采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统及方法

摘要

本发明提供了一种采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅解调方法，解调系统包括泵浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、光阑、狭缝、准直镜、分光光栅、成像镜和线阵探测器、压电执行元件及电压控制系统，其中分光光栅沿逆时针或顺时针旋转微小角度的方法如下：a)压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；b)记录最低端光谱数据为初始光谱；c)小步距调节压电执行元件，计算当前光谱与初始光谱；d)首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压；e)将初调电压与终调电压间等分为若干等级，每次解调均对各等级进行测量，以获得更高的空间分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种采用微动光栅提高光谱分辨率 的光纤光栅解调系统。

背景技术

光纤光栅是一种新型无源传感元件，具有高灵敏度，抗电磁干扰能力强， 耐腐蚀等诸多优点，自用于传感以来，已经取得了快速持续的发展，在航空 航天、建筑结构、石油等领域的安全监测方面有着广阔的应用前景。光纤光 栅解调系统是整个传感系统的关键部分，实现高精度、高分辨率、动态和静 态参量结合、多点复用检测和低成本是光纤光栅解调技术发展的趋势。光纤 解调的方法有多种，调谐F-P滤波法只能用于测量静态应变，可调谐激光器 法的成本非常高，非平衡M-Z干涉法易受环境影响，不利于工程应用。随着 近年来光学探测器的迅猛发展，使得小型化光纤光谱仪快速发展，基于光谱 成像法的光纤解调技术也随之发展起来。基于光谱成像法的光纤光栅解调仪 体积小，集成化程度高，可用于测量静态和动态应变，在众多解调方法中具 有突出优点，是解调系统研究的一个重要方向，其中，解调仪的光学系统性 能直接影响了系统的分辨率，是解调仪的一个关键。

光栅光谱仪的光学系统结构种类较多，目前应用比较普遍的是 Czerny-Turner光路结构，即以两面凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，以 平面反射光栅作为色散元件。这一方面是因为平面光栅设计难度低,复制成 本低廉，衍射效率高；另一方面是由于Czerny-Turner结构可调节和布置的 结构参数较多，可以避免二次或多次衍射，便于采用光电阵列探测器接收光 谱。常见的小型Czerny-Turner光谱仪主要分为交叉型和M型2种结构。M 型是Czerny-Turner光谱仪的经典结构，代表产品是荷兰Avantes公司研制 的Avaspec系列小型光纤光谱仪；交叉型则是由其演变而来，其结构更紧凑， 空间利用率高。然而，由于线阵列图像传感器像素数目有限，光谱空间分辨 率受到限制。

因此，能否在线阵传感器像素有限的情况下实现高分辨率光栅波长精确 解调，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用微动光栅提高光谱分辨率的光纤光栅 解调方法，采用微动光栅提高光谱分辨率的解调系统包括泵浦源、波分复用 器、布拉格光纤光栅、光阑、狭缝、准直镜、分光光栅、成像镜和线阵探测 器、压电执行元件及电压控制系统，其中所述泵浦源、波分复用器和布拉格 光纤光栅依次连接，所述波分复用器同时连接光阑，所述泵浦源发出的光通 过波分复用器的耦合后进入布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的反射谱 作为注入光进入光纤光栅解调系统，注入光通过狭缝后，依次通过准直镜、 分光光栅、成像镜的反射，最终汇聚到线阵探测器上，其中所述分光光栅沿 逆时针或顺时针旋转微小角度；其中所述旋转微小角度的方法如下：a)压 电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；b)记录最低端光谱数据为初 始光谱；c)小步距调节压电执行元件，计算当前光谱与初始光谱，所述压电 执行元件为位置伺服，通过输入位置指令来控制分光光栅旋转微小角度，对 入射光的空间位置进行调节，最终确定光谱成像位置；d)首次相关度峰值 时的调节电压记录为终调电压；e)将初调电压与终调电压间等分为若干等级， 每次解调均对各等级进行测量，以获得更高的空间分辨率。

优选地，所述子步骤b)的具体处理过程如下：

当有256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{I0，I1， I2，……..I255}，当像素沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{I0’，I1’， I2’，……..I255’}，将此数列前去前者，得到：{I0’-I0，I1’-I1， I2’-I2，……I255’-I255，}，即{G1-G0,G2-G1,G3-G2,……}；其中G0表示 第0位置的光强真值,G1表示1位置的光强值；对此数列进行求和，得到 {G1-G0,G2-G0,G3-G0,……G255-G0}，这样得到的是第一次微调后的新 值，然后是第二次微调后的新值，如果微调了N次，就得到N次的插值。

优选地，所述微小角度为10°-30°。

优选地，所述分光光栅通过压电执行元件来高速调整。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释， 并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施 方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系 统的结构示意图；

