一種基於光頻域反射原理的啁啾光柵的標定裝置及方法與流程

2023-05-11 23:21:21 3

本發明屬於傳感器標定的技術領域，具體涉及一種基於光頻域反射原理的啁啾光柵的標定裝置及方法。

背景技術：

爆轟波是一種帶有高速化學反應區的、在炸藥中傳播的一種強衝擊波，爆轟波的速度簡稱爆速，一般可達數千米每秒，是炸藥重要的特性參數之一，對研究炸藥性能、爆炸過程中能量傳遞等有重要意義。

爆速的測量可以採用啁啾光柵法，啁啾光柵(cfbg)屬於光纖傳感器的一種。利用啁啾光柵測爆轟波速度時，爆轟波作用在啁啾光柵上，使光柵的長度減小，返回信號光強減弱，利用此現象可以測量爆轟波的連續速度。

為了求解速度，需要對啁啾光柵的長度進行標定，得到啁啾光柵的長度值。而且長度的精確與否直接影響到最後求得的速度的精度。

目前常用的啁啾光柵的標定方法有兩種，第一種是切割法，取同一批光柵中的一根進行切割，通過記錄每次的切割位置和返回的光強大小，來得到啁啾光柵的長度。但是這種方法存在一個致命的缺陷，那就是此標定是破壞性的，標定完後光柵也毀壞了，無法繼續使用，另外，此方法是把同一批的光柵視作完全一樣，但是實際上雖然是同一批光柵，個體之間仍然存在差異。第二種是熱探針法，該方法採用光譜儀觀察啁啾光柵的反射譜，當用熱探針接觸光柵柵區，接觸部位對應的反射譜上的位置會產生凹陷，當熱探針移除後，凹陷消失，恢復原狀，記錄探針的一系列接觸位置和對應光譜儀上啁啾光柵反射譜下凹位置的波長數據，通過對波長數據進行線性擬合可得到啁啾光柵長度和波長的線性關係以及總長度，該方法雖然不會對光柵造成不可恢復的損害，但人工標定過程中容易產生較大誤差，這會直接引起高速爆轟波速度測量誤差。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出一種基於光頻域反射原理的啁啾光柵的標定裝置及方法，該方法操作簡單，可以在非接觸的情況下對啁啾光柵進行準確標定，是一種全新的標定方法。

本發明採用的技術方案為：一種基於光頻域反射原理的啁啾光柵的標定裝置，該裝置由可調諧窄帶雷射器作為光源，兩個麥可遜幹涉儀分別作為主幹涉儀和輔助幹涉儀，採用光電探測器進行光電轉換，採集系統由光源掃描觸發信號觸發採集，輔助幹涉儀返回的幹涉信號作為系統採樣時鐘；

所述可調諧窄帶雷射器用於提供線性掃描光，由耦合器分光進入主幹涉儀和輔助幹涉儀，是該裝置實現差頻幹涉的基礎；

所述掃描觸發信號為ttl電平脈衝信號，其在掃描開始以及之後每隔固定波長進行觸發，其作用是觸發採集系統開始採集和確定不同波長區間對應的時域信號；

所述主幹涉儀為麥可遜幹涉儀，由第二1:1耦合器、兩個主幹涉儀幹涉臂、一個光纖反射鏡組成，掃頻雷射從第二1:1耦合器的埠進入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器將光分成兩束進入兩幹涉臂，兩幹涉臂為主幹涉儀參考臂(11)和主幹涉儀傳感臂(13)，主幹涉儀參考臂末端接有光纖反射鏡將光返回，主幹涉儀傳感臂上連有啁啾光柵，光柵返回對應波長的雷射，兩幹涉臂返回光在第二1:1耦合器中發生差頻幹涉後由第二1:1耦合器的埠輸出進入第一光電探測器，第一光電探測器輸出電信號被數據採集系統採集；

