一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置及标定方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置及标定方法，本发明所述扫描光源与50/50光耦合器之间、50/50光耦合器与HCN气室之间、HCN气室与光电转换器A之间、50/50光耦合器与偏振控制器之间、偏振控制器与F?P滤波器之间、F?P滤波器与光电转换器B之间，均通过单模光纤连接成通路；所述光电转换器A与I/V转换放大器A之间、I/V转换放大器A与主放大器A之间、主放大器A与数字采集卡之间、光电转换器B与I/V转换放大器B之间、光电转换放大器B与主放大器B之间、主放大器B与模拟数字转换器之间、模拟数字转换器与数字采集卡之间，均通过导线连接成通路；上位机通过电缆与数字采集卡相连通。
【专利说明】
一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置及标定方法
技术领域
[0001] 本发明属于精密仪器技术领域，具体涉及一种用于波长扫描系统的实时波长标定 装置及标定方法。
【背景技术】
[0002] 在光纤通讯系统中随着波分复用技术(WDM)的发展，在增加传输信号带宽的同时， 也使得传输信道的间隔越来越窄，为了避免各个信道之间的信号发生串扰，从而影响传输 信号的质量，需要对信道内传输的信号进行有效的监测，为了提高监测的准确度，需要对进 行监测的仪器设备的波长进行校准。基于光纤布拉格光栅反射峰的波长移动的光纤传感 器，对波长精度的要求也比较高，为了提高光纤传感器的测量精度，需要对传感器的波长进 行校准。可调激光器的输出波长由于受到自身以及环境干扰，输出的波长与理论设定的波 长可能存在差距，需要进行波长校准提高可调激光器输出波长的准确度。
【发明内容】
[0003] 本发明针对可调激光器的输出波长由于受到自身以及环境干扰，输出的波长与理 论设定的波长可能存在差距，需要进行波长校准提高可调激光器输出波长的准确度，进而 提供一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置及标定方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] -种用于波长扫描系统的实时波长标定装置，包括扫描光源、50/50光耦合器、HCN 气室、光电转换器A、I/V转换放大器A、主放大器A、数字米集卡、上位机、模拟数字转换器、主 放大器B、I/V转换放大器B、光电转换器B、F-P滤波器和偏振控制器；
[0006] 所述扫描光源与50/50光耦合器之间、50/50光耦合器与HCN气室之间、HCN气室与 光电转换器A之间、50/50光親合器与偏振控制器之间、偏振控制器与F-P滤波器之间、F-P滤 波器与光电转换器B之间，均通过单模光纤连接成通路；
[0007] 所述光电转换器A与I/V转换放大器A之间、I/V转换放大器A与主放大器A之间、主 放大器A与数字采集卡之间、光电转换器B与I/V转换放大器B之间、光电转换放大器B与主放 大器B之间、主放大器B与模拟数字转换器之间、模拟数字转换器与数字采集卡之间，均通过 导线连接成通路;上位机通过电缆与数字采集卡相连通。
[0008] -种用于波长扫描系统的实时波长标定方法，步骤如下：
[0009] 步骤(一）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据采集过程，包括:扫描光 源发出的光的波长位于1525nm~1565nm之间，扫描光源发出的光被50/50光親合器分成光 强相等的两束光信号，其中一束光信号经过HCN气室，光信号在HCN气室内被气体分子吸收， 被吸收之后的光信号经过光电转换器A转换为电流，光电转换器A(H)输出的电流经过I/V 转换放大器A转换为电压，主放大器A对I/V转换放大器A输出的电压信号进行放大，通过调 节数字采集卡的采样率对电压放大的模拟信号进行采集;另外一束光信号在进入自由光谱 范围Ipm的F-P滤波器进行滤波之前先要经过一个偏振控制器，偏振控制器对经过F-P滤波 器的光信号的偏振态进行调节，使通过F-P滤波器滤波之后的输出信号的光功率达到最大 值，经过F-P滤波器滤波之后的光信号经过光电转换器B转换为电流，通过I/V转换放大器B 转换为电压，用主放大器B对I/V转换放大器B转换的电压进行放大，用模拟数字转换器将放 大的模拟电压信号转换为数字脉冲，模拟数字转换器将经过主放大器B放大的模拟电压信 号转换为数字脉冲，之后用数字采集卡对数字脉冲进行计数；以上两路信号的处理过程是 同时进行的，数字采集卡最终将采集的数据传输给上位机；
