[發(fā)明專利]一種提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610200704.2
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105890752B
• 公開（公告）日: 2018-01-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚齊峰;祝連慶;何巍;劉鋒;董明利;婁小平;莊煒;駱飛
• 申請（專利權(quán)）人: 北京信息科技大學
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28;G01J3/45
• 代理公司: 北京律恒立業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 顧珊,陳軼蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及一種提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

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(yōu)點，自用于傳感以來，已經(jīng)取得了快速持續(xù)的發(fā)展，在航空航天、建筑結(jié)構(gòu)、石油等領(lǐng)域的安全監(jiān)測方面有著廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)是整個傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，實現(xiàn)高精度、高分辨率、動態(tài)和靜態(tài)參量結(jié)合、多點復(fù)用檢測和低成本是光纖光柵解調(diào)技術(shù)發(fā)展的趨勢。光纖解調(diào)的方法有多種，調(diào)諧F-P濾波法只能用于測量靜態(tài)應(yīng)變，可調(diào)諧激光器法的成本非常高，非平衡M-Z干涉法易受環(huán)境影響，不利于工程應(yīng)用。隨著近年來光學探測器的迅猛發(fā)展，使得小型化光纖光譜儀快速發(fā)展，基于光譜成像法的光纖解調(diào)技術(shù)也隨之發(fā)展起來。基于光譜成像法的光纖光柵解調(diào)儀體積小，集成化程度高，可用于測量靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變，在眾多解調(diào)方法中具有突出優(yōu)點，是解調(diào)系統(tǒng)研究的一個重要方向，其中，解調(diào)儀的光學系統(tǒng)性能直接影響了系統(tǒng)的分辨率，是解調(diào)儀的一個關(guān)鍵。

光柵光譜儀的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)種類較多，目前應(yīng)用比較普遍的是Czerny-Turner光路結(jié)構(gòu)，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(shè)計難度低,復(fù)制成本低廉，衍射效率高；另一方面是由于Czerny-Turner結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)和布置的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)。M型是Czerny-Turner光譜儀的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，代表產(chǎn)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(jié)構(gòu)更緊湊，空間利用率高。然而，由于線陣列圖像傳感器像素數(shù)目有限，光譜空間分辨率受到限制。

因此，能否在線陣傳感器像素有限的情況下實現(xiàn)高分辨率光柵波長精確解調(diào)，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種提高探測器陣列光譜分辨率的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)，所述解調(diào)系統(tǒng)包括泵浦源、波分復(fù)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(zhí)行元件及電壓控制系統(tǒng)，其中所述泵浦源、波分復(fù)用器和布拉格光纖光柵依次連接，所述波分復(fù)用器同時連接光闌，所述泵浦源發(fā)出的光通過波分復(fù)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(diào)系統(tǒng)，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，其中所述狹縫或線陣探測器能夠沿長軸方向左右移動微小距離，或者所述準直鏡、分光光柵、成像鏡中的任一能夠沿逆時針或順時針旋轉(zhuǎn)微小角度。

優(yōu)選地，至少兩個所述狹縫、準直鏡、分光光柵、成像鏡和線陣探測器在探測過程中移動微小距離或旋轉(zhuǎn)微小角度。

優(yōu)選地，所述微小距離為0-1厘米。

優(yōu)選地，所述微小角度為10°-30°

優(yōu)選地，所述狹縫、準直鏡、分光光柵、成像鏡和線陣探測器通過壓電執(zhí)行元件來高速調(diào)整。

優(yōu)選地，所述旋轉(zhuǎn)微小角度的方法如下：

a)壓電執(zhí)行元件調(diào)節(jié)至最低端，此電壓為初調(diào)電壓；

b)記錄最低端光譜數(shù)據(jù)為初始光譜；

c)小步距調(diào)節(jié)壓電執(zhí)行元件，計算當前光譜與初始光譜，所述壓電執(zhí)行元件為位置伺服，通過輸入位置指令來控制準直鏡、分光光柵、成像鏡旋轉(zhuǎn)微小角度，對入射光的空間位置進行調(diào)節(jié)，最終確定光譜成像位置；

d)首次相關(guān)度峰值時的調(diào)節(jié)電壓記錄為終調(diào)電壓；

e)將初調(diào)電壓與終調(diào)電壓間等分為若干等級，每次解調(diào)均對各等級進行測量，以獲得更高的空間分辨率。

優(yōu)選地，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：{I0，I1，I2，……··I255}，當像素沿某一方向微動掃描時，得到另一數(shù)列：{I0’，I1’，I2’，……··I255’}，將此數(shù)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位置的光強真值,G1表示1位置的光強值；對此數(shù)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(diào)后的新值，然后是第二次微調(diào)后的新值，如果微調(diào)了N次，就得到N次的插值。

優(yōu)選地，所述移動微小距離的方法如下：