基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法技术

本发明专利技术公开的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，属于光纤传感领域。所述光纤传感光谱探测模块为基于衍射光栅分光和阵列式探测器光纤传感光谱探测模块。本发明专利技术通过扫描的方式输出涵盖被赋值光谱探测模块整个C+L工作波段的窄带波长，利用高精度扫描光源的输出波长间隔远高于光谱探测模块的采样率的特点，对每一个像元形成一系列的中心波长定位数组，再利用线性拟合函数的过零点定位中心波长，用于对基于衍射光栅分光和阵列式探测器的光纤传感光谱探测模块的像元进行波长赋值。本发明专利技术能够解决该工作波段的标准光源数量较少的问题，能够改善像元宽度带来的光谱轮廓展宽导致峰值位置模糊的问题，进而提升全波段范围的赋值精度。全波段范围的赋值精度。全波段范围的赋值精度。

【技术实现步骤摘要】
基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法


[0001]本专利技术涉及一种基于扫描光源的高精度波长赋值方法，用于对工作在C+L波段(约1510nm～1625nm)的、基于衍射光栅分光和阵列式探测器的光纤传感光谱探测模块的像元与对应波长进行高精度的波长赋值，属于光纤传感领域。

技术介绍

[0002]近年来，随着光纤传感技术在越来越多领域的广泛应用，对光纤传感解调仪表的性能要求也越来越高。其中基于衍射光栅分光和阵列式探测器的光纤传感解调仪表因其内部没有运动部件，具备稳定性高、环境适应性好等优势，在航空航天等前沿领域具有重要的应用前景。
[0003]基于衍射光栅分光和阵列式探测器的光纤传感解调仪表的基本原理是将衍射光栅3和近红外阵列式探测器(CCD)5通过辅助的光学透镜(通常包含准直透镜2和成像透镜4)组成光路结构固定的光谱探测模块，其基本原理如图1所示，光纤传感器反射的包含不同波长的光信号通过光纤1入射准直透镜上，利用衍射光栅的分光特性，将空间展开后的光信号成像在CCD上，CCD的像元将光信号的光强转换成电信号输出，形成光信号的谱线数据。图2是一个典型的光纤光栅的光信号在CCD上成像的光谱示意图，CCD接收到的光信号在波长域上的分布如曲线6所示，经由CCD完成光电转换后形成了大小不等的离散的电压信号7，这些电压信号再被计算机换算成强度信号之后形成了一系列离散数据点8。由此可见，光谱探测模块上的CCD像元与输入的光波长有一一对应关系。因此，对像元与波长的对应关系的精确赋值，是基于该原理的解调仪表对波长进行精确解调的前提条件，赋值精度影响是解调仪表的波长解调精度的关键因素。
[0004]波长赋值的一般思路是，采用多个已知波长的窄带光源作为标准源，输入到光谱采集模块中，获得一系列的光谱中心波长对应的像元位置，再利用多项式拟合等数据处理手段，得到阵列探测器像元与波长的函数关系，以此得到每个像元对应的波长值。因此，影响赋值准确度的主要因素包括赋值中使用的标准光源的数量和输入的标准光源对应的像元位置的获取准确度两个方面。
[0005]影响因素1)赋值中使用的标准光源的数量：在光谱采集模块的工作波段范围内，参与赋值的标准光源的数量越多，得到的波长与像元的对应关系越多，拟合后的像元与波长的函数关系越准确。常见的标准光源包括气体光源，宽带光源配合气体吸收池等。但是对于工作在C+L波段的光纤传感光谱探测模块，可用的气体光源数量稀少，例如汞灯(Hg)有波长在1529.6nm的谱线，氙(Xe)灯有1541.8nm的谱线，显然即使是组合使用，稀少的赋值点数也并不能很好的满足赋值需求。在C+L波段具有明显吸收峰的气体有乙炔、氰化氢等。虽然气体吸收池在C+L波段的吸收峰的数量不少，但各个吸收峰的能量差异较大，在实际应用中只能选取个别较为明显的吸收峰用来赋值，对赋值精度的提升作用有限。如专利技术专利CN103557879B“基于腔吸收的光纤光栅传感波长标定装置”采用了宽带光源配合气体吸收池的方式产生标准光源，也只利用了气体吸收池在近红外区域较为明显的两个吸收峰作为
赋值谱线。
[0006]影响因素2)输入的标准光源对应的像元位置的获取准确度：由于阵列探测器的像元存在一定的宽度，该宽度的存在导致后续复现光谱曲线时存在光谱轮廓展宽、峰值位置模糊等问题，影响像元中心波长的定位。以1024像元的阵列探测器为例，若其工作波长范围为40nm，则每个像元所占有的平均波长宽度约为40pm，因而理论上40pm的范围内的一组波长都可以粗略认为是同一个像元对应的中心波长值。如图3所示，对于像元
②
，图3所输入的三个波长都可以认为是像元
②
的中心波长，但实际上只有波长峰值点与像元
②
中心完全重合的波长值才是像元
②
的真正中心波长，如图3居中的曲线所示。专利技术专利CN105424185B“一种计算机辅助的全波段光谱仪波长标定方法”采用了组合光源对光谱仪进行波长赋值，在光谱仪波长范围内获取一定数量的光谱数据后，并采用计算机辅助的方式进行光谱获取和数据处理，采用福特函数拟合每条谱线的数据重建谱线轮廓并确定复现峰值对应的像元位置，但该处理方式应用到C+L波段的光谱采集模块的赋值时，无法改善该波段标准谱线较为稀少的问题，对赋值精度的提升有限。专利技术专利200710177242.8“一种光谱仪器的波长标定方法”也注意到了像元宽度对赋值精度的影响，提出移动阵列探测器或转动光栅等在光路上形成变化的方式提升采样率，进行亚像元重建，该方法对于必须形成稳固光路结构的光谱探测模块并没有应用价值。
[0007]因此，要提升工作在C+L波段光纤传感光谱探测模块的波长赋值精度，应从标准光源数量和像元位置定位两个方面进行改善，从而提升基于该原理的解调仪表的波长解调精度。