[0010] 步骤(二）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据处理过程，包括:对经过 HCN气室后采集的数据进行处理，首先对采集的数据进行拟合处理，拟合出HCN气体吸收谱 线的各个衰减峰，采用Voigt曲线对HCN气体吸收谱线的各个衰减峰进行拟合，对经过F-P滤 波器后采集的数据进行处理，F-P滤波器的自由光谱范围为lpm，经过F-P滤波器滤波之后信 号各个峰值的间隔为lpm，由于F-P的各个波峰的线宽比较窄，通过模拟数字转换器，将模拟 信号转换为数字脉冲，通过计数的方式查找各个峰值所对应的时间；已知上述两路信号的 数据采集过程是同时进行的，说明经过上述两路的信号波长在时间上是一致的，通过在HCN 气体吸收谱线相邻两个衰减峰之间插入F-P滤波之后的峰值谱线，找到与HCN气体吸收谱线 的第一个衰减峰中心位置相邻近的F-P滤波的峰值，将该HCN气体吸收谱线衰减峰所对应的 中心波长赋值给邻近的F-P滤波的峰值，已知该F-P滤波峰值所对应的绝对波长值，之后的 F-P滤波峰值依次在该F-P滤波峰值的基础上增加 Ipm的相对波长，通过该方式可以将实时 波长标定的准确度提高到± lpm。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] 1、采用HCN气室和F-P滤波相结合的方式，在HCN气室标定的两个相邻的绝对波长 之间插入间隔为Ipm的相对波长，将波长标定的准确度提高到± Ipm。
[0013] 2、在对F-P滤波之后的信号进行数字采集之前，采用模拟数字转换的方式，将模拟 信号转换为数脉冲，通过采用计数的方式，确定F-P滤波之后各个峰值曲线对应的采样时 间，提高了 F-P滤波器标定的实时相对波长的准确度。
【附图说明】
[0014]图1为一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置的结构示意图。
[0015]图2为模拟数字转换器工作原理图。
[0016]图3为一种用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据处理过程图。
[0017] 图4为归一化后的HCN气体吸收谱线标准谱线图。
[0018] 图5为一种用于波长扫描系统的实时波长标定方法的工作过程图。
[0019]图中的附图标记：11为扫描光源，12为50/50光耦合器，13为HCN气室，14为光电转 换器A，15为I/V转换器A，16为主放大器A，17为数字采集卡，18为上位机，19为模拟数字转换 器，110为主放大器B，111为I/V转换器B，112为光电转换器B，113为F-P滤波器，114为偏振控 制器，21为经F-P滤波之后的模拟信号，22为F-P滤波之后的模拟信号经模拟数字转换器输 出的数字脉冲信号，31为与HCN第一个衰减峰邻近的F-P滤波峰值，32为HCN气体吸收谱线相 邻两个衰减峰之间插入的F-P滤波峰值，33为拟合的HCN气体吸收谱的相邻两个衰减峰。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0021] 如图1所示，本实施例所涉及的一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置，包括 扫描光源（11)、50/50光耦合器（12)、耶1^气室（13)、光电转换器4(14)、1八转换放大器八 (15)、主放大器A( 16)、数字采集卡（17)、上位机（18)、模拟数字转换器（19)、主放大器B (110) 、I/V转换放大器B(Ill)、光电转换器B(112)、F-P滤波器(113)和偏振控制器(114); [0022] 所述扫描光源（11)与50/50光耦合器（12)之间、50/50光耦合器（12)与HCN气室 (13)之间、HCN气室（13)与光电转换器A(H)之间、50/50光耦合器（12)与偏振控制器（114) 之间、偏振控制器（114)与F-P滤波器（113)之间、F-P滤波器（113)与光电转换器B(112)之 间，均通过单模光纤连接成通路；
[0023] 所述光电转换器A(H)与I/V转换放大器A(15)之间、I/V转换放大器A(15)与主放 大器A(16)之间、主放大器A(16)与数字采集卡（17)之间、光电转换器B(112)与I/V转换放大 器B(Ill)之间、光电转换放大器B(Ill)与主放大器B(IlO)之间、主放大器B(IlO)与模拟数 字转换器(19)之间、模拟数字转换器(19)与数字采集卡(17)之间，均通过导线连接成通路；
[0024] 上位机(18)通过电缆与数字采集卡(17)相连通。
[0025] 如图2~图5所示，本实施例所涉及的一种用于波长扫描系统的实时波长标定方 法，步骤如下：