图2示出了采用狭缝平移提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解 调系统的结构示意图；

图3示出了准直镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系 统的结构示意图；

图4示意性示出采用根据本发明的采用微动光栅提高探测器阵列光谱分 辨率的光纤光栅解调系统的结构示意图；

图5示意性示出采用成像镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光 栅解调系统的结构示意图；

图6示意性示出采用线阵探测器微调提高探测器阵列光谱分辨率的光 纤光栅解调系统的结构示意图；

图7示意性示出提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结 构示意图；

图8示意性示出根据本发明的采用微动光栅提高线阵图像传感器光谱分 辨率的光纤光栅解调系统的反馈控制方法的流程图；

图9(a)示出了一个光强在空间呈一维高斯曲线分布图；

图9(b)示出了不调节狭缝时扫描后的多次测量结果插值后的结果图；

图9(c)示出了调节狭缝时扫描后的多次测量结果插值后的结果图。

具体实施方式

图1为根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤光栅解调系 统的结构示意图；本发明提供的一种采用微动光栅提高线阵图像传感器光谱 分辨率的光纤光栅解调系统100如图1所示，所述光纤光栅解调系统100包 括泵浦源(LD)101、波分复用器(WDM)102、布拉格光纤光栅(FBG) 103、光阑104、狭缝105、分光光栅106、准直镜107、成像镜108和线阵 探测器(CCD)109。泵浦源101、波分复用器102和布拉格光纤光栅103 依次连接，波分复用器102同时连接光阑104。泵浦源101发出的光通过波 分复用器102的耦合后进入布拉格光纤光栅103，布拉格光纤光栅103的反 射谱作为注入光进入光纤光栅解调系统。注入光通过狭缝105后，依次通过 准直镜106、分光光栅107、成像镜108的反射，最终汇聚到线阵探测器(CCD) 109上。

首先，将泵浦源101、波分复用器102、布拉格光纤光栅103以图1所 示方式熔接，其中布拉格光纤光栅103应具有较高的反射率以及较窄的线宽。 根据本发明的实施方式的波分复用器(WDM)102、布拉格光纤光栅(FBG) 103的参数选择均需要同泵浦波长、激光出射波长参数匹配，具体的参数如 表1所示。

表1根据本发明的解调系统的反射谱光源参数

实施方式中若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质，泵浦源LD 尾纤、波分复用器WDM需选取同样型号芯径。泵浦源LD输出波长976nm， 波分复用器WDM工作波长976/1550nm，布拉格光纤光栅FBG选取范围为 1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125 μm掺镱光纤作为增益介质，泵浦源LD尾纤、波分复用器WDM需选取同 样型号芯径。泵浦源LD为915nm单模输出，波分复用器WDM工作波长 915/1064nm，布拉格光纤光栅FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得 激光输出。

布拉格光纤光栅103的反射光作为入射光a经过光阑104照射到准直镜 106维持光束的准直性，然后准直光照射到分光光栅107上进行衍射分光， 之后经过成像镜108，汇聚在线阵探测器109。

分光光栅107可由公式(1)表示

nλ＝d(sinα±sinβ)(1)

其中n为光谱级，n＝0,±1,±2….；α为入射角；β为反射角；θ为闪耀 角；d为光栅常数。

n＝0为零级光谱，此时，β与λ无关，即无分光作用；n＝±1，±2对应为 一级光谱和二级光谱，其中一级光谱能量强，可用于实现分光。光栅分辨率 与波长无关，分离后的光谱属于均排光谱，光栅的理论分辨率为光栅刻线数 与光谱级次的乘积，可有公式(2)表示

R＝nN(2)

对于宽度为50mm，刻线数为1200条/mm的光栅，其一级光谱的分辨 率为6×104。

将布拉格光纤光栅103反射光作为注入光源，这样减小了入射光的谱宽， 在光栅分辨率确定的条件下能够获得更间隔更加精细的干涉条纹。此时对狭 缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器进行调节，通过输入位 置指令来控制狭缝微移动或控制分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器的 微转动，对入射光的空间位置进行调节，则入射到成像透镜的光路发生变化， 汇聚到线阵探测器上的条纹也发生相应的变化，最终确定光谱成像位置。

具体地，由以下实施例进行详细描述。

实施例1

图2示意性示出了采用狭缝平移提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤 光栅解调系统的结构示意图。如图2所示，对狭缝105进行调节，使狭缝沿 图示箭头b方向移动，狭缝移动步长为0.1微米，调节范围在0-1厘米之间。 狭缝105通过压电执行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制系统来 控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内进行移 动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵探测器109 上的条纹也发生相应的变化。通过调节光纤入射狭缝的宽度，能够实现条纹 的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。

实施例2

图3示意性示出采用准直镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光 栅解调系统的结构示意图。如图3所示，对准直镜106进行调节，使准直镜 沿图示箭头c方向旋转，旋转角度为逆时针或顺时针旋转10°-30°。准直 镜106通过压电执行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制系统来控 制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内进行移 动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵探测器109 上的条纹也发生相应的变化。通过调节准直镜的旋转角度，能够实现条纹的 微小移动，从而达到提高测试精度的作用。

