本文基于F-P 濾波器設(shè)計(jì)了一種微型光纖光譜儀， 運(yùn)用了FBG 的反射信號(hào)作為波長的丈量基準(zhǔn)，對

F-P 濾波器的輸出波出息行了校準(zhǔn)。研討了FBG 反射信號(hào)波長的準(zhǔn)確測定辦法，將參考信號(hào)波峰功率降落6dB，選取信號(hào)波峰兩側(cè)的特征點(diǎn)，取這兩個(gè)特征點(diǎn)的中點(diǎn)作為該參考信號(hào)的波長。比照計(jì)算結(jié)果標(biāo)明，參考信號(hào)波長有較好的波長穩(wěn)定性。該辦法操作過程煩瑣，計(jì)算工作量小，具有較強(qiáng)的適用性。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理

基于F-P 濾波器的微型光纖光譜儀構(gòu)造圖如圖1所示。一路光信號(hào)來自內(nèi)部寬帶光源發(fā)出的寬帶激

光，經(jīng)FBG 反射后成為參考信號(hào)，經(jīng)過耦合器2 進(jìn)入F-P 濾波器停止波長解析， 輸出的光信號(hào)由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，被微處置器控制的ADC 采樣模塊停止數(shù)據(jù)采集。另一路光信號(hào)是外部的待測信號(hào)，由光開關(guān)控制后同樣經(jīng)耦合器2 進(jìn)入F-P 濾波器停止波長解析，被微處置器的ADC 采樣模塊采集為一系列數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)工作時(shí)，經(jīng)過合理控制寬帶光源激光器和光開關(guān)的開閉次第，完成參考信號(hào)和待測信號(hào)依次分時(shí)經(jīng)過F-P 濾波器， 掃描兩次F-P 濾波器，ADC 模塊停止兩次相應(yīng)的采樣從而完成一次計(jì)量過程。

在第一個(gè)掃描周期內(nèi)只讓參考信號(hào)經(jīng)過F-P 濾波器，經(jīng)過ADC 模塊同步采樣后得到一組包含采樣點(diǎn)

數(shù)（對應(yīng)于掃描電壓）與波長信息的數(shù)據(jù)，依據(jù)已知的參考信號(hào)波長值能夠推算出各采樣點(diǎn)處的波長值，以此作為橫坐標(biāo)數(shù)組。在第二個(gè)掃描周期內(nèi)只讓待測信號(hào)經(jīng)過F-P 濾波器， 同樣經(jīng)過ADC 同步采樣和計(jì)算后得到待測信號(hào)各采樣點(diǎn)對應(yīng)的光功率值，以此作為縱坐標(biāo)數(shù)組。經(jīng)過這兩組數(shù)據(jù)作出“波長值-光功率”散布圖即可得到待測信號(hào)的光譜圖。

1.2 F-P 濾波器的校準(zhǔn)原理

本系統(tǒng)的中心光器件F-P 濾波器采用MicronOptics 公司的FFP-TF2 濾波器， 它的自在光譜（FSR）

為1520 ～1620nm （C&L 波段），3dB 帶寬為0.05nm。依據(jù)該濾波器在高波長段非線性比擬嚴(yán)重的特性，本計(jì)劃在L 波段和C 波段分別插入7 根和3 根FBG 以取得參考信號(hào)，它們的中心波長標(biāo)稱值分別是1522 ±0.5nm、1537 ±0.5nm、1552 ±0.5nm、1567 ±0.5nm、1577 ±0.5nm、1587 0.5nm、1592 ±0.5nm、1597 ±0.5nm、1602±0.5nm 和1607±0.5nm。在F-P 濾波器第一個(gè)掃描周期內(nèi)，這10 個(gè)參考信號(hào)的采樣結(jié)果如圖2 所示。

圖2 中，橫軸為采樣點(diǎn)數(shù)，對應(yīng)于依次線性遞增的F-P 濾波器掃描電壓，F(xiàn)-P 濾波器在每個(gè)掃描電壓時(shí)辰輸出不同波長的光； 縱軸為該光信號(hào)的12 位ADC 采樣值。依據(jù)硬件采樣電路的設(shè)計(jì)原理能夠推導(dǎo)出ADC 采樣值D 與光功率P（dBm）的關(guān)系：P=0.024×D-90.969 （1）由式（1）可得到光譜圖縱坐標(biāo)的信號(hào)光功率。依據(jù)F-P 濾波器在較小驅(qū)動(dòng)電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓與輸出波長值成近似線性關(guān)系的特性，設(shè)兩個(gè)參考信號(hào)的波長分別為λ1、λ2，對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)為s1、s2,則采樣點(diǎn)s1、s2

