CN110657947B

CN110657947B - 一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法

Info

Publication number: CN110657947B
Application number: CN201910829678.3A
Authority: CN
Inventors: 张福民; 伊灵平; 曲兴华
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: CN110657947A

Abstract

本发明公开了一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法：(1)入射多组带宽的可调谐激光，获取每组带宽下校准信号的吸收峰波长及其在拍频信号中所对应的相位；(2)以第一组待拼接信号的任一重合的吸收峰波长所对应的相位为基准，保持第二组待拼接信号的各吸收峰波长所对应的相位的间隔不变，将第二组所述待拼接信号平移至两组待拼接信号在该重合的吸收峰波长处相位相等；(3)在所有重合的吸收峰波长处删除多余相位值；(4)依照上述方法依次进行信号拼接；(5)拼接完成后，拟合吸收峰频率‑相位一次函数，解算待标定光纤的长度。本发明标定得到的光纤长度可溯源到NIST标准，且每次扫描带宽窄，采集数据量少，缩短采集和数据处理时间。

Description

一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法

技术领域

本发明涉及精密测量及光纤传感技术，特别涉及一种基于HCN气体吸收池校准进行信号拼接的光纤标定方法。

背景技术

光纤得益于其工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线，被运用于传感技术中，可将外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量发生变化也可将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理。近年来，随着光纤传感技术的发展，常常需要更高精度的标定光纤的长度。

为获取精确的光纤长度，许多方法被提出。常采用的是光时域反射计方法，通过光纤散射标定光纤长度；叶全意等人提出利用干涉仪与已标定光纤解调光纤长度；郑祥量等人提出利用Sagnac干涉系统获得与光纤长度有关的相位延迟标定光纤。但这些方法或对实验仪器精度有特殊要求，价格昂贵或实验复杂，灵活性低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，具有每次扫描带宽窄，采集数据量少，采集和数据处理时间短等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，所采用的光纤标定光路系统包括由HCN气体吸收池组成的校准光路和包含待标定光纤的马赫曾德干涉光路，所述光纤标定光路系统的光源采用可调谐激光器，所述可调谐激光器出射的可调谐激光通过第一分束器分别进入所述校准光路和所述马赫曾德干涉光路，在所述校准光路中产生携带特定波长吸收峰的校准信号，在所述马赫曾德干涉光路中产生夹带待测光纤长度信息的拍频信号，通过数据采集系统采集所述校准信号和所述拍频信号；光纤标定方法包括以下步骤：

步骤1，所述可调谐激光器出射多组带宽的可调谐激光，通过所述数据采集系统获得所述校准信号和所述拍频信号，对所述校准信号和所述拍频信号进行处理得到频率-相位对应的待拼接信号，同时，获取每组带宽下所述校准信号的吸收峰波长及所述校准信号的吸收峰波长在所述拍频信号中所对应的相位；

步骤2，选取两组所述待拼接信号，第一组所述待拼接信号和第二组所述待拼接信号存在重合的吸收峰波长，以第一组所述待拼接信号的任一重合的吸收峰波长所对应的相位为基准，保持第二组所述待拼接信号的各吸收峰波长所对应的相位的间隔不变，将第二组所述待拼接信号平移至两组所述待拼接信号在该重合的吸收峰波长处相位相等；

步骤3，在第二组所述待拼接信号平移之后，在所有重合的吸收峰波长处存在来自两组所述待拼接信号的两个相位值，删除其中任一相位值，保持每个吸收峰波长对应一个相位值，完成两组所述待拼接信号的信号拼接；

步骤4，重复步骤2和步骤3，对多组所述待拼接信号依次进行信号拼接；

步骤5，拼接完成后，通过最小二乘法对吸收峰波长转换得到的吸收峰频率f与吸收峰波长所对应的相位

进行拟合，得到吸收峰光频-相位一次函数，对所述吸收峰光频-相位一次函数求导，解算待标定光纤的长度。

进一步地，步骤1中，所述可调谐激光器所出射的多组带宽的可调谐激光中，每次出射的所述可调谐激光与前一次出射的所述可调谐激光至少存在一个重合的吸收峰波长。

进一步地，步骤5中，所述的通过最小二乘法对吸收峰波长转换得到的吸收峰频率f与吸收峰波长所对应的相位

进行拟合，得到吸收峰光频-相位一次函数，对所述吸收峰光频-相位一次函数求导，解算待标定光纤的长度包括：

拟合得到的吸收峰光频-相位一次函数为：

对公式(1)关于吸收峰频率f求导，得到斜率a，斜率a与待标定光纤的时间延迟τ之间的关系为：

τ＝a/(2π) (2)

