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中国核心期刊 一种微型光纤光谱仪的设计与标定方法 中国电子科技集团公司第三十四研究所, 广西桂林 541004; 桂林聚联科技有限公司, 广西桂林 541004) 摘要: 设计了一种微型光纤光谱仪，以光纤布拉格光栅为参考信号，采用FP滤波器进行波长分析。 研究了确定分段FP滤波器非线性度和参考信号波长值的方法。 将参考信号的峰值功率降低6dB，选取波形峰值两侧的特征点，确定其波长值。 该方法具有良好的波长稳定性，可以使微型光谱仪程序中使用的参考信号的波长值与外部精确测量值比较接近。 一致性好。 关键词：FP滤波器； 光纤光谱仪； 校准方法； 光纤布拉格光栅； 中心波长 类号：TN248 文献编码：A 文章编号：1002-5561 (2014) 09-0021-04 DOI: 10.13921/j.cnki .issn1002-5561.2014.09.007设计校准方法微纤维光谱仪CHENYi-wen,ZHANGChao,YOFei34thResearchinstituteGuILxi0CETC,4Guil1xi0CETC,4Guilingxi4CETC -LINKTECHNOLOGYCO.,LTD,GuilinGuangxi541004,China)Abstract:UsingfiberBragggratingreferencesignalF-Pfilterwavelengthresolution,microfiberspectrometerscalibrationmethodF-Pfilternonlinearcharacteristicwavelengthdeter-minationreferencesignalhavebeenstudied.pointedoutreferencesignalpowerdrops6dBpeakselectfeaturepointsbothsidesdetermineitspeakwavelengthvalue,bet-terwavelengthstability.makesreferencesignalwavelengthvaluesusedmicrofiberspectrometerexactvalueexternalmeasuredmaintaingoodconsistency.Keywords :F-Pfilter;fiberspectrometers;calibrationmethod;fiberBragggrating;centerwavelength Introduction A spectrometer is an important optical能区分光信号中不同波长信号的仪器。 广泛应用于检测等领域。

根据光谱分析方法的不同，光谱原理分为物质色散、多缝衍射和多光束干涉。 基于多光束干涉原理的微型光纤光谱仪采用可调谐FP滤波器作为光谱分析装置。 该光谱仪体积小、测试速度快、成本低、易于模块化生产等优点是由于FP滤光片在整个自由光谱范围内的“扫描电压-输出波长”关系只是近似线性关系，如果a一组光纤布拉格光栅（FBG）反射信号用作参考信号，一方面可用于校准FP接收日期：2014-08-06。 基金项目：中国电子科技集团公司第三十四研究所创新基金资助（S1311001）。 作者简介：陈一文（1977-）硕士，工程师，主要研究方向为光检测和光纤传感。 另一方面，它的固定波长值也可以作为波长测量的参考信号。 参考信号的FBG波长值需要通过外部仪器精确测量后才能被微光谱仪的算法使用。 本文以参考信号峰值功率下降6dB处的波形中点作为FBG的波长值，在微型光谱仪上形成算法，便于在微型光谱仪上进行对比测量操作。台式光谱仪，从而实现参考信号波长值的校准。 基于FP滤波器的微型光纤光谱仪设计 FP滤波器的基本工作原理是在三角波扫描电压的驱动下，滤波器内部压电陶瓷的位置随驱动电压值相应移动，导致长度内腔改变。 允许设计可调谐FP滤波器作为光谱分析器件的微型光纤光谱仪具有体积小、测试速度快、成本低、易于模块化生产等优点。

但由于FP滤波器的内部腔长难以直接测量，理论上无法计算驱动电压对应的输出波长值，因此一般在FP滤波器中将已知波长值引入器件应用系统间接确定其驱动电压与输出波长的对应关系。 1.1 系统结构及工作原理 基于FP滤波器的微型光纤光谱仪结构框图如图所示。 一种光信号来自内部宽带光源发射的宽带激发光纤光栅，经反射后成为参考信号。 它通过耦合器进入 FP 滤波器进行波长分析。 输出的光信号由光电探测器转换成电信号，并由微处理器控制的ADC进行采样。 数据采集​​模块。 另一个光信号是待测的外部信号。 经光开关控制后，也通过耦合器进入FP滤波器进行波长分析，由微处理器的ADC采样模块采集为一串数字。 系统工作时，通过合理控制宽带光源激光器和光开关的开闭顺序，实现参考信号和待测信号分时依次通过FP滤波器，扫描FP过滤两次，ADC模块进行两次相应的采样，完成一次测量过程。 微型光谱仪结构FBG获得参考信号，它们的中心波长标称值分别为15225nm、15775nm、16020.5nm16070.5nm。 在FP滤波器的第一个扫描周期中，这10个参考信号的采样结果显示在FP滤波器扫描电压中，FP滤波器在每个扫描电压下对ADC采样值进行采样。

