CN109269418A - 基于气体吸收池校准的光纤标定系统及使用方法 - Google Patents

基于气体吸收池校准的光纤标定系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于气体吸收池校准的光纤标定系统，所述校准光路内设置一气体吸收池并产生气体吸收谱线，所述干涉仪光路用于产生包含光纤长度的拍频信号，所述数据采集处理单元用于检测所述校准光路和干涉仪光路的输出并计算出干涉仪光路中待测量光纤的长度。本发明中，气体吸收池具有很高的重复性和稳定性，作为校准源可将标定的光纤长度溯源至NIST标准，另外经过对此测量，标定结果显示与平均值之差在±150微米，与传统技术相比较，测量精度高、稳定性好，整体设备体积小、成本低、系统适应性好。

Description

基于气体吸收池校准的光纤标定系统及使用方法
技术领域
本发明属于长距离激光测距技术领域，尤其是涉及一种基于气体吸收池校准的光纤标定系统及使用方法
技术背景
近年来，光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展得到迅猛的发展，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志，该技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、计量测试等领域。光纤传感技术比较成熟的应用当属光学频率反射计领域，常常根据光纤的回光反射特性来寻找光纤网络中不易发现的坏点，在调频激光雷达领域中也常常采用双光纤光路设计，选用延迟长度大于两倍测量量程的单模光纤组成辅助干涉仪，来消除光源非线性的影响，在医学领域的光学相干层析技术也沿用此设计，来完成病体组织的扫描，上述各种应用都需要准确的知道单模光纤的长度，测量精度的大小取决于标定光纤长度的大小。
在调频激光雷达领域中，常常采用更高精度的单频激光干涉仪和雷达系统的测量值做比对，以此反解出参考光纤的长度，但这种方法的精度极易受到环境振动的影响，在长时间测量过程中，光纤长度的测量稳定性极差，对激光雷达的绝对测量精度有着较严重的影响。
经过检索，发现在光时域反射计(OTDR)领域，常常采用光脉冲延迟法来精确测量光纤长度(张颖艳,孙小强,傅栋博,岳蕾,刘丽,李然,杨琨.基于高斯光脉冲延迟技术的光纤长度精确测量方法[J].计量学报,2015,36(01):10-13.)，经过对技术方案的分析发现，脉冲时延误差会影响测量精度，其测量的精度也得不到一个准确的溯源。
综上所述，针对光纤长度的标定还没有一个稳定可靠的方法。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种利用激光通过符合NIST标准的气体吸收池产生的气体吸收谱线来确定采样点数和吸收频率，并具有高重复性、高稳定性、低成本、占据空间小和更高系统适应性等特点的基于气体吸收池校准的光纤标定方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于气体吸收池校准的光纤标定系统，其特征在于：包括激光发射单元、校准光路、干涉仪光路和数据采集处理单元，所述校准光路内设置一气体吸收池并产生气体吸收谱线，所述干涉仪光路用于产生包含光纤长度的拍频信号，所述数据采集处理单元用于检测所述校准光路和干涉仪光路的输出并计算出干涉仪光路中待测量光纤的长度。
再有，所述激光发射单元发射的激光被分为第一路和第二路，第一路进入所述校准光路，第二路被分为第三路和第四路，第三路和经过待标定光纤的第四路进入所述干涉仪光路中的正交调制器。
再有，所述气体吸收池连接所述数据采集处理单元中的光电探测器，所述正交调制器连接所述数据采集处理单元中的两个平衡光电探测器。
再有，所述气体吸收池为HCN气体吸收池或CO气体吸收池。
本发明的另一个目的是提供一种如权利要求4所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴可调频激光器发射的激光分别进入校准光路和干涉仪光路；
⑵数据采集处理单元获取校准光路的气体吸收谱线和干涉仪光路的正交分量、同相分量；
⑶构建复信号，利用反正切计算包含待标定光纤长度的卷裹相位；
⑷根据激光扫频的方向确定解卷裹后的扫频方向，然后解卷裹并获取采样点数与相位之间的关系函数；
⑸找到气体吸收谱线中的每根谱线对应的采样点数和对应的吸收光频，根据采样点数与相位之间的关系函数计算出相位；
⑹拟合吸收光频和相位的一次函数，求导后获得光纤延迟；
⑺根据光纤延迟计算出待标定光纤的长度。
再有，步骤⑵所述的正交分量为
UQref(k)＝A(k)·sin[2πτrefυ(k)]
同相分量为
UIref(k)＝A(k)·cos[2πτrefυ(k)]。
再有，步骤⑶所述复信号为
X(k)＝UIref(k)+jUQref(k)
卷裹相位为
再有，步骤⑷所述的扫频方向为递减，所述采样点数与相位之间的关系函数为
Φ(k)＝2πτrefυ(k)。
再有，步骤⑹所述的一次函数为
所述光纤延迟为
τref＝a/(2π)。
再有，步骤⑺所述的待标定光纤的长度为
τref＝n*L/C。
本发明获得的技术效果是：
本发明中，激光发射单元输出调频激光，标准光路内的气体吸收池产生气体吸收谱线，干涉仪光路产生包含光纤长度的拍频信号，数据采集处理单元接收各数据并计算出光纤的长度。气体吸收池具有很高的重复性和稳定性，作为校准源可将标定的光纤长度溯源至NIST标准，另外经过对此测量，标定结果显示与平均值之差在±150微米，与传统技术相比较，测量精度高、稳定性好，整体设备体积小、成本低、系统适应性好。
附图说明
图1为本发明的光路示意图；
图2为气体吸收池的波长吸收特性图；
图3为90°混频后干涉仪光路拍频信号的正、交分量；
图4为干涉仪光路拍频信号的解卷裹相位和最小二乘法拟合的相位曲线；
图5为拍频信号的拟合相位残差；
图6为不同测量次数下基于气体吸收池校准后的光纤长度标定值曲线；