之間恣意一點(diǎn)si對應(yīng)的波長λi（nm）為：λi=λ2-λ1s2-s1×(si-s1)+λ1 （2）分段計(jì)算出F-P 濾波器在整個(gè)FSR 范圍內(nèi)各處掃描電壓對應(yīng)的輸出波長值，從而完成橫坐標(biāo)從采樣點(diǎn)數(shù)到波長值的轉(zhuǎn)換。此波長值的轉(zhuǎn)換精密水平將直接影響微型光譜儀的波長分辨精度，其決議要素主要包括兩方面： ①插入的參考信號(hào)數(shù)量能否足夠密集，能最大水平地迫近F-P 濾波器的波長輸出特性；②參考信號(hào)FBG 波長值的測定辦法能否穩(wěn)定牢靠，確保微型光譜儀內(nèi)程序算法運(yùn)用的參考信號(hào)波長值堅(jiān)持穩(wěn)定，且能與外部儀器（如臺(tái)式光譜儀）的準(zhǔn)確計(jì)量值堅(jiān)持較好的分歧性。

2 參考信號(hào)波長值的測定辦法

由式（2）的波長值坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理可知，微型光譜儀在程序計(jì)算過程中用到的參考信號(hào)波長值必需能穩(wěn)定地表征相應(yīng)的參考信號(hào)，并且它的程序計(jì)算辦法能夠在外部復(fù)現(xiàn)，以確保程序運(yùn)用的波長值與外部臺(tái)式光譜儀的準(zhǔn)確丈量值堅(jiān)持分歧。最煩瑣的操作辦法就是尋覓波峰， 即先在臺(tái)式光譜儀上丈量出10 個(gè)參考信號(hào)的光功率峰值，記載相應(yīng)的波長為λ0，λ1,…,λ10，再在微型光譜儀的程序算法中尋覓參考信號(hào)采樣序列的部分最大值（即各信號(hào)的光功率峰值），那么各相應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)對應(yīng)的波長就能夠運(yùn)用λ0，λ1,…,λ10。FBG 的反射光譜是一種近似高斯散布的信號(hào)，理論上其信號(hào)波峰值就是它的中心波長值[4]，當(dāng)FBG 遭到外部溫度和壓力的影響惹起形變時(shí)，反射信號(hào)波形發(fā)作整體挪動(dòng)，其中心波長值也隨之改動(dòng)。此外，F(xiàn)BG反射信號(hào)的波峰值還容易受系統(tǒng)噪聲影響而發(fā)作動(dòng)搖，但此時(shí)整體波形根本不變。因而，以尋覓波峰值的辦法來肯定FBG 波長值將招致系統(tǒng)基準(zhǔn)信號(hào)不肯定。應(yīng)用高斯擬合和多項(xiàng)式擬合計(jì)算FBG 中心波長[5]又會(huì)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備操作過程復(fù)雜、算法計(jì)算工作量較大和不便于在嵌入式系統(tǒng)上完成的問題。本文將FBG 置于恒溫盒中，以消弭環(huán)境溫度變化的影響。依據(jù)反射信號(hào)在遭到系統(tǒng)噪聲擾動(dòng)后波峰功率值動(dòng)搖，整體波形根本不變的特性，采取在信號(hào)波峰兩側(cè)選取兩個(gè)相對穩(wěn)定的特征點(diǎn)，計(jì)算其綜合特征點(diǎn)（即波形中點(diǎn)）作為FBG 波長，替代中心波長。

2.1 FBG 波形特征點(diǎn)選取及波長值計(jì)算

設(shè)參考信號(hào)波峰A 處功率為PA，特征點(diǎn)C 的功率為PC，則：PC=αPA （3）其中，α 為閾值因子，取值范圍為0~1。有關(guān)研討標(biāo)明，α 取值在0.2~0.9 變化時(shí)， 特征點(diǎn)C 對系統(tǒng)噪聲擾動(dòng)不敏感[6]。此辦法相當(dāng)于在參考信號(hào)波峰值降落ndB（n為6.99～0.46dB）處作一條平行線，平行線與參考信號(hào)波形的交點(diǎn)就是特征點(diǎn)C，詳細(xì)過程如圖3 所示。設(shè)參考信號(hào)波峰兩側(cè)的特征點(diǎn)C1和C2對應(yīng)波長為λ1和λ2，計(jì)算該參考信號(hào)綜合特征點(diǎn)（波形中點(diǎn)）處的波長值λM：λM= λ2+λ12 （4）依據(jù)以上操作辦法能夠在臺(tái)式光譜儀上分別測得各參考信號(hào)比擬穩(wěn)定的波長。這里以波峰功率降落6dB 為例選取特征點(diǎn)， 在堅(jiān)持環(huán)境溫度恒定為25℃的狀況下，上述10 根FBG（FBG1，F(xiàn)BG2,…，F(xiàn)BG10）反射信號(hào)的波長丈量和計(jì)算結(jié)果如表1 所示。其中λA為峰值功率處的波長值。

