FFTS。在动镜扫描的情况下，光谱分辨率可以在820nm处达到1cm-1。为了克服光纤弯曲的双折射效应，M.A.Page-Jones报道了使用保偏光纤实现光路扫描的FFTS的研究结果，光谱分辨率相当于0.67cm-1。为了实现完全静止的装置，Martint Selzele等人通过光纤的温度效应实现了相位调制，并建立了具有4cm-1的光谱分辨率的FFTS。
用压电陶瓷(PZT)对缠绕在上面的光纤进行拉伸以实现光学相位调制，可以取代动镜扫描。法国巴黎天文台的P.Zhao等人先后报道了他们用于检测天文观测的全光纤FTS的工作，他们在理论上详细分析了PZT作为相位调制器引起的问题。然而，他们在干涉仪中使用的两个PZT柱体在相位调制中没有一致性，并且需要过滤后光路上的光。国内，A.Wang等人采用对称马赫泽德和PZT拉伸光纤来实现FFTS的调制。虽然这种结构可以同步调制参考光源和测试光源，但是当两个光源不在同一波长时增加了耦合的难度，这在实际测量中不适用。同时，他们没有给出相位误差的实时补偿和校正方案。
PZT作为相位调制器的应用使得仪器更加紧凑、稳定、可靠，没有移动部件，从而避免了很多机械精度方面的技术问题；在大动态范围内实现光程差(OPD)；使光路调制更加方便，易于实现快速OPD扫描。然而，PZT的非线性会导致采样位置不准确；参考光路产生的采样触发信号与测试光路不一致不同步的问题会导致相位误差；特别地，PZT位移的转折点会导致相位突变；目前，PZT非线性和采样延时成为关键问题。解决PZT的光程非线性问题和采样延时的实时补偿对于提高FFTS仪器的精度和可靠性具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的全光纤傅里叶变换光谱仪，提高FFTS仪器的精度和可靠性，消除噪声和伪影，同时具有小型化、便携式等特点。为此，本发明采用的技术方案是，基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪，结构如下：两个光纤干涉仪的传感臂缠绕在同一个光纤相位调制器PZT上，使得两者完全同步且一致，测试光通过耦合透镜进入宽带耦合器WIC1的一个输入端,经过耦合器WIC1分成50:50的两束,一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，分别进入宽带耦合器WIC2的输入端，经过宽带耦合器WIC2后在其输出端形成干涉条纹,用铟镓砷InGaAs探测器D1进行探测；同样，He-Ne通过耦合透镜进入参考光路的光纤干涉仪，经过633nm耦合器进行50:50分光，一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过另一条臂长匹配光纤，在输出端口形成干涉条纹，用硅Si探测器D2进行探测；
三角波模拟信号发生电路数模转换器DAC的输出控制高压驱动电源驱动PZT的堆叠压电陶瓷，堆叠压电陶瓷对绕制在PZT上的所述传感臂拉伸从而进行光程扫描，利用光纤的弹光效应，对光进行相位调制，以此产生光程差；
InGaAs探测器、Si探测器将采集的光强信号转换为电信号，再通过电流-电压转换电路将电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大，之后经滤波去噪电路处理；以Si探测器输出为源头最终经所述滤波去噪电路处理输出的参考光路信号用于控制模数转换器对InGaAs探测器输出的检测信号进行采样，对采样得到的数据做快速傅里叶变换得到最终结果。
以Si探测器输出为源头最终经所述滤波去噪电路处理输出的参考光路信号经过零检测电路和倍频锁相电路，得到的信号作为模数转换器采样的控制触发信号；还设有所述DAC和模数转换器的同步时序模块，使得采样只发生在所述三角波信号的上升沿。
