[发明专利]采用准直镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别涉及一种采用准直镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统及方法。

背景技术

光纤光栅是一种新型无源传感元件，具有高灵敏度，抗电磁干扰能力强，耐腐蚀等诸多优点，自用于传感以来，已经取得了快速持续的发展，在航空航天、建筑结构、石油等领域的安全监测方面有着广阔的应用前景。光纤光栅解调系统是整个传感系统的关键部分，实现高精度、高分辨率、动态和静态参量结合、多点复用检测和低成本是光纤光栅解调技术发展的趋势。光纤解调的方法有多种，调谐F-P滤波法只能用于测量静态应变，可调谐激光器法的成本非常高，非平衡M-Z干涉法易受环境影响，不利于工程应用。随着近年来光学探测器的迅猛发展，使得小型化光纤光谱仪快速发展，基于光谱成像法的光纤解调技术也随之发展起来。基于光谱成像法的光纤光栅解调仪体积小，集成化程度高，可用于测量静态和动态应变，在众多解调方法中具有突出优点，是解调系统研究的一个重要方向，其中，解调仪的光学系统性能直接影响了系统的分辨率，是解调仪的一个关键。

光栅光谱仪的光学系统结构种类较多，目前应用比较普遍的是Czerny-Turner光路结构，即以两面凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，以平面反射光栅作为色散元件。这一方面是因为平面光栅设计难度低,复制成本低廉，衍射效率高；另一方面是由于Czerny-Turner结构可调节和布置的结构参数较多，可以避免二次或多次衍射，便于采用光电阵列探测器接收光谱。常见的小型Czerny-Turner光谱仪主要分为交叉型和M型2种结构。M型是Czerny-Turner光谱仪的经典结构，代表产品是荷兰Avantes公司研制的Avaspec系列小型光纤光谱仪；交叉型则是由其演变而来，其结构更紧凑，空间利用率高。然而，由于线阵列图像传感器像素数目有限，光谱空间分辨率受到限制。

因此，能否在线阵传感器像素有限的情况下实现高分辨率光栅波长精确解调，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用准直镜微调提高光谱分辨率的光纤光栅解调系统，所述解调系统包括泵浦源、波分复用器、布拉格光纤光栅、光阑、狭缝、准直镜、分光光栅、成像镜和线阵探测器、压电执行元件及电压控制系统，其中所述泵浦源、波分复用器和布拉格光纤光栅依次连接，所述波分复用器同时连接光阑，所述泵浦源发出的光通过波分复用器的耦合后进入布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的反射谱作为注入光进入光纤光栅解调系统，注入光通过狭缝后，依次通过准直镜、分光光栅、成像镜的反射，最终汇聚到线阵探测器上，其中所述准直镜沿逆时针或顺时针旋转微小角度。

优选地，所述微小角度为10°-30°。

优选地，所述准直镜通过压电执行元件来高速调整。

优选地，所述旋转微小角度的方法如下：

a)压电执行元件调节至最低端，此电压为初调电压；

b)记录最低端光谱数据为初始光谱；

c)小步距调节压电执行元件，计算当前光谱与初始光谱，所述压电执行元件为位置伺服，通过输入位置指令来控制准直镜旋转微小角度，对入射光的空间位置进行调节，最终确定光谱成像位置；

d)首次相关度峰值时的调节电压记录为终调电压；

e)将初调电压与终调电压间等分为若干等级，每次解调均对各等级进行测量，以获得更高的空间分辨率。

优选地，所述子步骤b)的具体处理过程如下：

当有256个像素时，则可以得到256个分段积分值：{I0，I1，I2，........I255}，当像素沿某一方向微动扫描时，得到另一数列：{I0’，I1’，I2’，........I255’}，将此数列前去前者，得到：{I0’-I0，I1’-I1，I2’-I2，......I255’-I255，}，即{G1-G0,G2-G1,G3-G2,......}；其中G0表示第0位置的光强真值,G1表示1位置的光强值；对此数列进行求和，得到{G1-G0,G2-G0,G3-G0,......G255-G0}，这样得到的是第一次微调后的新值，然后是第二次微调后的新值，如果微调了N次，就得到N次的插值。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：