所述輔助幹涉儀為麥可遜幹涉儀，由第一1:1耦合器、兩個輔助幹涉儀幹涉臂和兩個光纖反射鏡組成，掃頻雷射從第一1:1耦合器的埠進入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器將光分成兩束進入兩輔助幹涉儀幹涉臂，兩輔助幹涉儀幹涉臂末端都接有光纖反射鏡，兩束光分別被反射鏡返回並在第一1:1耦合器中發生差頻幹涉後由第一1:1耦合器的埠輸出進入第二光電探測器，第二光電探測器輸出信號進入數據採集系統作為採樣時鐘信號，所述差頻幹涉信號與麥可遜兩輔助幹涉儀幹涉臂臂長差成正比關係，由奈奎斯特定理知採樣頻率必須等於或大於信號頻率的兩倍，因此輔助幹涉儀臂長差須等於或大於主幹涉儀臂長差的兩倍；

所述輔助幹涉儀返回的差頻幹涉光反映了雷射器掃頻光頻率的非線性變化，其作為該裝置的採樣時鐘可以修正光源的掃頻非線性。

其中，該裝置採用麥可遜幹涉儀，麥可遜幹涉儀的前向光路和返回光路對稱，光在臂中往返傳輸可以消除光纖旋光效應對雷射偏振態的影響，從而消除由偏振態變化導致幹涉信號的衰減。

本發明還提供一種基於光頻域反射原理的啁啾光柵的標定方法，該方法步驟如下：

步驟1：可調諧窄帶雷射器發出線性掃描雷射，掃描開始時發出掃描觸發信號觸發採集系統進行數據採集，掃頻光進入95:5耦合器，其中5％的光進入輔助幹涉儀，95％的光進入主幹涉儀；

步驟2：輔助幹涉儀返回的差頻幹涉光由光電探測器轉換為電信號輸出作為信號採集系統的採樣時鐘；

步驟3：主幹涉儀返回的幹涉信號作為傳感信號被採集系統採集，其包含被測啁啾光柵的波長和位置信息；

步驟4：採集系統對掃描觸發信號進行採集，其在雷射器掃描開始及之後每隔固定波長發出ttl脈衝電平，可以通過它確定不同波長區間對應的幹涉信號；

步驟5：對數據進行處理，得到啁啾光柵波長和位置的對應關係，實現啁啾光柵標定。

其中，採用光頻域反射技術，雷射器波長掃描範圍覆蓋啁啾光柵波長範圍，不同波長區間的差頻幹涉信號包含該波長區間在啁啾光柵的位置信息，通過對各波長區間信號解調可以得到啁啾光柵波長分布，也可直接標定出啁啾光柵柵區的起點和終點。

本發明與現有技術相比的優點在於：

本發明可以在非接觸條件下對啁啾光柵各波長-位置信息進行標定，可以通過擬合得到波長-位置的線性關係，也可以直接標定出光柵柵區的起點和終點，標定過程不會對光柵造成任何損傷，而且操作簡單，與現有技術相比，沒有複雜的工序，是一種新型啁啾光柵標定方法。

附圖說明

圖1是基於光頻域反射原理標定啁啾光柵系統圖；

圖中：1、可調諧窄帶雷射器；

2、95:5耦合器；

3、第一1:1耦合器；

4、輔助幹涉儀第一幹涉臂；

5、第一光纖反射鏡；

6、輔助幹涉儀第二幹涉臂；

7、第二光纖反射鏡；

8、第一光電探測器；

9、數據採集系統；

10、第二1:1耦合器；

11、主幹涉儀參考臂；

12、第三光纖反射鏡；

13、主幹涉儀傳感臂；

14、啁啾光柵；

15、第二光電探測器；

16、計算機；

17、雷射器掃描觸發信號；

18、輔助幹涉儀；

19、主幹涉儀。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便更好地理解本發明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。

本發明中啁啾光柵標定方法配套裝置如圖1所示，可調諧窄帶雷射器1發出掃頻雷射進入一個95:5耦合器2，耦合器將光分成兩束，5％的光進入輔助幹涉儀18，輔助幹涉儀輸出的拍頻幹涉進入第一光電探測器8轉換為電信號輸出作為數據採集系統9的採樣參考時鐘；另外95％的光進入主幹涉儀19，主幹涉儀返回的幹涉光作進入第二光電探測器15轉換為電信號被採集系統採集，再用計算機16進行處理得到啁啾光柵的波長和位置關係。

