本發(fā)明涉及光纖光柵傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光纖光柵波長解調(diào)技術(shù)是傳感系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)之一，它可以將感測的信息進(jìn)行波長編碼，且不必對連接器的損耗，光功率的起伏進(jìn)行補(bǔ)償，得到了廣泛的應(yīng)用。

目前比較典型的主要有以下幾種解調(diào)方式：光譜儀檢測法，匹配光柵檢測法，可調(diào)諧濾波檢測法，可調(diào)諧光源檢測法,CCD分光法，非平衡M-Z干涉儀檢測法等。其中光譜儀、干涉儀等方法，儀器中的精密光學(xué)器件較多，無法承受微小的振動(dòng)，因此大多用于實(shí)驗(yàn)室中。而可調(diào)諧濾波和可調(diào)諧光源法，由于使用的是電控調(diào)諧，因此在戶外和工程上應(yīng)用非常廣泛，例如火災(zāi)報(bào)警、周界入侵報(bào)警、橋梁應(yīng)力監(jiān)測等。目前可調(diào)諧式波長解調(diào)儀大多用于對物質(zhì)的定性分析，例如是否產(chǎn)生火災(zāi)，是否產(chǎn)生入侵等；而在對精度要求更高的定量分析領(lǐng)域，例如化學(xué)反應(yīng)中溫度建模，不同物種的入侵建模等還基本無法得到應(yīng)用，限制可調(diào)諧式波長解調(diào)儀發(fā)展的瓶頸就在于其測量精度較低，且波長重復(fù)性較差，特別是環(huán)境溫度的變化會(huì)造成解調(diào)結(jié)果的大相徑庭，低溫時(shí)解調(diào)波長偏小，高溫時(shí)解調(diào)波長偏大，如圖1所示。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提高可調(diào)諧式波長解調(diào)儀的解調(diào)精度，促進(jìn)其更加快速的發(fā)展。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出了一種光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法，以性質(zhì)非常穩(wěn)定的晶體型梳狀濾波器為參考，對解調(diào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可消除絕大部分環(huán)境因素造成的影響，使解調(diào)結(jié)果維持在一個(gè)十分穩(wěn)定的狀態(tài)。

本發(fā)明為達(dá)上述目的所采用的技術(shù)方案是：

提供一種調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法，包括以下步驟：

對光源進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后，得到波長—時(shí)間呈線性的掃頻光；

掃頻光通過晶體型梳狀濾波器和待測光柵，得到梳狀光譜和待測光譜；

通過光譜儀精確測得梳狀光譜的波長值，記為λ₀…λ_n；另外根據(jù)光譜儀的采樣率得到相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的梳狀光譜光功率值,記為P₀…P_m，將梳狀光譜的波長和梳狀光功率值均保存，以作為修正的參考；

梳狀光譜和待測光譜通過光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，采集該電信號，并將采集得到的?shí)時(shí)梳狀光譜功率記為Φ₀…Φ_m；采集到的待測光柵光譜功率記為Δ₀…Δ_m；

計(jì)算得到實(shí)時(shí)梳狀光譜功率Φ₀…Φ_m和梳狀光譜光功率值P₀…P_m所有峰值的采樣坐標(biāo)，記為對得到的所有峰值的采樣坐標(biāo)，逐峰作插值計(jì)算，得到梳狀光譜實(shí)時(shí)波長值記為ξ₀…ξ_n；

根據(jù)λ₀…λ_n和ξ₀…ξ_n得到一組修正數(shù)組μ₀…μ_n，該修正數(shù)組由兩部分組成：拉伸比和偏移量；其中拉伸比為兩波長之間的距離之比，偏移量為波長的整體偏移；

計(jì)算得到待測光柵光譜功率Δ₀…Δ_m所有峰值的采樣坐標(biāo)，記為與梳狀光譜光功率值的采樣坐標(biāo)插值計(jì)算出待測光柵的實(shí)時(shí)波長值，記為δ₀...δ_n；

使用修正數(shù)組μ₀…μ_n對待測光柵的實(shí)時(shí)波長值δ₀...δ_n進(jìn)行修正，獲得待測光柵的真實(shí)波長值δ₀'...δ'_n。

本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)修正方法中，梳狀光譜實(shí)時(shí)波長值ξ_n滿足下式：

本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)修正方法中，拉伸比ε_n，滿足下式：

拉伸比主要反映了當(dāng)前環(huán)境下兩相鄰波長的線性失真；

偏移量ν_n，滿足下式：

ν_n＝ξ_n-λ_n (3)