DAC和模数转换器ADC的同步时序模块集成在FPGA芯片上，同步时序模块以所述参考光路信号为基准，控制模数转换器进行采样，同时控制DAC输出三角波信号的上升沿；FPGA芯片还包括USB通信模块，USB通信模块用于将模数转换器输出的信号数据输出到计算机USB口，由计算机对其进行傅里叶变换。
本发明的特点及有益效果是：
(1)克服现有光纤傅里叶光谱仪使用动镜进行光程扫描，对机械加工要求高、抗干扰能力不强，光程扫描速度较慢的缺点；提出一种采用无运动部件的压电陶瓷光纤相位调制器代替反射镜扫描光程的方法，即利用压电陶瓷电致伸缩的特性，通过对其两个电极加以电压驱动，从而对缠绕其上的光纤产生拉伸作用，实现对在光纤中传输的光信号进行快速的相位调制。
(2)克服现有技术压电陶瓷光纤相位调制器的非线性驱动不同步不一致导致采样误差的缺点，提供了并绕光纤法，将参考光路和待测光路的测试臂光纤并绕在同一个压电陶瓷驱动光纤相位调制器上，通过等波长间隔采样触发，实现非线性相位的实时补偿，提高了光谱仪的波长精度。
(3)由于采用两路马赫泽德(Mach-Zenhder)干涉仪，分别耦合参考光和待测光，提高了光路耦合效率和信噪比，也避免了器件波长范围不统一带来的耦合困难。
(4)通过电路的设计实现选择性采样，避免了由于PZT相位不连续点而在实时测量时产生的光谱伪影。
附图说明：
图1示出本发明的基于PZT非线性相位补偿的全光纤傅里叶光谱仪的主要系统结构框图。
图2示出本发明的PZT驱动非线性的原理图(包括开环和闭环条件下)。
图3示出本发明的参考光的干涉信号和等波长间隔采样触发信号示意图。
图4示出本发明的PZT相位突变点干涉图和光谱图前后对比图。
图5示出本发明的SLED宽带光源的测试光谱图和标准光谱图对比。
图1中：1为参考光源He-Ne激光器；7为待测光源；2和5为1×2的可见光波段光纤耦合器，分束比为50:50；3和9为干涉臂匹配光纤圈；8和10为1×2的待测光源范围的宽带耦合器，波段内分束比为50:50；4为柱状压电陶瓷光纤相位调制器，其上并行绕制着两卷光纤；6为硅光电二极管，用于探测可见光400-1100nm光谱范围；11为InGaAs光电二极管，用于探测近红外光谱范围:800-1700nm；12为PZT高压驱动电源；13为DAC模拟信号发生器；14和18为TIA跨阻放大电路，将探测器的光电流转化为电压；15为过零触发器，16为倍频锁相电路，17为FPGA主控芯片，19为滤波整形电路，20为ADC模数转换器，21为USB芯片，22为上位机。
具体实施方式
本发明旨在：
(1)提出一种全光纤傅里叶变换光谱仪由光纤宽带耦合器代替分束镜,光纤代替传统光路,无运动部件的压电陶瓷光纤相位调制器代替反射镜移动组成，一方面可以实现快速光程扫描，检测实时光谱信息；另一方面，采用完全无运动器件，具有小型化、便携式、高波数精度、高分辨率等优点,避免了高精度的机械加工、光学加工。
(2)提出一种并绕光纤法，实时补偿PZT非线性和不一致相位误差的方法。使用两个Mach-Zenhder干涉仪，并将参考光路和待测光路的传感臂光纤并绕在同一个压电陶瓷驱动光纤相位调制器上，不仅实现了双光路的相同并且同时相位调制，达到等波长间隔采样的目的，有效地避免了压电陶瓷本身的驱动非线性所带来的测量偏差，同时解决了采用单个对称干涉仪来耦合双光源的耦合效率低、信噪比低的缺点。
(3)提出一种压电陶瓷在开环驱动条件下，使用电路设计来实现测试干涉图的选择性采样，避免由PZT相位不连续点而产生的频谱伪影。
(4)同时，本发明提供了全光纤傅里叶变换光谱仪的信号处理电路，在消除环境噪声和提高信噪比方面有良好的效果。