根据硬件采样电路的设计原理，可以推导出ADC采样值与光功率P(dBm)的关系： P=0.024D-90.969FP滤波器具有驱动电压与光功率近似线性关系的特点小驱动电压范围内的输出波长值，假设两个参考信号的波长分别为λ1和λ2，对应的采样点为s1和s2，则采样之间任意点si对应的波长λi(nm)点s1和s2是：只让参考信号通过FP滤波器，经ADC模块同步采样后，可以得到一组包含采样点数（对应扫描电压）和波长信息的数据，并且可以根据参考信号值的已知波长值计算每个采样点处的波长，作为横坐标的数组。 在第二个扫描周期，只有待测信号通过FP滤波器，经ADC同步采样计算后得到待测信号各采样点对应的光功率值，作为纵坐标数组。 通过这两组数据制作“波长值-光功率”分布图，即可得到待测信号的频谱图。 1.2 FP滤光片的标定原理 MicronOptics公司的FFP-TF2滤光片，其自由光谱（FSR）1520~1620nm（C&L段在整个FSR范围内计算FP滤光片扫描电压对应的输出波长值，从而实现横坐标由采样点数换算成波长值，这个波长值换算的好坏将直接影响微型光谱仪的波长分辨率精度，其决定因素主要有两个方面：是否插入参考信号的数量足够密集以最大化逼近FP滤波器的波长输出特性；参考信号FBG波长值的确定方法是否稳定可靠，确保微型光谱仪中程序算法使用的参考信号波长值保持稳定，并能与外部仪器（如台式光谱仪）准确测得的值保持良好的一致性。

参考信号波长值的测量方法 由式（2）的波长值坐标变换原理可知，光谱仪在程序计算过程中使用的参考信号波长值必须能够稳定代表相应的参考信号，其程序计算方法可以对外复现，以确保程序使用的波长值与外部台式光谱仪准确测量的波长值一致。 最简单的操作方法是找波峰，即先在台式光谱仪上测量10个参考信号的峰值光功率，记录对应的波长为λ0、λ1、……、λ10，然后搜索微型光谱仪程序算法中的参考信号采样 序列的局部最大值（即各信号的峰值光功率），则相应采样点对应的波长可以使用λ0，λ1，...， λ10。 FBG 的反射光谱是一个近似高斯分布的信号。 理论上，信号波的峰值就是它的中心波长值。 当受到外界温度和压力的影响而产生形变时，反射信号波形会整体移动，其中心波长值也会发生变化。 另外，FBG反射信号的峰值也容易受系统噪声的影响而产生波动，但此时整体波形基本没有变化。 因此，采用陈一文，张超，姚飞：一种微型光纤光谱仪的设计与校准方法，利用参考信号波长值的实测数据法求波的峰值来确定FBG波长值，将导致系统参考信号的不确定性。 采用高斯拟合和多项式拟合计算光纤光栅的中心波长会导致数据准备运算过程复杂、算法计算工作量大、在嵌入式系统上实现不便等问题。