[0026] 步骤(一）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据采集过程，包括:扫描光 源（11)发出的光的波长位于1525nm~1565nm之间，扫描光源（11)以一定的扫描速率输出连 续波长的光，扫描光源（11)发出的光被50/50光親合器(12)分成光强相等的两束光信号，其 中一束光信号经过HCN气室（13)，光信号在HCN气室（13)内被气体分子吸收，被吸收之后的 光信号经过光电转换器A(H)转换为电流，光电转换器A(H)输出的电流经过I/V转换放大 器A( 15)转换为电压，主放大器A( 16)主要是对I/V转换放大器A( 15)输出的电压信号进行放 大，通过调节数字采集卡（17)的采样率对电压放大的模拟信号进行采集。由于F-P滤波器 (113)是一个对偏振敏感的器件，另外一束光信号在进入自由光谱范围Ipm的F-P滤波器 (113)进行滤波之前先要经过一个偏振控制器（114)，偏振控制器（114)的主要功能是对经 过F-P滤波器(113)的光信号的偏振态进行调节，使通过F-P滤波器(113)滤波之后的输出信 号的光功率达到最大值，经过F-P滤波器(113)滤波之后的光信号经过光电转换器B(112)转 换为电流，通过I/V转换放大器B(Ill)转换为电压，用主放大器B(IlO)对I/V转换放大器B (111) 转换的电压进行放大，用模拟数字转换器（19)将放大的模拟电压信号转换为数字脉 冲，具体的转换过程如图2所示，模拟数字转换器（19)的主要功能是将经过主放大器B(IlO) 放大的模拟电压信号(21)转换为数字脉冲(22 )，之后用数字采集卡（17)对数字脉冲(22)进 行计数。以上两路信号的处理过程是同时进行的，数字采集卡最终将采集的数据传输给上 位机(18)。
[0027] 步骤(二）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据处理过程，其包括:对经 过HCN气室后采集的数据进行处理，根据HCN气室的功能可知，HCN气体分子只对特定波长的 光信号能量进行吸收，并且不同波长位置光功率衰减的程度不同，图4给出经过HCN气室后， 光功率下降的波长位置以及归一化后的下降程度，图中将气体吸收之后的各个衰减峰进行 了编号，并且分为R和P两个部分，各个衰减峰中心所对应的波长可以通过查表1获得，
[0030]根据HCN气室的该功能，首先需要对采集的数据进行拟合处理，拟合出HCN气体吸 收谱线的各个衰减峰，采用Voigt曲线对HCN气体吸收谱线的各个衰减峰进行拟合，将拟合 之后的衰减峰与图4中的气体吸收谱线进行对比，找到相应衰减峰所对应的编号，通过查表 1即可知道该衰减峰中心所对应的波长，通过查找衰减峰中心所对应的采样点，根据采样率 可知该采样点所对应的采样时间，已知衰减峰中心所对应的波长和采样时间，即可实现对 扫描光源（11)进行实时标定。对经过F-P滤波器后采集的数据进行处理，F-P滤波器的自由 光谱范围为lpm，经过F-P滤波器滤波之后信号各个峰值的间隔为lpm，由于F-P的各个波峰 的线宽比较窄，可以通过模拟数字转换器，将模拟信号转换为数字脉冲，通过计数的方式查 找各个峰值所对应的时间。已知上述两路信号的数据采集过程是同时进行的，说明经过上 述两路的信号波长在时间上是一致的，通过在HCN气体吸收谱线相邻两个衰减峰(33)之间 插入F-P滤波之后的峰值谱线(32)，找到与HCN气体吸收谱线的第一个衰减峰中心位置相邻 近的F-P滤波的峰值，将该HCN气体吸收谱线衰减峰所对应的中心波长赋值给邻近的F-P滤 波的峰值，已知该F-P滤波峰值所对应的绝对波长值，之后的F-P滤波峰值依次在该F-P滤波 峰值的基础上增加 Ipm的相对波长，通过该方式可以将实时波长标定的准确度提高到± lpm。用于波长扫描系统的实时波长标定装置的工作过程如图5所示，通过HCN气室和F-P滤 波相结合的方式，可以得到间隔为Ipm的实时绝对波长值，通过将得到的时间和波长相对应 的各个点绘制到以时间为横坐标，绝对波长为纵坐标的平面坐标系中，用折线将图中的各 个点连接起来，具体过程如图5所示，从图中可以看出扫描光源（11)输出的实时绝对波长 值。