为克服现有技术的不足，本发明提供一种PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶光谱仪系统，它能克服如下缺点：(1)本发明能克服现有光纤傅里叶光谱仪使用动镜进行光程扫描，对机械加工要求高、抗干扰能力不强，光程扫描速度较慢的缺点。(2)本发明能克服多个PZT驱动不同步、不一致，从而导致等光程差采样的位置误差的缺点。(3)本发明能克服单个干涉仪耦合多光源带来的耦合效率低，光路器件波长范围不统一的缺点。(4)本发明通过电路设计能克服由于PZT相位不连续点而在实时测量时产生的光谱伪影。
本发明具有如下优点：(1)采用无运动部件的压电陶瓷光纤相位调制器代替反射镜扫描光程，小型化，便携式,避免了高精度的机械加工、光学加工；(2)采用并绕光纤法，将参考光路和待测光路的测试臂光纤并绕在同一个压电陶瓷驱动光纤相位调制器上，使得参考光路和测试光路同步且一致，提高等波长间隔采样触发准确性，实现非线性相位的实时补偿，提高了光谱仪的波长精度。(3)采用两路干涉仪，分别耦合参考光和待测光，提高了光路耦合效率和信噪比，也避免了器件波长范围不统一带来的麻烦。(4)使用电路设计来实现测试干涉图的选择性采样，避免由PZT相位不连续点而产生的频谱伪影。
本发明采取的技术方案是，PZT非线性相位补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪系统，包括：
(1)两路并行的光纤Mach-Zenhder干涉仪
测试光和参考光分别从两路Mach-Zenhder干涉仪一侧输入，避免了两束光不在一个波段导致的光纤器件耦合困难，同时避免了器件的回波反射导致的干涉探测相互干扰。将两个光纤干涉仪的传感臂缠绕在同一个PZT上，使得两者完全同步且一致。测试光通过耦合透镜进入宽带耦合器WIC1的一个输入端,经过耦合器分成50:50的两束,一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，分别进入宽带耦合器WIC2的输入端，经过WIC2后在输出端形成干涉条纹,用InGaAs探测器D1进行探测。同样，He-Ne通过耦合透镜进入参考光路的Mach-Zehnder干涉仪，经过可见光波段耦合器进行50:50分光，一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，在输出端口形成干涉条纹，用Si探测器D2进行探测。
(2)PZT光纤拉伸驱动器
设计的大行程的堆叠压电陶瓷，在上面缠上光纤，利用光纤的弹光效应，对光进行相位调制，以此产生光程差，通过用对称三角波驱动PZT扫描光程，产生干涉图。PZT光纤拉伸驱动模块主要由两个部分组成：三角波模拟信号发生电路(DAC)和高压驱动电源。
(3)光电检测、处理及采集电路
PIN光电二极管将采集的光强信号转换为电信号，再利用I-V转换电路对电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大。之后对电压信号进行滤波去噪处理。为了利用参考光路的信号对测试光进行等光程差采样，采用了过零检测电路和倍频锁相电路，得到的信号作为ADC芯片采样的触发信号。特别地，设计DAC和ADC的同步时序，使得采样只发生在三角波信号的上升沿，有效地避开了相位突变点导致的光谱伪影。
(4)FPGA时序+USB通讯
利用Cyclone IV FPGA作为光谱仪的控制平台，控制AD芯片读写信号、控制倍频锁相信号，同时控制USB 2.0芯片和PC进行数据通讯。
为克服现有技术的不足，实现：(1)克服现有光纤傅里叶光谱仪使用动镜进行光程扫描，对机械加工要求高、抗干扰能力不强，光程扫描速度较慢的缺点；提供一种采用无运动部件的压电陶瓷光纤相位调制器代替反射镜扫描光程的方案，即利用压电陶瓷电致伸缩的特性，通过对其两个电极加以电压驱动，从而对缠绕其上的光纤产生拉伸作用，实现对在光纤中传输的光进行快速的相位调制。