图7为基于气体吸收池标定与干涉仪比值标定的对比图。
具体实施方式
下面通过实施案例及对比例对本发明作进一步阐述，但不限于本实施例。
一种基于气体吸收池校准的光纤标定系统，如图1～7所示，本发明的创新在于：包括激光发射单元、校准光路2、干涉仪光路10和数据采集处理单元，校准光路内设置一气体吸收池3并产生气体吸收谱线，干涉仪光路用于产生包含光纤长度的拍频信号，数据采集处理单元用于检测校准光路和干涉仪光路的输出并计算出干涉仪光路中待测量光纤的长度。
本实施例中，激光发射单元中的可调频激光器使用美国的Luna公司的PHOENIX1400，扫描带宽设置的是1545-1565纳米。激光被光纤分束器1分为第一路a和第二路b，第一路进入校准光路，第二路被光纤分束器11分为第三路c和第四路d，第三路经过光纤8和经过待标定光纤9的第四路进入干涉仪光路中的正交调制器,正交调制器用的是Kylia公司的COH28。
数据采集处理单元包括气体吸收池连接的光电探测器4、正交调制器连接的两个平衡光电探测器6和7、数据采集卡和上位机5，光电探测器用于检测气体吸收谱线，平衡光电探测器用于检测拍频信号，数据采集卡将探测器的输出信号转发至上位机，有上位机完成计算、存档等操作。
气体吸收池为HCN气体吸收池或CO气体吸收池，本实施例中使用的是WavelengthReferences公司的HCN-13-H(16.5)-25-FC/APC，其1545-1565nm之间的吸收谱线如图2所示。
基于气体吸收池校准的光纤标定方法的使用方法中涉及如下设备：激光器采用的是美国的Luna公司的PHOENIX 1400，光电探测器采用的是Thorlabs公司的PDB450C-AC，气体吸收池采用的是Wavelength References公司的HCN-13-H(16.5)-25-FC/APC。辅助干涉仪的延迟光纤选用的是武汉长飞公司生产的G652标准的单模光纤，平均折射率为1.467@1550nm,长度大约为55m左右，正交调制器用的是Kylia公司的COH28。
上述系统的使用方法包括以下步骤：
⑴可调频激光器发射的激光分别进入校准光路和干涉仪光路；
⑵数据采集处理单元获取校准光路的气体吸收谱线和干涉仪光路的如图3所示的正交分量、同相分量；
正交分量为
UQref(k)＝A(k)·sin[2πτrefυ(k)]
同相分量为
UIref(k)＝A(k)·cos[2πτrefυ(k)]
A(k)为拍频信号的幅度。
⑶构建复信号，利用反正切计算包含待标定光纤长度的卷裹相位；
复信号为
X(k)＝UIref(k)+jUQref(k)
卷裹相位为
其中，Im表示虚数部分，Re表示实数部分。
⑷根据激光扫频的方向确定解卷裹后的扫频方向，然后采用unwrap函数解卷裹并获取如图4所示的采样点数与相位之间的关系函数；
扫频方向为递减，所述采样点数与相位之间的关系函数为
Φ(k)＝2πτrefυ(k)。
⑸找到如图2所示的气体吸收谱线中的每根谱线对应的采样点数k和对应的吸收光频υk，根据采样点数与相位之间的关系函数计算出相位Фk；
⑹利用最小二乘法拟合吸收光频υk和相位Фk的一次函数相位拟合误差如图5所示，对拟合的一次函数关于光频υ求导，获得光纤延迟τref；
一次函数为
光纤延迟为
τref＝a/(2π)
其中，α为斜率。
⑺根据光纤延迟计算出待标定光纤的长度。
待标定光纤的长度为
τref＝n*L/C。
其中，n为光纤折射率，L为待标定光纤的长度，c为真空中光速。
实施例
搭建标定系统，激光器采用的是美国的Luna公司的PHOENIX 1400，扫描带宽设置的是1545-1565nm，光电探测器采用的是Thorlabs公司的PDB450C-AC，气体吸收池采用的是Wavelength References公司的HCN-13-H(16.5)-25-FC/APC，辅助干涉仪的延迟光纤选用的是武汉长飞公司生产的G652标准的单模光纤，平均折射率为1.467@1550nm,长度大约为55m左右，正交调制器用的是Kylia公司的COH28。
利用平衡光电探测器分别探测干涉仪光路信号的同相分量UIref(k)和正交分量UQref(k)，如图3所示。
构建复信号X(k)＝UIref(k)+jUQref(k)，利用反正切计算包含光纤长度信息的卷裹相位Ф(k),再根据激光扫频的方向确定解卷裹后的相位方向，这里的扫频方向采用的是递减，并采用unwrap函数进行相位解卷裹，获取“采样点数-相位”函数Ф(k)。
根据校准光路中光电探测器探测到的气体吸收谱线(如图2所示)，找到每根吸收谱线对应的采样点数k和查表(气体吸收池自带的标准表)得到对应的吸收频率υk，并根据“采样点数-相位”函数找到每一个吸收频率υk位置处的相位Фk；
利用最小二乘法拟合吸收光频υk和相位Фk的一次函数如图4所示。
求解拟合的光频函数斜率，得到光纤延迟：τref＝1.6927×10-6/(2π)＝2.7036×10-7s,换算成折射率为1.467的单模光纤长度为Rref＝55.2876m。
实施本发明所述的标定方法,选取55m左右的单模光纤为标定对象，在恒温恒湿下，对其测量14次，并记录每次标定结果，如图6所示，14次的标定结果显示其与平均值之差在±150μm之内。
为了比较所述发明的标定方法与激光雷达测量系统常用的干涉仪比值标定法的精度，分别用两种不同的方法对同一单模光纤进行标定，结果如图7所示，可以明显地发现，实施本发明所述的标定方法较干涉仪比值标定法有着较高的稳定度和准确度。
上述所有实验结果均表明，本发明提出基于气体吸收池校准的光纤标定方法能够实现单模光纤的高精度标定，其标定误差能够控制在±150μm以内。
本发明中，激光发射单元输出调频激光，标准光路内的气体吸收池产生气体吸收谱线，干涉仪光路产生包含光纤长度的拍频信号，数据采集处理单元接收各数据并计算出光纤的长度。气体吸收池具有很高的重复性和稳定性，作为校准源可将标定的光纤长度溯源至NIST标准，另外经过对此测量，标定结果显示与平均值之差在±150微米，与传统技术相比较，测量精度高、稳定性好，整体设备体积小、成本低、系统适应性好。