通过公式(3)得到待标定光纤的长度l：

l＝τc/n (3)

式中，n为待标定光纤的折射率，c为光在真空中速度。

本发明的有益效果是：

1.本发明所采用的H¹³C¹⁴N气体池对波长的吸收谱线由美国标准技术研究院(NIST)认证，被国家标准机构确定为C波段(1530nm-1565nm)的主波长基准，其重复性和稳定性精度高(<10^-6)，以此为校准源标定得到的光纤长度可溯源到NIST标准。

2.HCN气体吸收峰数量越多，其对应的相位值数量越多，其拟合出的频率-相位一次函数越精确，最终标定的光线长度越准确。但HCN气体吸收池峰值增加要求更宽的扫描带宽以及一次性采集更多的数据，无论对数据采集还是数据处理带来一定的负担。本发明提出的基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，每次扫描所需的激光带宽较窄，仅需少量的HCN气体吸收峰值就能实现高精度的标定，减少了每次采集的数据量，加快了信号的采集以及处理速度。

附图说明

图1：本发明所采用的光纤标定光路系统示意图；

图2：本发明实施例1所采用的HCN气体吸收池部分吸收峰示意图；

图3：本发明实施例1中1527nm-1565nm波长在HCN气体吸收池中所产生的吸收峰波长表；

图4：本发明实施例1中未进行信号拼接前的两组待拼接信号的吸收峰频率-相位图；

图5：本发明实施例1信号拼接后的待拼接信号的吸收峰频率-相位图及拟合直线图。

附图标注：1、可调谐激光器；2、第一分束器；3、第二分束器；4、待标定光纤；5、耦合器；6、第一光电探测器；7、HCN气体吸收池；8、第二光电探测器；9、数据采集系统；10、上位机；

A、校准光路；B、马赫曾德干涉光路。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本发明所采用的光纤标定光路系统包括两部分，一为由HCN气体吸收池7组成的校准光路A，二为包含待标定光纤4的马赫曾德干涉光路B。所述光纤标定光路系统的光源采用可调谐激光器1，所述可调谐激光器1多次出射一定带宽的可调谐激光，每次出射的可调谐激光与前一次出射的可调谐激光至少有一个特定波长吸收峰重合。所述可调谐激光器1出射的可调谐激光通过第一分束器2分别进入所述校准光路A和所述马赫曾德干涉光路B。所述校准光路A包括HCN气体吸收池7和第二光电探测器8，所述马赫曾德干涉光路B包括第二分束器3、待标定光纤4、耦合器5和第一光电探测器6；在所述校准光路A中产生携带特定波长吸收峰的校准信号，在所述马赫曾德干涉光路B中产生夹带待测光纤长度信息的拍频信号，所述校准信号和所述拍频信号分别由所述第二光电探测器8和所述第一光电探测器6进行探测，通过数据采集系统9采集所述校准信号和所述拍频信号并上传至上位机10进行后续处理，通过对拍频信号解相位，提取出已知特定波长吸收峰值对应采样点k处的相位值。

一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，通过所述校准信号和所述拍频信号解算出在特定吸收峰波长处拍频信号的相位信息，将多次测量的相邻带宽的特定吸收峰波长及其对应的相位信息进行拼接，再利用最小二乘法拟合波长及相位之间的关系，求解出可调谐激光经过待标定光纤4的时间延迟，计算出待标定光纤4的长度。具体包括以下步骤：

步骤1，所述可调谐激光器1出射多组带宽的可调谐激光，通过所述数据采集系统9获得所述校准信号和所述拍频信号，对所述校准信号和所述拍频信号进行处理得到频率-相位对应的待拼接信号，同时，获取每组带宽下所述校准信号的吸收峰波长及所述校准信号的吸收峰波长在所述拍频信号中所对应的相位。其中，要求每组所述可调谐激光器1出射的可调谐激光范围都与前一组出射的可调谐激光范围有重合，并且，每次出射的所述可调谐激光得到的吸收峰与前一次出射的所述可调谐激光得到的吸收峰至少有一根是在相同的吸收峰波长处。

步骤3，在第二组所述待拼接信号平移之后，在所有重合的吸收峰波长处存在来自两组所述待拼接信号的两个相位值，为保持在每个吸收峰波长只有一个对应相位值，删除其中任一相位值。至此，完成两组所述待拼接信号的信号拼接。

步骤4，重复步骤2和步骤3，依次与后续待拼接信号进行信号拼接，实现多组所述待拼接信号数据的拼接。

进行拟合，得到吸收峰光频-相位一次函数如公式(1)所示：

对公式(1)关于吸收峰频率f求导，得到斜率a，斜率a与待标定光纤4的时间延迟τ之间的关系为：

τ＝a/(2π) (2)