本文将光纤光栅放置在恒温箱内，以消除环境温度变化的影响。 根据反射信号峰值功率值受系统噪声干扰后波动，整体波形基本不变的特点，在信号峰值两侧选取两个相对稳定的特征点，其综合特征点（即波形的中点）被计算为 FBG 波长，而不是中心波长。 2.1 FBG波形特征点的选取及波长的计算 对系统噪声干扰不敏感 这种方法相当于在参考信号峰降ndB(n 10 1607.504 1607.374 1607.676 1607.525 6.99～0.46dB)的交点处画一条平行线，平行线和参考信号波形为特征点C，具体过程如图所示测试信号波峰两侧的特征点C1和C2对应波2.2 FBG波长的应用微型光谱仪程序算法中的测量值首先求参考信号采样序列的局部最大值（即各信号光功率的峰值），然后减去6dBm，求特征点个数C1和C2用直线相交的方法在波峰两侧），取​​其中心位置SM： 按照上述操作方法，可以在台式光谱仪上测量各参考信号相对稳定的波长。 这里以峰值功率下降SM=S1+S2 6dB为例选取特征点，环境温度恒定在25℃，以上10个光纤光栅（FBG1，FBG2，...）的波长测量计算结果,FBG10)反射信号如表所示。

中值功率的波长值。 该点对应的波长作为参考信号的综合特征点，可以使用台式光谱仪测得的对应波长微型光纤光谱仪价钱，实现FBG反射标准从采样点数到波长的转换。 2014 FBG序号λA（nm） （nm）λM（nm） 1522.0081521.856 1522.140 1521.998 1536.9841536.848 1537.124 1536.986 1551.8961551.776 1552.044 1551.910 1566.9141566.782 1567.054 1566.918 1576.8321576.701 1576.993 1576.847 1587.2981587.168 1587.442 1587.305 1592.5141592.378 1592.664 1592.521 1597.4361597 .296 1597.596 1597.446 1602.4641602.322 1602.612 1602.467 陈一文，张超，姚飞：微型光纤光谱仪的设计与标定方法 参考信号的积分特征点为参考基点，则其他参考信号之间的距离和参考基点应该是恒定的，所以可以验证通过上述方法计算的每个参考信号的综合特征点是否稳定，验证结果如图所示。

具体实现方法是将10个FBG光栅放置在25℃的恒温箱中，消除温度变化对参考信号中心波长的影响，让微型光谱仪系统工作1分钟，然后连续扫描10个参考信号以1秒的扫描频率进行10次采样，记录10组参考信号的采样序列。 在每组采样序列中，根据公式（5）计算每个参考信号的综合特征点位置（SM1与SM1之间的距离（Δ1=SM2·M3-SM2，最大值为0.527，最小参考信号之间的距离信号和第一参考信号波动不大，比较综合特征点法和峰值法波长位置点的标准差，为了比较，我们采用求峰值的方法来确定FBG波长，同样用上述10组采样序列数据计算另一组标准差（σ1′、σ2曲线带“+”号），此时σ′的最大值为2.5298，最小值为1.2293. 可见，该方法确定的参考信号之间的位置距离波动较大，由此可见，利用参考信号波形的综合特征点确定FBG波长的方法具有较好的波长稳定性，明显优于通过信号波峰值确定FBG波长的方法。 结语本文设计了一种基于FP滤波器的微型光纤光谱，以FBG的反射信号作为波长的测量依据，对FP滤波器的输出波长进行了标定。

研究了FBG反射信号波长的精确测量方法。 将参考信号的峰值功率降低6dB，选取信号峰值两侧的特征点，取这两个特征点的中点作为参考信号的波长。 对比计算结果表明，参考信号波长具有较好的波长稳定性。 该方法操作简单，计算量小，实用性强。 参考文献：张超，等。 一种基于FP滤波器的微型光纤光谱仪：中国，20112 0312 542。 2012-06-13。一种基于光纤布拉格光栅的光纤光谱仪校准装置：中国，2011203 1253 2012-06-13。 珀罗滤波器光纤光栅解调技术研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2008. 布拉格光栅传感系统典型寻峰算法比较分析[J]. 电测与仪表, 2010 , 47(2): 1-4. 海，景文才，刘坤，等． 一种光纤布拉格光栅波长漂移的计算方法[J]． 光通信技术的发展促进技术交流，活跃学术氛围，拓宽科研思路，加强科技合作，及时发布本领域前沿信息微型光纤光谱仪价钱，努力拓宽科研人员的学术和技术视野. 自2006年一期以来，本刊每发表一篇优秀论文，本期将评选出优秀论文，获得优秀论文的作者将获得本刊一定的奖金。 衷心希望各位作者积极支持我们的工作，捐献优秀作品，与我们一起把《光通信技术》做得更好。 编辑部