偏移量主要反映了當(dāng)前環(huán)境下波長的平移失真。

本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)修正方法中，待測光柵的實(shí)時(shí)波長值δ_n滿足下式：

本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)修正方法中，待測光柵的真實(shí)波長值δ₀'...δ'_n，δ'_n滿足下式：

本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)修正方法中，具體通過質(zhì)心尋峰算法計(jì)算得到實(shí)時(shí)梳狀光譜功率Φ₀…Φ_m和梳狀光譜光功率值P₀…P_m所有峰值的采樣坐標(biāo)

本發(fā)明還提供了一種調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀，包括光源、調(diào)諧模塊、晶體型梳狀濾波器和待測光柵、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理及修正模塊；

調(diào)諧模塊，與光源連接，對光源發(fā)出的光進(jìn)行調(diào)制，得到波長─時(shí)間呈線性的掃頻光。

晶體型梳狀濾波器和待測光柵，與調(diào)諧模塊連接，掃頻光通過晶體型梳狀濾波器和待測光柵，得到梳狀光譜和待測光譜；

光電轉(zhuǎn)換模塊，用于將晶體型梳狀濾波器和待測光柵輸出的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?/p>

數(shù)據(jù)采集模塊，與光電轉(zhuǎn)換模塊連接，用于采集該電信號，采集得到實(shí)時(shí)梳狀光譜功率Φ₀…Φ_m；待測光柵光譜功率Δ₀…Δ_m；

數(shù)據(jù)處理及修正模塊，用于根據(jù)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)時(shí)梳狀光譜功率Φ₀…Φ_m和梳狀光譜光功率值P₀…P_m所有峰值的采樣坐標(biāo)，記為對得到的所有峰值的采樣坐標(biāo)，逐峰作插值計(jì)算，得到梳狀光譜實(shí)時(shí)波長值記為ξ₀…ξ_n；并根據(jù)λ₀…λ_n和ξ₀…ξ_n得到一組修正數(shù)組μ₀…μ_n，該修正數(shù)組由兩部分組成：拉伸比和偏移量；其中拉伸比為兩波長之間的距離之比，偏移量為波長的整體偏移；其中λ₀…λ_n為預(yù)先存儲(chǔ)的、光譜儀精確測得的梳狀光譜的波長值；P₀…P_m為預(yù)先存儲(chǔ)的、根據(jù)光譜儀的采樣率得到的相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的梳狀光譜光功率值；

該數(shù)據(jù)處理及修正模塊還用于計(jì)算待測光柵光譜功率Δ₀…Δ_m所有峰值的采樣坐標(biāo)，記為與梳狀光譜光功率值的采樣坐標(biāo)插值計(jì)算出待測光柵的實(shí)時(shí)波長值，記為δ₀...δ_n；

該數(shù)據(jù)處理及修正模塊還用于使用修正數(shù)組μ₀…μ_n對待測光柵的實(shí)時(shí)波長值δ₀...δ_n進(jìn)行修正，獲得待測光柵的真實(shí)波長值δ₀'...δ'_n。

本發(fā)明所述的解調(diào)儀中，該數(shù)據(jù)處理及修正模塊具體用于將采集得到的待測光譜功率和梳狀光譜功率與存儲(chǔ)的待測光譜功率和梳狀光譜功率進(jìn)行質(zhì)心尋峰算法得到所有峰值的采樣坐標(biāo)，對比采樣坐標(biāo)并進(jìn)行插值計(jì)算獲得實(shí)時(shí)的待測波長值和梳狀光譜波長值，計(jì)算得到修正數(shù)組。

本發(fā)明所述的解調(diào)儀中，光源為半導(dǎo)體環(huán)形腔激光器SOA，光譜帶寬大于50nm，其輸出光譜范圍不應(yīng)超過調(diào)諧模塊的波長調(diào)諧范圍。

本發(fā)明所述的解調(diào)儀中，數(shù)據(jù)采集模塊包括A/D采樣芯片和FPGA控制芯片。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法，以性質(zhì)非常穩(wěn)定的晶體型梳狀濾波器為參考，對解調(diào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，可消除絕大部分環(huán)境因素造成的影響，包括環(huán)境溫度、濕度、遲滯等影響，提高解調(diào)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，使解調(diào)結(jié)果維持在一個(gè)十分穩(wěn)定的狀態(tài)。本發(fā)明無需增加任何額外器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。且本發(fā)明可成功將光纖光柵解調(diào)儀引入定量分析領(lǐng)域。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是環(huán)境溫度對波長解調(diào)結(jié)果的影響曲線圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明利用修正方法得到的光譜修正示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明針對傳統(tǒng)調(diào)諧式波長解調(diào)儀精度較低，解調(diào)結(jié)果受溫度等環(huán)境因素影響較大的現(xiàn)狀，提出了一種調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法，以性質(zhì)非常穩(wěn)定的晶體型梳狀濾波器為參考，對解調(diào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，消除了環(huán)境因素的影響，提高了儀器的解調(diào)精度和穩(wěn)定性。