(2)克服现有技术压电陶瓷光纤相位调制器的驱动不同步、不一致，导致采样位置误差的缺点，提供了采用一种并绕光纤法，将参考光路和待测光路的测试臂光纤并绕在同一个压电陶瓷驱动光纤相位调制器上，通过等波长间隔采样触发，实现非线性相位的实时补偿，提高了光谱仪的波长精度。
(3)由于采用两路Mach-Zenhder干涉仪，分别耦合参考光和待测光，提高了光路耦合效率和信噪比，也避免了器件波长范围不统一带来的耦合困难。
(4)使用电路设计来实现测试干涉图的选择性采样，避免由PZT相位不连续点而产生的频谱伪影。
本发明具体实现过程如下：
(1)两路并行的光纤Mach-Zenhder干涉仪
测试光和参考光分别从两路Mach-Zenhder干涉仪一侧输入，避免了两束光不在一个波段导致的光纤器件耦合困难，同时避免了器件的回波反射导致的干涉探测相互干扰。将两个光纤干涉仪的传感臂缠绕在同一个PZT上，使得两者完全同步且一致。测试光通过耦合透镜进入宽带耦合器WIC1的一个输入端,经过耦合器分成50:50的两束,一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，分别进入宽带耦合器WIC2的输入端，经过WIC2后在输出端形成干涉条纹,用InGaAs探测器D1进行探测。同样，He-Ne通过耦合透镜进入参考光路的Mach-Zehnder干涉仪，经过可见光波段耦合器进行50:50分光，一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，在输出端口形成干涉条纹，用Si探测器D2进行探测。
(2)PZT光纤拉伸驱动器
设计的大行程的堆叠压电陶瓷，在上面缠上光纤，利用光纤的弹光效应，对光进行相位调制，以此产生光程差，通过用对称三角波驱动PZT扫描光程，产生干涉图。PZT光纤拉伸驱动模块主要由两个部分组成：三角波模拟信号发生电路(DAC)和高压驱动电源。
(3)光电检测、处理及采集电路
PIN光电二极管将采集的光强信号转换为电信号，再利用I-V转换电路对电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大。之后对电压信号进行滤波去噪处理。为了利用参考光路的信号对测试光进行等光程差采样，采用了过零检测电路和倍频锁相电路，得到的信号作为ADC芯片采样的触发信号。特别地，设计DAC和ADC的同步时序，使得采样只发生在三角波信号的上升沿，有效地避开了相位突变点导致的光谱伪影。
(4)FPGA时序+USB通讯
利用Cyclone IV FPGA作为光谱仪的控制平台，控制AD芯片读写信号、控制倍频锁相信号，同时控制USB 2.0芯片和PC进行数据通讯。
下面结合附图和实验本发明做进一步说明。
本发明中，参考光源使用稳频He-Ne激光器，波长为632.8nm，进入参考光路的Mach-Zenhder干涉仪，两个光纤耦合器的分光比均为50:50，参考臂使用与绕制在PZT上的测试臂等长的同型号的光纤进行光程匹配，确保干涉现象的高对比度。测试臂在绕制PZT上的光纤为N圈。干涉将在第二个耦合器输出端发生，并由Si光电二极管探测到，随光强变换的光电流将由跨阻放大电路进行I-V转换，通过低通滤波器，取信号的交流部分，得到如图3的余弦信号的干涉信号，通过过零触发器之后，产生同频的方波信号作为待测光源的等波长间隔的采样触发信号，以时钟信号的形式给主控FPGA。
进一步地，对PZT光纤相位调制器的两个电极施加25Hz，0-140V的占空比为50％的三角波驱动，通过对绕制在PZT上的光纤拉伸从而进行光程扫描。PZT的行程曲线如图2所示，开环升压曲线和降压曲线不重合，体现为非对称、非线性、非重复性，显然，产生的调制相位将于时间成非线性关系，故无法直接对待测光源干涉信号等时间间隔采样，而是采用参考光稳定的波长间隔对其进行等波长间隔采样的方式。
