采用微動探測器陣列提高光譜分辨率的光纖光柵解調系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種采用微動探測器陣列提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系統，所述解調系統包括泵浦源、波分復用器、布拉格光纖光柵、光闌、狹縫、準直鏡、分光光柵、成像鏡和線陣探測器、壓電執行元件及電壓控制系統，其中所述泵浦源、波分復用器和布拉格光纖光柵依次連接，所述波分復用器同時連接光闌，所述泵浦源發出的光通過波分復用器的耦合后進入布拉格光纖光柵，所述布拉格光纖光柵的反射譜作為注入光進入光纖光柵解調系統，注入光通過狹縫后，依次通過準直鏡、分光光柵、成像鏡的反射，最終匯聚到線陣探測器上，其中所述線陣探測器沿其長軸方向左右移動微小距離。
【專利說明】
采用微動探測器陣列提高光譜分辨率的光纖光柵解調系統
技術領域
[0001] 本發明涉及光纖傳感領域，特別涉及一種采用微動探測器陣列提高光譜分辨率的 光纖光柵解調系統及方法。
【背景技術】
[0002] 光纖光柵是一種新型無源傳感元件，具有高靈敏度，抗電磁干擾能力強，耐腐蝕等 諸多優點，自用于傳感以來，已經取得了快速持續的發展，在航空航天、建筑結構、石油等領 域的安全監測方面有著廣闊的應用前景。光纖光柵解調系統是整個傳感系統的關鍵部分， 實現高精度、高分辨率、動態和靜態參量結合、多點復用檢測和低成本是光纖光柵解調技術 發展的趨勢。光纖解調的方法有多種，調諧F-P濾波法只能用于測量靜態應變，可調諧激光 器法的成本非常高，非平衡M-Z干涉法易受環境影響，不利于工程應用。隨著近年來光學探 測器的迅猛發展，使得小型化光纖光譜儀快速發展，基于光譜成像法的光纖解調技術也隨 之發展起來。基于光譜成像法的光纖光柵解調儀體積小，集成化程度高，可用于測量靜態和 動態應變，在眾多解調方法中具有突出優點，是解調系統研究的一個重要方向，其中，解調 儀的光學系統性能直接影響了系統的分辨率，是解調儀的一個關鍵。
[0003] 光柵光譜儀的光學系統結構種類較多，目前應用比較普遍的是Czerny-Turner光 路結構，即以兩面凹面反射鏡分別作為準直鏡和成像鏡，以平面反射光柵作為色散元件。這 一方面是因為平面光柵設計難度低，復制成本低廉，衍射效率高；另一方面是由于Czerny-Turner結構可調節和布置的結構參數較多，可以避免二次或多次衍射，便于采用光電陣列 探測器接收光譜。常見的小型Czerny-Turner光譜儀主要分為交叉型和M型2種結構。M型是 Czerny-Turner光譜儀的經典結構，代表產品是荷蘭Avantes公司研制的Avaspec系列小型 光纖光譜儀;交叉型則是由其演變而來，其結構更緊湊，空間利用率高。然而，由于線陣列圖 像傳感器像素數目有限，光譜空間分辨率受到限制。
[0004] 因此，能否在線陣傳感器像素有限的情況下實現高分辨率光柵波長精確解調，是 本領域亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于提供一種采用微動探測器陣列提高線陣圖像傳感器光譜分辨 率的光纖光柵解調系統，所述解調系統包括栗浦源、波分復用器、布拉格光纖光柵、光闌、狹 縫、準直鏡、分光光柵、成像鏡和線陣探測器、壓電執行元件及電壓控制系統，其中所述栗浦 源、波分復用器和布拉格光纖光柵依次連接，所述波分復用器同時連接光闌，所述栗浦源發 出的光通過波分復用器的親合后進入布拉格光纖光柵，所述布拉格光纖光柵的反射譜作為 注入光進入光纖光柵解調系統，注入光通過狹縫后，依次通過準直鏡、分光光柵、成像鏡的 反射，最終匯聚到線陣探測器上，其中所述線陣探測器沿其長軸方向左右移動微小距離。
[0006] 優選地，所述線陣探測器移動范圍在0-1厘米之間。
[0007] 優選地，所述線陣探測器通過壓電執行元件來高速調整。
[0008] 優選地，所述移動微小距離的方法如下：
[0009] a)壓電執行元件調節至最低端，此電壓為初調電壓；
[0010] b)記錄最低端光譜數據為初始光譜；
[0011] c)小步距調節壓電執行元件，計算當前光譜與初始光譜，所述壓電執行元件為位 置伺服，通過輸入位置指令來控制線陣探測器進行微移動，對入射光的空間位置進行調節， 最終確定光譜成像位置；
[0012] d)首次相關度峰值時的調節電壓記錄為終調電壓；
[0013] e)將初調電壓與終調電壓間等分為若干等級，每次解調均對各等級進行測量，以 獲得更高的空間分辨率。