雷射器掃描觸發信號17在掃頻光源開始掃描及之後每隔固定波長輸出一個脈衝電平，其作用有二，一是在掃描開始時觸發採集系統進行採集，二是將時域信號序列與掃描波長對應。

所述主幹涉儀19為麥可遜幹涉儀，由第二1:1耦合器10、主幹涉儀參考臂11、第三光纖反射鏡12、主幹涉儀傳感臂13和啁啾光柵14組成。掃頻雷射從第二1:1耦合器的埠10a進入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器將光分成兩束進入兩幹涉臂，主幹涉儀參考臂11末端接有光纖反射鏡將光返回，主幹涉儀傳感臂13上連有啁啾光柵14，光柵返回對應波長的掃頻光，兩臂返回光在耦合器中發生差頻幹涉後由第二1:1耦合器的埠10b輸出進入第二光電探測器15，光電探測器輸出電信號被採集系統採集，輸出信號中包含了啁啾光柵的波長、位置信息。

所述輔助幹涉儀18為麥可遜幹涉儀，由第一1:1耦合器3、輔助幹涉儀第一幹涉臂4、輔助幹涉儀第二幹涉臂6、第一光纖反射鏡5、第二光纖反射鏡7組成。掃頻雷射從第一1:1耦合器的埠3a進入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器將光分成兩束分別進入輔助幹涉儀第一幹涉臂4和輔助幹涉儀第二幹涉臂6，輔助幹涉儀第一幹涉臂4和輔助幹涉儀第二幹涉臂6每個幹涉臂末端都接有光纖反射鏡，兩束光分別被第一光纖反射鏡5、第二光纖反射鏡7返回並在第一1:1耦合器中發生差頻幹涉後由第一1:1耦合器的埠3b輸出進入第一光電探測器8，第一光電探測器輸出信號進入數據採集系統9作為採樣時鐘信號。所述差頻幹涉信號與麥可遜的輔助幹涉儀第一幹涉臂4和輔助幹涉儀第二幹涉臂6的臂長差成正比關係，由奈奎斯特定理知採樣頻率必須等於或大於信號頻率的兩倍，因此輔助幹涉儀臂長差須等於或大於主幹涉儀臂長差的兩倍。

本發明在實際使用時包含以下步驟：

步驟1：可調諧窄帶雷射器1發出線性掃描雷射，掃描開始時發出雷射器掃描觸發信號17觸發數據採集系統9進行數據採集，掃頻光進入95:5耦合器2，其中5％的光進入輔助幹涉儀18，95％的光進入主幹涉儀19。

步驟2：輔助幹涉儀返回的差頻幹涉光由第一光電探測器8轉換為電信號輸出作為數據採集系統9的採樣時鐘。

步驟3：主幹涉儀返回的幹涉信號作為傳感信號被採集系統採集，其包含被測啁啾光柵(14)的波長和位置信息。

步驟4：採集系統對雷射器掃描觸發信號17進行採集，其在雷射器掃描開始及之後每隔固定波長發出ttl脈衝電平，可以通過它確定不同波長區間對應的幹涉信號。

步驟5：用計算機16對數據進行處理，得到啁啾光柵波長和位置的對應關係，實現啁啾光柵標定。

可調諧雷射器為波長線性掃描，掃描範圍為δλ，其掃描關係式為：

λ(t)＝λ0+γ×t(1)

其中，λ(t)為實時波長，λ0為初始波長，γ為雷射器掃描速率，t為時間。

由雷射器掃描觸發信號17可將δλ均分為k份，設第i份波長範圍為δλi，對應的時域數據為δni，再對δni進行fft變換得到頻域數據，則有：

其中，fi為頻域峰值，li為該峰值頻率對應的反射位置，即δλi在光柵中對應的位置。

儘管上面對本發明的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。