如圖2所示，調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀包括光源、調(diào)諧模塊、晶體型梳狀濾波器和待測光柵、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)處理及修正模塊；光源1通過調(diào)諧模塊2后被調(diào)制成波長─時(shí)間呈線性的掃頻光，再經(jīng)過晶體型梳狀濾波器和待測光柵3后，得到梳狀光譜和待測光譜，其中晶體型梳狀濾波器的梳狀光譜波長值可以通過光譜儀精確測得，另外還可以根據(jù)光譜儀的采樣率得到梳狀光譜相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的光功率值，將波長和光功率值均存入系統(tǒng)內(nèi)存中作為修正的參考。之后梳狀光譜和待測光譜通過光電轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后被?shù)據(jù)采集模塊5采集，最后送到數(shù)據(jù)處理模塊6進(jìn)行解調(diào)和修正。其中：

光源1為整個(gè)系統(tǒng)提供原始光信號，光譜帶寬一般大于50nm，其輸出光譜范圍不應(yīng)超過調(diào)諧模塊2的波長調(diào)諧范圍；

調(diào)諧模塊2為系統(tǒng)提供波長─時(shí)間呈線性的掃頻光信號。

晶體型梳狀濾波器和待測光柵3：其中晶體型梳狀濾波器由兩片溫度系數(shù)相反的晶體組成，實(shí)現(xiàn)溫度的互補(bǔ)償，因此其表現(xiàn)出的特性基本與溫度無關(guān)，寬譜光進(jìn)入后與梳狀峰波長重合的光可以通過，其他波長的光則被吸收。該器件用于產(chǎn)生波長固定、間隔基本一致的多個(gè)透射峰，這些透射峰的波長值可以通過光譜儀精確測量，測量所得的波長和功率數(shù)據(jù)被存入儀表內(nèi)作為修正參考；待測光柵會(huì)反射攜帶傳感信息的波長光譜，其波長不能超過光源1的光譜覆蓋范圍。

光電轉(zhuǎn)換模塊4將晶體型梳狀濾波器和待測光柵3輸出的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

數(shù)據(jù)采集模塊5中包含一個(gè)A/D采樣芯片和一個(gè)FPGA控制芯片，A/D芯片將光電轉(zhuǎn)換模塊4輸出的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后得到與采樣率點(diǎn)數(shù)一致的光功率數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與修正模塊6將系統(tǒng)內(nèi)存中梳狀光譜光功率數(shù)據(jù)與A/D轉(zhuǎn)換后得到的梳狀光譜光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一對比和插值計(jì)算，根據(jù)內(nèi)存中梳狀光譜的波長值可計(jì)算得出A/D轉(zhuǎn)換后梳狀光譜的波長值。假設(shè)所有的環(huán)境因素均一致，則計(jì)算出的梳狀光譜波長值與系統(tǒng)內(nèi)存中的應(yīng)保持一致，但溫度、濕度、遲滯等因素的影響，必然導(dǎo)致計(jì)算出的梳狀光譜波長與系統(tǒng)內(nèi)存中的存在差異，根據(jù)該差異可獲得一組修正數(shù)組，利用該修正數(shù)組對待測光柵的解調(diào)結(jié)果進(jìn)行修正，即可消除各因素影響，獲得絕對準(zhǔn)確的結(jié)果。