[0014] 優選地，所述子步驟b)的具體處理過程如下：
[0015] 當有256個像素時，則可以得到256個分段積分值：{IO，11，12，........ 1255}，當 像素沿某一方向微動掃描時，得到另一數列：{IO '，IΓ，12'，........1255'}，將此數列前 去前者，得到：U〇'-IO，II'-Il，12'-12,...... 1255 '-1255，}，SP {G1-G0，G2_G1，G3- G2,......};其中GO表示第0位置的光強真值，Gl表示1位置的光強值;對此數列進行求和， 得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0，......G255-G0}，這樣得到的是第一次微調后的新值，然后是第 二次微調后的新值，如果微調了 N次，就得到N次的插值。
[0016] 應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當 用作對本發明所要求保護內容的限制。
【附圖說明】
[0017] 參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下 描述得以闡明，其中：
[0018] 圖1為根據本發明的提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系統的結構 示意圖；
[0019] 圖2示意性示出了采用狹縫平移提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調 系統的結構示意圖；
[0020] 圖3示意性示出采用準直鏡微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統 的結構示意圖；
[0021] 圖4示意性示出采用微動光柵提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統的 結構示意圖；
[0022] 圖5示意性示出采用成像鏡微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統 的結構示意圖；
[0023] 圖6示意性示出采用線陣探測器微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調 系統的結構示意圖；
[0024] 圖7示意性示出提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統的結構示意圖；
[0025] 圖8示意性示出根據本發明的采用線陣探測器微動掃描提高光譜分辨率的光纖光 柵解調系統提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系統的反饋控制方法的流程 圖；
[0026] 圖9(a)示出了一個光強在空間呈一維高斯曲線分布圖；
[0027] 圖9(b)示出了不調節狹縫時掃描后的多次測量結果插值后的結果圖；
[0028] 圖9(c)示出了調節狹縫時掃描后的多次測量結果插值后的結果圖。
【具體實施方式】
[0029] 圖1為根據本發明的提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系統的結構 示意圖；本發明提供的一種采用線陣探測器微動提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光 柵解調系統100如圖1所示，所述光纖光柵解調系統100包括栗浦源（LD)lOl、波分復用器 (WDM)102、布拉格光纖光柵(FBG) 103、光闌104、狹縫105、分光光柵106、準直鏡107、成像鏡 108和線陣探測器(CXD) 109。栗浦源101、波分復用器102和布拉格光纖光柵103依次連接，波 分復用器102同時連接光闌104。栗浦源101發出的光通過波分復用器102的耦合后進入布拉 格光纖光柵103,布拉格光纖光柵103的反射譜作為注入光進入光纖光柵解調系統。注入光 通過狹縫105后，依次通過準直鏡106、分光光柵107、成像鏡108的反射，最終匯聚到線陣探 測器(CCD) 109上。
[0030] 首先，將栗浦源101、波分復用器102、布拉格光纖光柵103以圖1所示方式熔接，其 中布拉格光纖光柵103應具有較高的反射率以及較窄的線寬。根據本發明的實施方式的波 分復用器(WDM)102、布拉格光纖光柵(FBG)103的參數選擇均需要同栗浦波長、激光出射波 長參數匹配，具體的參數如表1所示。
