CN107102173A - 一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法 - Google Patents

一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法，属于传感器标定领域。采用可调谐窄带激光器作为光源，采用迈克尔逊干涉仪进行干涉，返回的干涉信号频率与干涉仪中反射点位置成线性关系，扫频光波长扫描范围覆盖了啁啾光栅的波长范围，将不同波长区间的干涉信号进行解调，可以得到该波长区间对应的栅区位置，可得到啁啾光栅长度和波长的关系，从而得到啁啾光栅长度、啁啾率。本发明操作简单，测量准确，且为非接触测量，对光栅无损坏。

Description

一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法
技术领域
本发明属于传感器标定的技术领域，具体涉及一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法。
背景技术
爆轰波是一种带有高速化学反应区的、在***中传播的一种强冲击波，爆轰波的速度简称爆速，一般可达数千米每秒，是***重要的特性参数之一，对研究***性能、***过程中能量传递等有重要意义。
爆速的测量可以采用啁啾光栅法，啁啾光栅(CFBG)属于光纤传感器的一种。利用啁啾光栅测爆轰波速度时，爆轰波作用在啁啾光栅上，使光栅的长度减小，返回信号光强减弱，利用此现象可以测量爆轰波的连续速度。
为了求解速度，需要对啁啾光栅的长度进行标定，得到啁啾光栅的长度值。而且长度的精确与否直接影响到最后求得的速度的精度。
目前常用的啁啾光栅的标定方法有两种，第一种是切割法，取同一批光栅中的一根进行切割，通过记录每次的切割位置和返回的光强大小，来得到啁啾光栅的长度。但是这种方法存在一个致命的缺陷，那就是此标定是破坏性的，标定完后光栅也毁坏了，无法继续使用，另外，此方法是把同一批的光栅视作完全一样，但是实际上虽然是同一批光栅，个体之间仍然存在差异。第二种是热探针法，该方法采用光谱仪观察啁啾光栅的反射谱，当用热探针接触光栅栅区，接触部位对应的反射谱上的位置会产生凹陷，当热探针移除后，凹陷消失，恢复原状，记录探针的一系列接触位置和对应光谱仪上啁啾光栅反射谱下凹位置的波长数据，通过对波长数据进行线性拟合可得到啁啾光栅长度和波长的线性关系以及总长度，该方法虽然不会对光栅造成不可恢复的损害，但人工标定过程中容易产生较大误差，这会直接引起高速爆轰波速度测量误差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置及方法，该方法操作简单，可以在非接触的情况下对啁啾光栅进行准确标定，是一种全新的标定方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置，该装置由可调谐窄带激光器作为光源，两个迈克尔逊干涉仪分别作为主干涉仪和辅助干涉仪，采用光电探测器进行光电转换，采集***由光源扫描触发信号触发采集，辅助干涉仪返回的干涉信号作为***采样时钟；
所述可调谐窄带激光器用于提供线性扫描光，由耦合器分光进入主干涉仪和辅助干涉仪，是该装置实现差频干涉的基础；
所述扫描触发信号为TTL电平脉冲信号，其在扫描开始以及之后每隔固定波长进行触发，其作用是触发采集***开始采集和确定不同波长区间对应的时域信号；
所述主干涉仪为迈克尔逊干涉仪，由第二1:1耦合器、两个主干涉仪干涉臂、一个光纤反射镜组成，扫频激光从第二1:1耦合器的端口进入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器将光分成两束进入两干涉臂，两干涉臂为主干涉仪参考臂(11)和主干涉仪传感臂(13)，主干涉仪参考臂末端接有光纤反射镜将光返回，主干涉仪传感臂上连有啁啾光栅，光栅返回对应波长的激光，两干涉臂返回光在第二1:1耦合器中发生差频干涉后由第二1:1耦合器的端口输出进入第一光电探测器，第一光电探测器输出电信号被数据采集***采集；
所述辅助干涉仪为迈克尔逊干涉仪，由第一1:1耦合器、两个辅助干涉仪干涉臂和两个光纤反射镜组成，扫频激光从第一1:1耦合器的端口进入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器将光分成两束进入两辅助干涉仪干涉臂，两辅助干涉仪干涉臂末端都接有光纤反射镜，两束光分别被反射镜返回并在第一1:1耦合器中发生差频干涉后由第一1:1耦合器的端口输出进入第二光电探测器，第二光电探测器输出信号进入数据采集***作为采样时钟信号，所述差频干涉信号与迈克尔逊两辅助干涉仪干涉臂臂长差成正比关系，由奈奎斯特定理知采样频率必须等于或大于信号频率的两倍，因此辅助干涉仪臂长差须等于或大于主干涉仪臂长差的两倍；
所述辅助干涉仪返回的差频干涉光反映了激光器扫频光频率的非线性变化，其作为该装置的采样时钟可以修正光源的扫频非线性。