进一步地，为了避免PZT相位突变点对光谱的影响，采用只在三角波上升沿采样，通过FPGA控制DAC和ADC，其中DAC为三角波模拟信号发生器，通过FPGA时序信号控制ADC在三角波的上升沿采样。
进一步地，待测光源使用SLED宽带光源，波长范围为1500-1600nm，进入测试光路的Mach-Zenhder干涉仪，使用宽带耦合器的分光比均为50:50，由于光源的相干长度很短，参考臂使用与绕制在PZT上的测试臂等长的同型号的光纤进行光程匹配，确保出现干涉现象。同样，测试臂在绕制PZT上的光纤为N圈，两个Mach-Zenhder的测试臂并行缠绕在同一个PZT上，使参考光路和测试光路接受同样的光程调制。
进一步地，待测光源在第二个宽带耦合器输出时发生干涉。由InGaAs PIN光电探测器进行光电转换，进过滤波后被ADC模数转换器采集。其中ADC采集的时钟信号是由FPGA将采样触发信号时钟产生的。得到的数据由USB芯片传输到计算机上做快速傅里叶变换(FFT)，干涉现象以及FFT之后得到的光源光谱图，如图5所示。
Claims (3)
1.一种基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪，其特征是，结构如下：两个光纤干涉仪的传感臂缠绕在同一个光纤相位调制器PZT上，使得两者完全同步且一致，测试光通过耦合透镜进入宽带耦合器WIC1的一个输入端,经过耦合器WIC1分成50:50的两束,一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过臂长匹配光纤，分别进入宽带耦合器WIC2的输入端，经过宽带耦合器WIC2后在其输出端形成干涉条纹,用铟镓砷InGaAs探测器D1进行探测；同样，He-Ne通过耦合透镜进入参考光路的光纤干涉仪，经过633nm耦合器进行50:50分光，一束经过压电陶瓷相位调制器并行绕制的光纤，另一束经过另一条臂长匹配光纤，在输出端口形成干涉条纹，用硅Si探测器D2进行探测；
三角波模拟信号发生电路数模转换器DAC的输出控制高压驱动电源驱动PZT的堆叠压电陶瓷，堆叠压电陶瓷对绕制在PZT上的所述传感臂拉伸从而进行光程扫描，利用光纤的弹光效应，对光进行相位调制，以此产生光程差；
InGaAs探测器、Si探测器将采集的光强信号转换为电信号，再通过电流-电压转换电路将电流信号转换为电压信号，并进行微弱信号放大，之后经滤波去噪电路处理；以Si探测器输出为源头最终经所述滤波去噪电路处理输出的参考光路信号用于控制模数转换器对InGaAs探测器输出的检测信号进行采样，对采样得到的数据做快速傅里叶变换得到最终结果。
2.如权利要求1所述的基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪，其特征是，以Si探测器输出为源头最终经所述滤波去噪电路处理输出的参考光路信号经过零检测电路和倍频锁相电路，得到的信号作为模数转换器采样的控制触发信号；还设有所述DAC和模数转换器的同步时序模块，使得采样只发生在所述三角波信号的上升沿。
3.如权利要求1所述的基于PZT相位调制实时补偿的全光纤傅里叶变换光谱仪，其特征是，DAC和模数转换器ADC的同步时序模块集成在FPGA芯片上，同步时序模块以所述参考光路信号为基准，控制模数转换器进行采样，同时控制DAC输出三角波信号的上升沿；FPGA芯片还包括USB通信模块，USB通信模块用于将模数转换器输出的信号数据输出到计算机USB口，由计算机对其进行傅里叶变换。
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