[0031] 表1根據本發明的解調系統的反射譜光源參數
[0033] 實施方式中若選用芯徑為10/125μπι摻鉺光纖作為增益介質，栗浦源LD尾纖、波分 復用器WDM需選取同樣型號芯徑。栗浦源LD輸出波長976nm，波分復用器WDM工作波長976/ 1550nm，布拉格光纖光柵FBG選取范圍為1530nm-1560nm，可在該范圍內獲得激光輸出。實驗 中若選用芯徑為1〇/125μπι摻鐿光纖作為增益介質，栗浦源LD尾纖、波分復用器WDM需選取同 樣型號芯徑。栗浦源LD為915nm單模輸出，波分復用器WDM工作波長915/1064nm，布拉格光 纖光柵FBG選取1064nm附近，可在該范圍內獲得激光輸出。
[0034] 布拉格光纖光柵103的反射光作為入射光a經過光闌104照射到準直鏡106維持光 束的準直性，然后準直光照射到分光光柵107上進行衍射分光，之后經過成像鏡108,匯聚在 線陣探測器109。
[0035] 分光光柵107可由公式（1)表示
[0036] nA = d(sina土sinP) (1)
[0037]其中η為光譜級，n = 0, ±1，±2. ... ;a為入射角;β為反射角；Θ為閃耀角；d為光柵 常數。
[0038] n = 0為零級光譜，此時，β與λ無關，即無分光作用;n= ±1，±2對應為一級光譜和 二級光譜，其中一級光譜能量強，可用于實現分光。光柵分辨率與波長無關，分離后的光譜 屬于均排光譜，光柵的理論分辨率為光柵刻線數與光譜級次的乘積，可有公式(2)表示
[0039] R = nN (2)
[0040] 對于寬度為50mm，刻線數為1200條/mm的光柵，其一級光譜的分辨率為6 X 104。
[0041] 將布拉格光纖光柵103反射光作為注入光源，這樣減小了入射光的譜寬，在光柵分 辨率確定的條件下能夠獲得更間隔更加精細的干涉條紋。此時對狹縫、光闌、分光光柵、準 直鏡、成像鏡和線陣探測器進行調節，通過輸入位置指令來控制狹縫微移動或控制分光光 柵、準直鏡、成像鏡和線陣探測器的微轉動，對入射光的空間位置進行調節，則入射到成像 鏡的光路發生變化，匯聚到線陣探測器上的條紋也發生相應的變化，最終確定光譜成像位 置。
[0042] 具體地，由以下實施例進行詳細描述。
[0043] 實施例1
[0044] 圖2中（a)示意性示出了采用狹縫平移提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光 柵解調系統的結構示意圖。如圖2中（a)所示，對狹縫105進行調節，使狹縫沿圖示箭頭b方向 移動，狹縫移動步長為0.1微米，調節范圍在0-1厘米之間。狹縫105通過壓電執行元件來高 速調整。壓電執行元件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感器的位置在 最小像素間隔范圍內進行移動。這樣，入射到成像鏡108的光路就會發生變化，匯聚到線陣 探測器109上的條紋也發生相應的變化，光路變化示意圖如圖2中（b)所示。通過調節光纖入 射狹縫的寬度，能夠實現條紋的微小移動，從而達到提高測試精度的作用。
[0045] 實施例2
[0046] 圖3示意性示出采用準直鏡微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統 的結構示意圖。如圖3所示，對準直鏡106進行調節，使準直鏡沿圖示箭頭c方向旋轉，旋轉角 度為逆時針或順時針旋轉10°-30°。準直鏡106通過壓電執行元件來高速調整。壓電執行元 件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感器的位置在最小像素間隔范圍內 進行移動。這樣，入射到成像鏡108的光路就會發生變化，匯聚到線陣探測器109上的條紋也 發生相應的變化。通過調節準直鏡的旋轉角度，能夠實現條紋的微小移動，從而達到提高測 試精度的作用。
[0047] 實施例3
[0048]圖4示意性示出采用微動光柵提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統的 結構示意圖。如圖4所示，對分光光柵107進行調節，使分光光柵沿圖示箭頭d方向旋轉，旋轉 角度為逆時針或順時針旋轉10° _30°。分光光柵107通過壓電執行元件來高速調整。壓電執 行元件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感器的位置在最小像素間隔范 圍內進行移動。這樣，入射到成像鏡108的光路就會發生變化，匯聚到線陣探測器109上的條 紋也發生相應的變化。通過調節分光光柵的旋轉角度，能夠實現條紋的微小移動，從而達到 提高測試精度的作用。