其中，该装置采用迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的前向光路和返回光路对称，光在臂中往返传输可以消除光纤旋光效应对激光偏振态的影响，从而消除由偏振态变化导致干涉信号的衰减。
本发明还提供一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定方法，该方法步骤如下：
步骤1：可调谐窄带激光器发出线性扫描激光，扫描开始时发出扫描触发信号触发采集***进行数据采集，扫频光进入95:5耦合器，其中5％的光进入辅助干涉仪，95％的光进入主干涉仪；
步骤2：辅助干涉仪返回的差频干涉光由光电探测器转换为电信号输出作为信号采集***的采样时钟；
步骤3：主干涉仪返回的干涉信号作为传感信号被采集***采集，其包含被测啁啾光栅的波长和位置信息；
步骤4：采集***对扫描触发信号进行采集，其在激光器扫描开始及之后每隔固定波长发出TTL脉冲电平，可以通过它确定不同波长区间对应的干涉信号；
步骤5：对数据进行处理，得到啁啾光栅波长和位置的对应关系，实现啁啾光栅标定。
其中，采用光频域反射技术，激光器波长扫描范围覆盖啁啾光栅波长范围，不同波长区间的差频干涉信号包含该波长区间在啁啾光栅的位置信息，通过对各波长区间信号解调可以得到啁啾光栅波长分布，也可直接标定出啁啾光栅栅区的起点和终点。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明可以在非接触条件下对啁啾光栅各波长-位置信息进行标定，可以通过拟合得到波长-位置的线性关系，也可以直接标定出光栅栅区的起点和终点，标定过程不会对光栅造成任何损伤，而且操作简单，与现有技术相比，没有复杂的工序，是一种新型啁啾光栅标定方法。
附图说明
图1是基于光频域反射原理标定啁啾光栅***图；
图中：1、可调谐窄带激光器；
2、95:5耦合器；
3、第一1:1耦合器；
4、辅助干涉仪第一干涉臂；
5、第一光纤反射镜；
6、辅助干涉仪第二干涉臂；
7、第二光纤反射镜；
8、第一光电探测器；
9、数据采集***；
10、第二1:1耦合器；
11、主干涉仪参考臂；
12、第三光纤反射镜；
13、主干涉仪传感臂；
14、啁啾光栅；
15、第二光电探测器；
16、计算机；
17、激光器扫描触发信号；
18、辅助干涉仪；
19、主干涉仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明中啁啾光栅标定方法配套装置如图1所示，可调谐窄带激光器1发出扫频激光进入一个95:5耦合器2，耦合器将光分成两束，5％的光进入辅助干涉仪18，辅助干涉仪输出的拍频干涉进入第一光电探测器8转换为电信号输出作为数据采集***9的采样参考时钟；另外95％的光进入主干涉仪19，主干涉仪返回的干涉光作进入第二光电探测器15转换为电信号被采集***采集，再用计算机16进行处理得到啁啾光栅的波长和位置关系。
激光器扫描触发信号17在扫频光源开始扫描及之后每隔固定波长输出一个脉冲电平，其作用有二，一是在扫描开始时触发采集***进行采集，二是将时域信号序列与扫描波长对应。
所述主干涉仪19为迈克尔逊干涉仪，由第二1:1耦合器10、主干涉仪参考臂11、第三光纤反射镜12、主干涉仪传感臂13和啁啾光栅14组成。扫频激光从第二1:1耦合器的端口10a进入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器将光分成两束进入两干涉臂，主干涉仪参考臂11末端接有光纤反射镜将光返回，主干涉仪传感臂13上连有啁啾光栅14，光栅返回对应波长的扫频光，两臂返回光在耦合器中发生差频干涉后由第二1:1耦合器的端口10b输出进入第二光电探测器15，光电探测器输出电信号被采集***采集，输出信号中包含了啁啾光栅的波长、位置信息。
所述辅助干涉仪18为迈克尔逊干涉仪，由第一1:1耦合器3、辅助干涉仪第一干涉臂4、辅助干涉仪第二干涉臂6、第一光纤反射镜5、第二光纤反射镜7组成。扫频激光从第一1:1耦合器的端口3a进入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器将光分成两束分别进入辅助干涉仪第一干涉臂4和辅助干涉仪第二干涉臂6，辅助干涉仪第一干涉臂4和辅助干涉仪第二干涉臂6每个干涉臂末端都接有光纤反射镜，两束光分别被第一光纤反射镜5、第二光纤反射镜7返回并在第一1:1耦合器中发生差频干涉后由第一1:1耦合器的端口3b输出进入第一光电探测器8，第一光电探测器输出信号进入数据采集***9作为采样时钟信号。所述差频干涉信号与迈克尔逊的辅助干涉仪第一干涉臂4和辅助干涉仪第二干涉臂6的臂长差成正比关系，由奈奎斯特定理知采样频率必须等于或大于信号频率的两倍，因此辅助干涉仪臂长差须等于或大于主干涉仪臂长差的两倍。
本发明在实际使用时包含以下步骤：
步骤1：可调谐窄带激光器1发出线性扫描激光，扫描开始时发出激光器扫描触发信号17触发数据采集***9进行数据采集，扫频光进入95:5耦合器2，其中5％的光进入辅助干涉仪18，95％的光进入主干涉仪19。