实施例3

图4示意性示出采用微动光栅提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅 解调系统的结构示意图。如图4所示，对分光光栅107进行调节，使分光光 栅沿图示箭头d方向旋转，旋转角度为逆时针或顺时针旋转10°-30°。分 光光栅107通过压电执行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制系统 来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内进行 移动。这样，入射到成像镜108的光路就会发生变化，汇聚到线阵探测器109 上的条纹也发生相应的变化。通过调节分光光栅的旋转角度，能够实现条纹 的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。

实施例4

图5示意性示出采用成像镜微调提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光 栅解调系统的结构示意图。如图5所示，对成像镜108进行调节，使分光光 栅沿图示箭头e方向旋转，旋转角度为逆时针或顺时针旋转10°-30°。成 像镜108通过压电执行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制系统来 控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内进行移 动，汇聚到线阵探测器109上的条纹也发生相应的变化。通过调节成像镜的 旋转角度，能够实现条纹的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。

实施例5

图6示意性示出采用线阵探测器微调提高探测器阵列光谱分辨率的光 纤光栅解调系统的结构示意图。如图5所示，对线阵探测器109进行调节， 使分光光栅沿图示箭头f方向左右移动。狭缝移动步长为0.1微米，调节范 围在0-1厘米之间。线阵探测器109通过压电执行元件来高速调整。压电执 行元件通过电压控制系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在 最小像素间隔范围内进行移动。通过调节线阵探测器的旋转角度，能够实 现条纹的微小移动，从而达到提高测试精度的作用。

实施例6

图7示意性示出提高探测器阵列光谱分辨率的光纤光栅解调系统的结 构示意图。如图7所示，对狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵 探测器中的至少两个进行微调，所述狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像 镜和线阵探测器通过压电执行元件来高速调整。压电执行元件通过电压控制 系统来控制，使光谱成像于线阵图像传感器的位置在最小像素间隔范围内 进行移动。通过调节狭缝、光阑、分光光栅、准直镜、成像镜和线阵探测器 的旋转角度，从而达到提高测试精度的作用。

图8示意性示出根据本发明的提高线阵图像传感器光谱分辨率的光纤 光栅解调系统的反馈控制方法的流程图。具体控制方法如下：

首先，步骤801，压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；

步骤802，记录最低端光谱数据为初始光谱；

步骤803，小步距调节压电元件，压电元件为位置伺服，通过输入位置 指令，分别调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器，计算当前 光谱与初始光谱。调节高斯图像在CCD上的移动距离到达一个像素宽度时， 即完成一次扫描，把一次扫描的各次测量数据分别插值，形成一个更为平滑 的曲线。其处理过程是这样的，像素的输出是对光强曲线的分段积分，当有 256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{I0，I1，I2，……..I255}， 当像素沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{I0’，I1’，I2’，……..I255’}， 将此数列前去前者，得到：{I0’-I0，I1’-I1，I2’-I2，……I255’-I255，}，即 {G1-G0,G2-G1,G3-G2,……}。其中G0表示第0位置的光强真值(注意是 0位置，而非在像素尺度内的光强积分),G1表示1位置的光强值。对此数 列进行求和，得到{G1-G0,G2-G0,G3-G0,……G255-G0}，这样得到的是第 一次微调后的新值，然后是第二次微调后的新值，如果微调了N次，就得到 N次的插值。

步骤804，首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压；

步骤805，将初调电压与终调电压间等分为若干等级，根据各个等级来 确定狭缝的移动距离或分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器的旋转角度。

步骤806，返回步骤203，每次解调均对各等级进行测量，以获得更高 的空间分辨率。

图9(a)-9(c)示出了本发明调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵 探测器提高光谱空间分辨率的原理。图9(a)示出了光强在空间呈一维高斯曲 线分布图。一个光强在空间呈一维高斯曲线分布的光束照射到一个CCD传感 器上，CCD的各像素紧密排列，每个像素相当于一个竖格，如图9(a)所 示，像素的输出实际是对落在一个像素上的光强总量的积分。由于离散化过 大，导致对图像分辨率较低，为提高曲线的采样点数，通过调节狭缝、分光 光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器，来改变高斯曲线在CCD传感器上的位 置，相当于移动CCD传感器对曲线的不同位置进行采集。狭缝、分光光栅、 准直镜、成像镜或线阵探测器的微调，相当于对传感器的位置微调，这样就 得到对曲线更加细腻的刻画。图9(b)为不调节狭缝、分光光栅、准直镜、成 像镜或线阵探测器时扫描后的多次测量结果插值后的结果图。图9(c)为调节 狭缝、分光光栅、准直镜、成像镜或线阵探测器时扫描后的多次测量结果插 值后的结果图。由图9(b)和9(c)可知，调节狭缝、分光光栅、准直镜、成像 镜或线阵探测器，调节高斯图像在CCD上的移动距离到达一个像素宽度时， 即完成一次扫描，把一次扫描的各次测量数据分别插值，形成一个更为平滑 的曲线。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领 域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的， 本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。