[0049] 實施例4
[0050] 圖5示意性示出采用成像鏡微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統 的結構示意圖。如圖5所示，對成像鏡108進行調節，使分光光柵沿圖示箭頭e方向旋轉，旋轉 角度為逆時針或順時針旋轉10° _30°。成像鏡108通過壓電執行元件來高速調整。壓電執行 元件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感器的位置在最小像素間隔范圍 內進行移動，匯聚到線陣探測器109上的條紋也發生相應的變化。通過調節成像鏡的旋轉角 度，能夠實現條紋的微小移動，從而達到提高測試精度的作用。
[0051 ] 實施例5
[0052]圖6示意性示出采用線陣探測器微調提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調 系統的結構示意圖。如圖5所示，對線陣探測器109進行調節，使分光光柵沿圖示箭頭f方向 左右移動。狹縫移動步長為0.1微米，調節范圍在0-1厘米之間。線陣探測器109通過壓電執 行元件來高速調整。壓電執行元件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感 器的位置在最小像素間隔范圍內進行移動。通過調節線陣探測器的旋轉角度，能夠實現條 紋的微小移動，從而達到提高測試精度的作用。
[0053] 實施例6
[0054]圖7示意性示出提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調系統的結構示意圖。 如圖7所示，對狹縫、光闌、分光光柵、準直鏡、成像鏡和線陣探測器中的至少兩個進行微調， 所述狹縫、光闌、分光光柵、準直鏡、成像鏡和線陣探測器通過壓電執行元件來高速調整。壓 電執行元件通過電壓控制系統來控制，使光譜成像于線陣圖像傳感器的位置在最小像素間 隔范圍內進行移動。通過調節狹縫、光闌、分光光柵、準直鏡、成像鏡和線陣探測器的旋轉角 度，從而達到提高測試精度的作用。
[0055] 圖8示意性示出根據本發明的提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系 統的反饋控制方法的流程圖。具體控制方法如下：
[0056] 首先，步驟801，壓電執行元件調節至最低端，此電壓為初調電壓；
[0057]步驟802，記錄最低端光譜數據為初始光譜；
[0058] 步驟803,小步距調節壓電元件，壓電元件為位置伺服，通過輸入位置指令，分別調 節狹縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器，計算當前光譜與初始光譜。調節高斯圖像 在CCD上的移動距離到達一個像素寬度時，即完成一次掃描，把一次掃描的各次測量數據分 別插值，形成一個更為平滑的曲線。其處理過程是這樣的，像素的輸出是對光強曲線的分段 積分，當有256個像素時，則可以得到256個分段積分值：{IO，11，12，........1255}，當像素 沿某一方向微動掃描時，得到另一數列：{10'，11'，12'，........1255' }，將此數列前去前 者，得到：UO '-IO，Il '-II，12'-12,...... 1255 '-1255，}，BP {G 卜GO，G2-G1，G3- G2,......}。其中GO表示第0位置的光強真值(注意是0位置，而非在像素尺度內的光強積 分），G1表示1位置的光強值。對此數列進行求和，得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0,......G255- G0}，這樣得到的是第一次微調后的新值，然后是第二次微調后的新值，如果微調了 N次，就 得到N次的插值。
[0059]步驟804,首次相關度峰值時的調節電壓記錄為終調電壓；
[0060]步驟805,將初調電壓與終調電壓間等分為若干等級，根據各個等級來確定狹縫的 移動距離或分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器的旋轉角度。
[0061] 步驟806,返回步驟803,每次解調均對各等級進行測量，以獲得更高的空間分辨 率。