步骤2：辅助干涉仪返回的差频干涉光由第一光电探测器8转换为电信号输出作为数据采集***9的采样时钟。
步骤3：主干涉仪返回的干涉信号作为传感信号被采集***采集，其包含被测啁啾光栅(14)的波长和位置信息。
步骤4：采集***对激光器扫描触发信号17进行采集，其在激光器扫描开始及之后每隔固定波长发出TTL脉冲电平，可以通过它确定不同波长区间对应的干涉信号。
步骤5：用计算机16对数据进行处理，得到啁啾光栅波长和位置的对应关系，实现啁啾光栅标定。
可调谐激光器为波长线性扫描，扫描范围为ΔΛ，其扫描关系式为：
λ(t)＝λ0+γ×t (1)
其中，λ(t)为实时波长，λ0为初始波长，γ为激光器扫描速率，t为时间。
由激光器扫描触发信号17可将ΔΛ均分为k份，设第i份波长范围为Δλi，对应的时域数据为ΔNi，再对ΔNi进行FFT变换得到频域数据，则有：
其中，fi为频域峰值，li为该峰值频率对应的反射位置，即Δλi在光栅中对应的位置。
尽管上面对本发明的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置，其特征在于：该装置由可调谐窄带激光器作为光源，两个迈克尔逊干涉仪分别作为主干涉仪和辅助干涉仪，采用光电探测器进行光电转换，采集***由光源扫描触发信号触发采集，辅助干涉仪返回的干涉信号作为***采样时钟；
所述可调谐窄带激光器用于提供线性扫描光，由耦合器分光进入主干涉仪和辅助干涉仪，是该装置实现差频干涉的基础；
所述扫描触发信号为TTL电平脉冲信号，其在扫描开始以及之后每隔固定波长进行触发，其作用是触发采集***开始采集和确定不同波长区间对应的时域信号；
所述主干涉仪(19)为迈克尔逊干涉仪，由第二1:1耦合器、两个主干涉仪干涉臂、一个光纤反射镜组成，扫频激光从第二1:1耦合器的端口(8a)进入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器将光分成两束进入两干涉臂，两干涉臂为主干涉仪参考臂(11)和主干涉仪传感臂(13)，主干涉仪参考臂(11)末端接有光纤反射镜将光返回，主干涉仪传感臂(13)上连有啁啾光栅，光栅返回对应波长的激光，两干涉臂返回光在第二1:1耦合器中发生差频干涉后由第二1:1耦合器的端口(8b)输出进入第一光电探测器，第一光电探测器输出电信号被数据采集***采集；
所述辅助干涉仪(18)为迈克尔逊干涉仪，由第一1:1耦合器、两个辅助干涉仪干涉臂和两个光纤反射镜组成，扫频激光从第一1:1耦合器的端口(3a)进入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器将光分成两束进入两辅助干涉仪干涉臂，两辅助干涉仪干涉臂末端都接有光纤反射镜，两束光分别被反射镜返回并在第一1:1耦合器中发生差频干涉后由第一1:1耦合器的端口(3b)输出进入第二光电探测器，第二光电探测器输出信号进入数据采集***作为采样时钟信号，所述差频干涉信号与迈克尔逊两辅助干涉仪干涉臂臂长差成正比关系，由奈奎斯特定理知采样频率必须等于或大于信号频率的两倍，因此辅助干涉仪臂长差须等于或大于主干涉仪臂长差的两倍；
所述辅助干涉仪(18)返回的差频干涉光反映了激光器扫频光频率的非线性变化，其作为该装置的采样时钟可以修正光源的扫频非线性。
2.根据权利要求1所述的基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定装置，其特征在于：该装置采用迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的前向光路和返回光路对称，光在臂中往返传输可以消除光纤旋光效应对激光偏振态的影响，从而消除由偏振态变化导致干涉信号的衰减。
3.一种基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定方法，其特征在于：该方法步骤如下：
步骤1：可调谐窄带激光器发出线性扫描激光，扫描开始时发出扫描触发信号触发采集***进行数据采集，扫频光进入95:5耦合器(2)，其中5％的光进入辅助干涉仪，95％的光进入主干涉仪；
步骤2：辅助干涉仪返回的差频干涉光由光电探测器转换为电信号输出作为信号采集***的采样时钟；
步骤3：主干涉仪返回的干涉信号作为传感信号被采集***采集，其包含被测啁啾光栅的波长和位置信息；
步骤4：采集***对扫描触发信号进行采集，其在激光器扫描开始及之后每隔固定波长发出TTL脉冲电平，可以通过它确定不同波长区间对应的干涉信号；
步骤5：对数据进行处理，得到啁啾光栅波长和位置的对应关系，实现啁啾光栅标定。
4.根据权利要求3所述的基于光频域反射原理的啁啾光栅的标定方法，其特征在于：采用光频域反射技术，激光器波长扫描范围覆盖啁啾光栅波长范围，不同波长区间的差频干涉信号包含该波长区间在啁啾光栅的位置信息，通过对各波长区间信号解调可以得到啁啾光栅波长分布，也可直接标定出啁啾光栅栅区的起点和终点。
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