上述調(diào)諧式光纖光柵波長解調(diào)儀的實(shí)時(shí)修正方法如圖3所示。光源1通過調(diào)諧模塊2后被調(diào)制成波長─時(shí)間呈線性的掃頻光，再經(jīng)過晶體型梳狀濾波器和待測光柵3后，得到梳狀光譜和待測光譜，其中晶體型梳狀濾波器的梳狀光譜波長值可以通過光譜儀精確測得；另外還可以根據(jù)光譜儀的采樣率得到梳狀光譜相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的光功率值，將波長和光功率值均存入系統(tǒng)內(nèi)存中作為修正的參考。之后梳狀光譜和待測光譜通過光電轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后被?shù)據(jù)采集模塊5采集，將采集得到的待測光譜功率和梳狀光譜功率與存儲(chǔ)的待測光譜功率和梳狀光譜功率進(jìn)行質(zhì)心尋峰算法得到所有峰值的采樣坐標(biāo)，對比采樣坐標(biāo)并進(jìn)行插值計(jì)算可獲得實(shí)時(shí)的待測波長值和梳狀光譜波長值，計(jì)算得到修正數(shù)組，最后用修正數(shù)組對實(shí)時(shí)的待測波長值進(jìn)行修正即可獲得真實(shí)的待測波長值。其中，最優(yōu)方法為質(zhì)心尋峰算法，還可以選用前沿尋峰算法和后沿尋峰算法得到所有峰值的采樣坐標(biāo)。

本實(shí)施例中可選用半導(dǎo)體環(huán)形腔激光器SOA作為光源1；調(diào)諧模塊2為FFP濾波器；光電采集模塊4中光電轉(zhuǎn)換電路由同軸探測器、對數(shù)放大器構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集模塊5由高速A/D采集芯片和FPGA芯片構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理及修正模塊6可采用ARM9處理器實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中，光源1通過調(diào)諧模塊2后被調(diào)制成波長─時(shí)間呈線性的掃頻光，再經(jīng)過晶體型梳狀濾波器和待測光柵3后，得到梳狀光譜和待測光譜，其中晶體型梳狀濾波器的梳狀光譜波長值可以通過光譜儀精確測得，記為λ₀…λ_n；另外還可以根據(jù)光譜儀的采樣率得到相應(yīng)點(diǎn)數(shù)梳狀光譜的光功率值,記為P₀…P_m，將波長和光功率值均存入系統(tǒng)內(nèi)存中作為后面修正的參考。之后梳狀光譜和待測光譜通過光電轉(zhuǎn)換模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后被?shù)據(jù)采集模塊5采集，采集后送入數(shù)據(jù)處理及修正模塊6進(jìn)行處理：采集得到的梳狀光譜功率記為Φ₀…Φ_m，將Φ₀…Φ_m和P₀…P進(jìn)行質(zhì)心尋峰算法得到所有峰值的采樣坐標(biāo)(采樣序列中的位置)，記為用和逐峰作插值計(jì)可計(jì)算出采集得到的梳狀光譜實(shí)時(shí)波長值(如圖4)，記為ξ₀…ξ_n。其中n為整數(shù)。

ξ_n應(yīng)滿足下式：

根據(jù)λ₀…λ_n和ξ₀…ξ_n可得到一組修正數(shù)組μ₀…μ_n，該數(shù)組由兩部分組成：拉伸比和偏移量。其中拉伸比指的是兩波長之間距離之比，例如λ_n、λ_n+1、ξ_n、ξ_n+1的拉伸比，記為ε_n，應(yīng)滿足下式：

該變量主要反映了當(dāng)前環(huán)境下兩相鄰波長的線性失真(雖然在整個(gè)波段光譜的失真為非線性失真，但在兩個(gè)梳狀峰之間，一般為2nm，可以認(rèn)為其失真是線性的)；

偏移量指的是波長的整體偏移，例如λ_n、λ_n+1、ξ_n、ξ_n+1的偏移量記為ν_n，應(yīng)滿足下式：

ν_n＝ξ_n-λ_n (3)

該變量主要反映了當(dāng)前環(huán)境下該波長的平移失真。

然后根據(jù)采集到的待測光柵光譜功率，記為Δ₀…Δ_m，將Δ₀…Δ_m進(jìn)行質(zhì)心尋峰算法獲得待測光柵波峰的采樣坐標(biāo)，記為與插值可計(jì)算出待測光柵的實(shí)時(shí)波長值，記為δ₀...δ_n。

δ_n應(yīng)滿足下式：

最后使用修正數(shù)組μ₀…μ_n對δ₀...δ_n進(jìn)行修正即可獲得待測光柵的真實(shí)波長值δ₀'...δ'_n。δ'_n應(yīng)滿足下式：

為證明該修正方法的正確性，在25℃和50℃環(huán)境溫度下分別使用光纖光柵解調(diào)儀表對一組標(biāo)準(zhǔn)光柵進(jìn)行了測量，修正前后的測量結(jié)果如下表所示。

由上表測量結(jié)果可知，該修正方法效果較好，無論在常溫還是高溫環(huán)境下，均可將測量精度控制在±5pm以內(nèi)，滿足定量分析的需求。

以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。