[0062] 圖9(a)_9(c)示出了本發明調節狹縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器提 高光譜空間分辨率的原理。圖9(a)示出了光強在空間呈一維高斯曲線分布圖。一個光強在 空間呈一維高斯曲線分布的光束照射到一個CCD傳感器上，CCD的各像素緊密排列，每個像 素相當于一個豎格，如圖9(a)所示，像素的輸出實際是對落在一個像素上的光強總量的積 分。由于離散化過大，導致對圖像分辨率較低，為提高曲線的采樣點數，通過調節狹縫、分光 光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器，來改變高斯曲線在CCD傳感器上的位置，相當于移動 CCD傳感器對曲線的不同位置進行采集。狹縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器的微 調，相當于對傳感器的位置微調，這樣就得到對曲線更加細膩的刻畫。圖9(b)為不調節狹 縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器時掃描后的多次測量結果插值后的結果圖。圖9 (c)為調節狹縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器時掃描后的多次測量結果插值后 的結果圖。由圖9(b)和9(c)可知，調節狹縫、分光光柵、準直鏡、成像鏡或線陣探測器，調節 高斯圖像在CCD上的移動距離到達一個像素寬度時，即完成一次掃描，把一次掃描的各次測 量數據分別插值，形成一個更為平滑的曲線。
[0063] 結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員 都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均 由權利要求所限定。
【主權項】
1. 一種采用微動探測器陣列提高線陣圖像傳感器光譜分辨率的光纖光柵解調系統，所 述解調系統包括栗浦源、波分復用器、布拉格光纖光柵、光闌、狹縫、準直鏡、分光光柵、成像 鏡和線陣探測器、壓電執行元件及電壓控制系統， 其中所述栗浦源、波分復用器和布拉格光纖光柵依次連接，所述波分復用器同時連接 光闌， 所述栗浦源發出的光通過波分復用器的耦合后進入布拉格光纖光柵，所述布拉格光纖 光柵的反射譜作為注入光進入光纖光柵解調系統， 注入光通過狹縫后，依次通過準直鏡、分光光柵、成像鏡的反射，最終匯聚到線陣探測 器上， 其中所述線陣探測器沿其長軸方向左右移動微小距離。2. 如權利要求1所述的光纖光柵解調系統，其中所述線陣探測器移動范圍在0-1厘米之 間。3. 如權利要求2所述的光纖光柵解調系統，其中所述線陣探測器通過壓電執行元件來 高速調整。4. 如權利要求1所述的光纖光柵解調系統，其中所述移動微小距離的方法如下： a) 壓電執行元件調節至最低端，此電壓為初調電壓； b) 記錄最低端光譜數據為初始光譜； c) 小步距調節壓電執行元件，計算當前光譜與初始光譜，所述壓電執行元件為位置伺 月艮，通過輸入位置指令來控制線陣探測器進行微移動，對入射光的空間位置進行調節，最終 確定光譜成像位置； d) 首次相關度峰值時的調節電壓記錄為終調電壓； e) 將初調電壓與終調電壓間等分為若干等級，每次解調均對各等級進行測量，以獲得 更高的空間分辨率。5. 如權利要求4所述的光纖光柵解調系統，其中所述子步驟b)的具體處理過程如下： 當有256個像素時，則可以得到256個分段積分值：{IO，11，12，........ 1255}，當像素 沿某一方向微動掃描時，得到另一數列：{10'，11'，12'，........1255' }，將此數列前去前 者，得到：UO '-IO，Il '-II，12'-12,...... 1255 '-1255，}，BP {G 卜GO，G2-G1，G3- G2,......};其中GO表示第0位置的光強真值，Gl表示1位置的光強值;對此數列進行求和， 得到{G1-G0，G2-G0，G3-G0，......G255-G0}，這樣得到的是第一次微調后的新值，然后是第 二次微調后的新值，如果微調了 N次，就得到N次的插值。
【文檔編號】G01J3/02GK105890759SQ201610200413
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】祝連慶, 何巍, 駱飛, 劉鋒, 婁小平, 李紅
【申請人】北京信息科技大學