Claims (10)

1.一种基于气体吸收池校准的光纤标定系统，其特征在于：包括激光发射单元、校准光路、干涉仪光路和数据采集处理单元，所述校准光路内设置一气体吸收池并产生气体吸收谱线，所述干涉仪光路用于产生包含光纤长度的拍频信号，所述数据采集处理单元用于检测所述校准光路和干涉仪光路的输出并计算出干涉仪光路中待测量光纤的长度。
2.根据权利要求1所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统，其特征在于：所述激光发射单元发射的激光被分为第一路和第二路，第一路进入所述校准光路，第二路被分为第三路和第四路，第三路和经过待标定光纤的第四路进入所述干涉仪光路中的正交调制器。
3.根据权利要求1或2所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统，其特征在于：所述气体吸收池连接所述数据采集处理单元中的光电探测器，所述正交调制器连接所述数据采集处理单元中的两个平衡光电探测器。
4.根据权利要求3所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统，其特征在于：所述气体吸收池为HCN气体吸收池或CO气体吸收池。
5.一种如权利要求4所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴可调频激光器发射的激光分别进入校准光路和干涉仪光路；
⑵数据采集处理单元获取校准光路的气体吸收谱线和干涉仪光路的正交分量、同相分量；
⑶构建复信号，利用反正切计算包含待标定光纤长度的卷裹相位；
⑷根据激光扫频的方向确定解卷裹后的扫频方向，然后解卷裹并获取采样点数与相位之间的关系函数；
⑸找到气体吸收谱线中的每根谱线对应的采样点数和对应的吸收光频，根据采样点数与相位之间的关系函数计算出相位；
⑹拟合吸收光频和相位的一次函数，求导后获得光纤延迟；
⑺根据光纤延迟计算出待标定光纤的长度。
6.根据权利要求5所述的所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：步骤⑵所述的正交分量为
UQref(k)＝A(t)·sin[2πτrefυ(k)]
同相分量为
UIref(k)＝A(t)·cos[2πτrefυ(k)]。
7.根据权利要求5所述的所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：步骤⑶所述复信号为
X(k)＝UIref(k)+jUQref(k)
卷裹相位为
8.根据权利要求5所述的所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：步骤⑷所述的扫频方向为递减，所述采样点数与相位之间的关系函数为
Φ(k)＝2πτrefυ(k)。
9.根据权利要求5所述的所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：步骤⑹所述的一次函数为
所述光纤延迟为
τref＝a/(2π)。
10.根据权利要求5所述的所述的基于气体吸收池校准的光纤标定系统的使用方法，其特征在于：步骤⑺所述的待标定光纤的长度为
τref＝n*L/C。
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