技术实现思路

[0008]针对现有波长赋值方法中存在的标准光源数量稀少、峰值像元位置定位困难等问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，能够为工作在C+L波段的基于衍射光栅分光和阵列式探测器的光纤传感光谱探测模块提供一种全波段范围的高精度波长赋值方法，从而提升基于该原理的解调仪表的波长解调精度。
[0009]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0010]本专利技术公开的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，所述光纤传感光谱探测模块为基于衍射光栅分光和阵列式探测器光纤传感光谱探测模块，用于实现光纤传感解调仪的C+L波段光谱探测。所述光纤传感光谱探测模块主要由衍射光栅、阵列式探测器CCD和辅助的光学透镜组成，利用衍射光栅的分光特性，将光纤传感器反射的包含不同波长的光信号在空间展开后，成像在CCD上进行光谱探测。本专利技术公开的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，包括如下步骤：
[0011]步骤101：连接波长赋值所需的光学设备及数据处理控制模块。
[0012]步骤101中所要连接的光学设备包括高精度扫描光源、光衰减器和待赋值的光谱探测模块。其中高精度扫描光源通过光衰减器与待赋值的光谱探测模块相连，数据处理控制模块通过控制线分别与高精度扫描光源和光谱探测模块相连。高精度扫描光源用于输出赋值所需的光谱，其波长范围应覆盖待赋值的光谱探测模块的波长范围，且具备数据处理控制模块同步控制的光谱扫描功能；数据处理控制模块用于控制高精度扫描光源的光谱输
出，同时控制代赋值的光谱探测模块进行信号采集处理。
[0013]步骤102：进行赋值初始化，包括输出光能量设置、有效像元范围设置、波长范围设置和光谱扫描步长设置。
[0014]步骤102中所述的输出光能量设置是指调整高精度扫描光源的输出光能量和光衰减器的衰减量，确保输出的光能量不超过待赋值的光谱探测模块的CCD的光强探测上限；
[0015]步骤102中所述的有效像元范围设置和波长范围设置是指调整高精度扫描光源的输出光，记录能够进行有效探测的最小像元P
min
和最大像元P<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，其特征在于：所述光纤传感光谱探测模块为基于衍射光栅分光和阵列式探测器光纤传感光谱探测模块，用于实现光纤传感解调仪的C+L波段光谱探测；所述光纤传感光谱探测模块主要由衍射光栅、阵列式探测器CCD和辅助的光学透镜组成，利用衍射光栅的分光特性，将光纤传感器反射的包含不同波长的光信号在空间展开后，成像在CCD上进行光谱探测；所述波长赋值方法，包括如下步骤，步骤101：连接波长赋值所需的光学设备及数据处理控制模块；步骤102：进行赋值初始化，包括输出光能量设置、有效像元范围设置、波长范围设置和光谱扫描步长设置；步骤102中所述的输出光能量设置是指调整高精度扫描光源的输出光能量和光衰减器的衰减量，确保输出的光能量不超过待赋值的光谱探测模块的CCD的光强探测上限；步骤103：通过数据处理控制模块控制高精度扫描光源输出覆盖待赋值的光谱探测模块波长范围的不同波长，同时通过数据处理控制模块记录待赋值的光谱探测模块测到的光谱，获取“像元位置
‑
能量”数据；步骤104：对步骤103中所获取的“像元位置
‑
能量”数据依次进行数据提取和预处理、数据分组、像元中心波长定位，最终形成“像元
‑
中心波长”数据组。2.如权利要求1所述的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，其特征在于：还包括步骤105：直接应用步骤104所获得的波长赋值结果进行光纤光栅传感器的高精度波长解调；步骤105中，将ASE光源发出的光经过环形器进入待测光纤光栅传感器，待测光纤光栅传感器反射的光进入前述步骤中已经赋值完毕的光谱探测模块，光谱探测模块的数据处理电路获得该传感器的峰值像元位置n，对照步骤104中的“像元
‑
中心波长”数据组(n，λ
n
)，得到此像元所对应的波长值λ
n
，即实现对光纤光栅传感器的高精度波长解调。3.如权利要求2所述的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，其特征在于：步骤101中所要连接的光学设备包括高精度扫描光源、光衰减器和待赋值的光谱探测模块；其中高精度扫描光源通过光衰减器与待赋值的光谱探测模块相连，数据处理控制模块通过控制线分别与高精度扫描光源和光谱探测模块相连；高精度扫描光源用于输出赋值所需的光谱，其波长范围应覆盖待赋值的光谱探测模块的波长范围，且具备数据处理控制模块同步控制的光谱扫描功能；数据处理控制模块用于控制高精度扫描光源的光谱输出，同时控制代赋值的光谱探测模块进行信号采集处理。4.如权利要求3所述的基于扫描光源的光纤传感光谱探测模块的波长赋值方法，其特征在于：步骤102中所述的有效像元范围设置和波长范围设置是指调整高精度扫描光源的输出光，记录能够进行有效探测的最小像元P
min
和最大像元P
max
，并记录两个像元对应的波长值λ
min
和λ
max
；则待赋值的最小有效像元P1定为P1＝P
min
‑
1，待赋值的最大有效像元P
N
定为P
N
＝P
max
+1；最小赋值波长定为λ
1c
＝λ
min
‑
(λ
max
‑
λ
min
)/N，最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：江琴，申雅峰，张爽爽，王莉，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：