通过公式(3)得到待标定光纤4的长度l：

l＝τc/n (3)

式中，n为待标定光纤4的折射率，c为光在真空中速度。

实施例1

为实施本发明所述方法，搭建如图1所示的光纤标定光路系统，可调谐激光器1采用的是Luna公司的PHOENIX 1400。HCN气体吸收池7采用的是Wavelength References公司的HCN-13-H(16.5)-25-FC/APC，其部分吸收峰值示意图如图2所示。待标定光纤4采用的是拓普光研公司购买的单模光纤，光纤折射率为1.4675@1550nm，长度为1.6m左右。第一光电探测器6和第二光电探测器8采用的是Thorlabs公司的PDA10CS-EC。

其中本发明对可调谐激光器1，待标定光纤4的类型，第一光电探测器6和第二光电探测器8等型号不做要求。

本发明实施例以1.6m长左右光纤为标定对象，在恒温恒湿恒压下搭建光纤标定光路系统进行实验。可调谐激光器1分别以1542nm-1549nm，1548nm-1555nm为扫描带宽进行两组实验，扫描速率为100nm/s，两组实验分别采集校准光路A的校准信号和马赫曾德干涉光路B的拍频信号。

1组1542nm-1549nm及2组1548nm-1555nm带宽的扫描范围在HCN气体吸收池7中分别产生9个吸收峰，查阅吸收峰波长表(图3)，得其中存在两个吸收峰所对应的波长是相同的，即1548.19057nm与1548.95555nm两个峰值在1组与2组中均有出现。分别提取两组校准信号的吸收峰波长在拍频信号中的相位。

将吸收峰波长值转化为频率，得到对应的吸收峰频率与相位图(图4)。如图4所示，存在两个频率点(1548.19057nm与1548.95555nm对应频率点)对应两个不同相位值，分别来自与1组与2组信号。以1组在1548.19057nm处相位为基准(如图4标示)，保持2组各吸收峰波长处相对相位间隔不变，向上平移，直至2组在1548.19057nm处相位与1组基准点相位相等，删除2组1548.19057nm与1548.95555nm处相位值，实现相位拼接。拼接后频率-相位图及拟合直线如图5所示。对拟合直线求斜率a，在求解时间延迟τ，进而得到光纤长度为1.6417m。

在拼接过程中，相位基准可以是两组中1548.19057nm和1548.95555nm处任何一个，删除的相位可以是两组中任何一个，对实验结果没有影响。本发明要求两组信号至少存在一个相同波长吸收峰值，且不限相同波长吸收峰数量。本发明不限于仅两组信号进行拼接。

综上，本发明方法标定得到的光纤长度可溯源到NIST标准，且每次扫描带宽窄，采集数据量少，缩短采集和数据处理时间。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，所采用的光纤标定光路系统包括由HCN气体吸收池(7)组成的校准光路(A)和包含待标定光纤(4)的马赫曾德干涉光路(B)，所述光纤标定光路系统的光源采用可调谐激光器(1)，所述可调谐激光器(1)出射的可调谐激光通过第一分束器(2)分别进入所述校准光路(A)和所述马赫曾德干涉光路(B)，在所述校准光路(A)中产生携带特定波长吸收峰的校准信号，在所述马赫曾德干涉光路(B)中产生夹带待测光纤长度信息的拍频信号，通过数据采集系统(9)采集所述校准信号和所述拍频信号；其特征在于，光纤标定方法包括以下步骤：

步骤1，所述可调谐激光器(1)出射多组带宽的可调谐激光，通过所述数据采集系统(9)获得所述校准信号和所述拍频信号，对所述校准信号和所述拍频信号进行处理得到频率-相位对应的待拼接信号，同时，获取每组带宽下所述校准信号的吸收峰波长及所述校准信号的吸收峰波长在所述拍频信号中所对应的相位；

进行拟合，得到吸收峰光频-相位一次函数，对所述吸收峰光频-相位一次函数求导，解算待标定光纤(4)的长度，包括：

拟合得到的吸收峰光频-相位一次函数为：

对公式(1)关于吸收峰频率f求导，得到斜率a，斜率a与待标定光纤(4)的时间延迟τ之间的关系为：

τ＝a/(2π) (2)

通过公式(3)得到待标定光纤(4)的长度l：

l＝τc/n (3)

式中，n为待标定光纤(4)的折射率，c为光在真空中速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于气体吸收池进行信号拼接的光纤标定方法，其特征在于，步骤1中，所述可调谐激光器(1)所出射的多组带宽的可调谐激光中，每次出射的所述可调谐激光与前一次出射的所述可调谐激光至少存在一个重合的吸收峰波长。