2.2 FBG 波長計(jì)量值的應(yīng)用

在微型光譜儀的程序算法中，先尋覓參考信號(hào)采樣序列的部分最大值（即各信號(hào)的光功率峰值），再減去6dBm， 經(jīng)過直線相交的辦法找出波峰兩側(cè)特征點(diǎn)C1、C2在采樣序列中的位置S1、S2 （即對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)），取其中心位置SM：SM= S1+S22 （5）作為參考信號(hào)的綜合特征點(diǎn), 該點(diǎn)對應(yīng)的波長能夠運(yùn)用由臺(tái)式光譜儀丈量的相應(yīng)波長，完成對FBG 反射信號(hào)的波長校準(zhǔn)，再依據(jù)式（2）就能夠完成光譜圖橫坐標(biāo)從采樣點(diǎn)數(shù)到波長的轉(zhuǎn)換。

2.3 FBG 波形綜合特征點(diǎn)穩(wěn)定性考證依據(jù)各參考信號(hào)波長為固定值的特性，若以其中一個(gè)參考信號(hào)的綜合特征點(diǎn)為參考基點(diǎn)，那么其它參考信號(hào)與參考基點(diǎn)之間的間隔應(yīng)該是恒定不變的，據(jù)此能夠考證經(jīng)過上述辦法計(jì)算得到的各參考信號(hào)綜合特征點(diǎn)能否穩(wěn)定，考證結(jié)果如圖4 所示。詳細(xì)施行辦法是將10 根FBG 光柵置于25℃恒溫盒中以消弭溫度變化對參考信號(hào)中心波長的影響，讓微型光譜儀系統(tǒng)工作預(yù)熱3 分鐘后， 以每秒1 次的掃描頻率對10個(gè)參考信號(hào)連續(xù)掃描采樣10 次，記載得到10 組參考信號(hào)的采樣序列。在每組采樣序列中按式（5）計(jì)算出各參考信號(hào)綜合特征點(diǎn)位置（SM1，SM2，…,SM10）。分別計(jì)算SM2～SM10與SM1的間隔（Δ1=SM2-SM1，Δ2=SM3-SM2,…,Δ9=SM10-SM9）。依次求出每個(gè)間隔的掃描規(guī)范差（σ1，σ2，…,σ9）作規(guī)范差曲線（圖4 中帶“*”號(hào)的曲線），此時(shí)σ 的最大值為0.527，最小值為0.4216，這標(biāo)明在10 次掃描過程中，以此辦法肯定的9 個(gè)參考信號(hào)相對第一個(gè)參考信號(hào)的位置間隔動(dòng)搖都不大。

為作比照，我們采用尋覓波峰值肯定FBG 波長的辦法，同樣運(yùn)用上述10 組采樣序列數(shù)據(jù)，計(jì)算得另一組規(guī)范差（σ1′，σ2′，…, σ9′），并作規(guī)范差曲線（圖4 中帶“+”號(hào)的曲線），此時(shí)σ′的最大值為2.5298，最小值為1.2293。能夠看出，以此辦法肯定的各參考信號(hào)之間位置間隔動(dòng)搖較大。由此可見， 采用參考信號(hào)波形綜合特征點(diǎn)肯定FBG 波長的辦法具有較好的波長穩(wěn)定性，明顯優(yōu)于以信號(hào)波峰值肯定FBG 波長的辦法。

光譜儀是一種能夠分辨光信號(hào)中不同波長信號(hào)的重要光學(xué)儀器，在地質(zhì)、冶金、石油的物質(zhì)成分剖析以及光通訊、光傳感的光信號(hào)檢測等范疇?wèi)?yīng)用普遍。依據(jù)分光手腕不同將分光原理分為物質(zhì)色散、多縫衍射和多光束干預(yù)3 種?；诙喙馐深A(yù)原理的微型光纖光譜儀運(yùn)用了可調(diào)諧F-P 濾波器作為光譜解析器件，該光譜儀具有體型小、測試速度快、本錢低和便于模塊化消費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于F-P 濾波器在整個(gè)自在光譜范圍內(nèi)的“掃描電壓-輸出波長”關(guān)系只是近似線性關(guān)系， 假如在設(shè)計(jì)中參加一組光纖布喇格光柵（FBG）的反射信號(hào)作為參考信號(hào)，一方面能用于校準(zhǔn)F-P 濾波器的波長輸出特性，另一方面也能應(yīng)用其固定的波長值作為波長丈量的基準(zhǔn)[2]。參考信號(hào)的FBG 波長值需求由部儀器準(zhǔn)確測定才干被微型光譜儀的算法運(yùn)用。本文以參考信號(hào)波峰功率降落6dB 處的波形中點(diǎn)作為FBG 的波長值，在微型光譜儀上構(gòu)成算法并煩瑣地在臺(tái)式光譜儀上停止對照儀器計(jì)量操作，從而完成對 參考信號(hào)波長值的儀器校準(zhǔn)。信息來源于http://www.yqxz88.com