[0031]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，这些【具体实施方式】都是基于本发明 整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域 的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种用于波长扫描系统的实时波长标定装置，包括扫描光源（11)、50/50光耦合器 (12)、HCN气室（13)、光电转换器A(14)、I/V转换放大器A(15)、主放大器A(16)、数字采集卡 (17)、上位机（18)、模拟数字转换器（19)、主放大器B(IlO)、I/V转换放大器B(Ill)、光电转 换器B (112 )、F-P滤波器(113)和偏振控制器(114);其特征在于， 所述扫描光源（I 1)与50/50光耦合器（12)之间、50/50光耦合器（12)与HCN气室（13)之 间、HCN气室（13)与光电转换器A (14)之间、50/50光耦合器（12)与偏振控制器（114)之间、偏 振控制器（114)与F-P滤波器（113)之间、F-P滤波器（113)与光电转换器B(112)之间，均通过 单模光纤连接成通路； 所述光电转换器A(H)与I/V转换放大器A(15)之间、I/V转换放大器A(15)与主放大器A (16)之间、主放大器A(16)与数字采集卡（17)之间、光电转换器B(112)与I/V转换放大器B (111)之间、光电转换放大器B (111)与主放大器B (110)之间、主放大器B (110)与模拟数字转 换器(19)之间、模拟数字转换器(19)与数字采集卡(17)之间，均通过导线连接成通路； 上位机(18)通过电缆与数字采集卡（17)相连通。2. -种使用权利要求1的用于波长扫描系统的实时波长标定装置的标定方法，其特征 在于， 步骤（一）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据采集过程，包括：扫描光源 (11) 发出的光的波长位于1525nm~1565nm之间，扫描光源（11)发出的光被50/50光親合器 (12) 分成光强相等的两束光信号，其中一束光信号经过HCN气室（13)，光信号在HCN气室 (13) 内被气体分子吸收，被吸收之后的光信号经过光电转换器A(H)转换为电流，光电转换 器A (14)输出的电流经过I /V转换放大器A (15)转换为电压，主放大器A (16)对I /V转换放大 器A(15)输出的电压信号进行放大，通过调节数字采集卡（17)的采样率对电压放大的模拟 信号进行采集;另外一束光信号在进入自由光谱范围Ipm的F-P滤波器（113)进行滤波之前 先要经过一个偏振控制器(114)，偏振控制器(114)对经过F-P滤波器(113)的光信号的偏振 态进行调节，使通过F-P滤波器(113)滤波之后的输出信号的光功率达到最大值，经过F-P滤 波器（113)滤波之后的光信号经过光电转换器B(112)转换为电流，通过I/V转换放大器B (111)转换为电压，用主放大器B(IlO)对I/V转换放大器B(Ill)转换的电压进行放大，用模 拟数字转换器(19)将放大的模拟电压信号转换为数字脉冲，模拟数字转换器（19)将经过主 放大器B(IlO)放大的模拟电压信号(21)转换为数字脉冲(22)，之后用数字采集卡（17)对数 字脉冲（22)进行计数；以上两路信号的处理过程是同时进行的，数字采集卡最终将采集的 数据传输给上位机(18); 步骤(二）、用于波长扫描系统的实时波长标定方法的数据处理过程，包括:对经过HCN 气室后采集的数据进行处理，首先对采集的数据进行拟合处理，拟合出HCN气体吸收谱线的 各个衰减峰，采用Voigt曲线对HCN气体吸收谱线的各个衰减峰进行拟合，对经过F-P滤波器 后采集的数据进行处理，F-P滤波器的自由光谱范围为lpm，经过F-P滤波器滤波之后信号各 个峰值的间隔为lpm，由于F-P的各个波峰的线宽比较窄，通过模拟数字转换器，将模拟信号 转换为数字脉冲，通过计数的方式查找各个峰值所对应的时间；已知上述两路信号的数据 采集过程是同时进行的，说明经过上述两路的信号波长在时间上是一致的，通过在HCN气体 吸收谱线相邻两个衰减峰(33)之间插入F-P滤波之后的峰值谱线(32 )，找到与HCN气体吸收 谱线的第一个衰减峰中心位置相邻近的F-P滤波的峰值，将该HCN气体吸收谱线衰减峰所对 应的中心波长赋值给邻近的F-P滤波的峰值，已知该F-P滤波峰值所对应的绝对波长值，之 后的F-P滤波峰值依次在该F-P滤波峰值的基础上增加 Ipm的相对波长，通过该方式可以将 实时波长标定的准确度提高到± lpm。3.根据权利要求2所述的用于波长扫描系统的实时波长标定方法，其特征在于，用步骤 (一）中的模拟数字转换器（19)将模拟信号（21)转换为数字脉冲（22);取F-P滤波峰值中间 位置所对应的电压为标准，当数字采集的电压低于该电压时，电平设置为〇,高于该电压时， 电平设置为1。
【文档编号】G01J9/00GK105890779SQ201610415819
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】崔继文, 姜雪林, 冯昆鹏, 党竑, 赵士元, 谭久彬
【申请人】哈尔滨工业大学