本發(fā)明屬于傳感器標(biāo)定的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光頻域反射原理的啁啾光柵的標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

爆轟波是一種帶有高速化學(xué)反應(yīng)區(qū)的、在炸藥中傳播的一種強(qiáng)沖擊波，爆轟波的速度簡稱爆速，一般可達(dá)數(shù)千米每秒，是炸藥重要的特性參數(shù)之一，對研究炸藥性能、爆炸過程中能量傳遞等有重要意義。

爆速的測量可以采用啁啾光柵法，啁啾光柵(cfbg)屬于光纖傳感器的一種。利用啁啾光柵測爆轟波速度時(shí)，爆轟波作用在啁啾光柵上，使光柵的長度減小，返回信號(hào)光強(qiáng)減弱，利用此現(xiàn)象可以測量爆轟波的連續(xù)速度。

為了求解速度，需要對啁啾光柵的長度進(jìn)行標(biāo)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后求得的速度的精度。

目前常用的啁啾光柵的標(biāo)定方法有兩種，第一種是切割法，取同一批光柵中的一根進(jìn)行切割，通過記錄每次的切割位置和返回的光強(qiáng)大小，來得到啁啾光柵的長度。但是這種方法存在一個(gè)致命的缺陷，那就是此標(biāo)定是破壞性的，標(biāo)定完后光柵也毀壞了，無法繼續(xù)使用，另外，此方法是把同一批的光柵視作完全一樣，但是實(shí)際上雖然是同一批光柵，個(gè)體之間仍然存在差異。第二種是熱探針法，該方法采用光譜儀觀察啁啾光柵的反射譜，當(dāng)用熱探針接觸光柵柵區(qū)，接觸部位對應(yīng)的反射譜上的位置會(huì)產(chǎn)生凹陷，當(dāng)熱探針移除后，凹陷消失，恢復(fù)原狀，記錄探針的一系列接觸位置和對應(yīng)光譜儀上啁啾光柵反射譜下凹位置的波長數(shù)據(jù)，通過對波長數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可得到啁啾光柵長度和波長的線性關(guān)系以及總長度，該方法雖然不會(huì)對光柵造成不可恢復(fù)的損害，但人工標(biāo)定過程中容易產(chǎn)生較大誤差，這會(huì)直接引起高速爆轟波速度測量誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種基于光頻域反射原理的啁啾光柵的標(biāo)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(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定，是一種全新的標(biāo)定方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于光頻域反射原理的啁啾光柵的標(biāo)定裝置，該裝置由可調(diào)諧窄帶激光器作為光源，兩個(gè)邁克爾遜干涉儀分別作為主干涉儀和輔助干涉儀，采用光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，采集系統(tǒng)由光源掃描觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集，輔助干涉儀返回的干涉信號(hào)作為系統(tǒng)采樣時(shí)鐘；

所述可調(diào)諧窄帶激光器用于提供線性掃描光，由耦合器分光進(jìn)入主干涉儀和輔助干涉儀，是該裝置實(shí)現(xiàn)差頻干涉的基礎(chǔ)；

所述掃描觸發(fā)信號(hào)為ttl電平脈沖信號(hào)，其在掃描開始以及之后每隔固定波長進(jìn)行觸發(fā)，其作用是觸發(fā)采集系統(tǒng)開始采集和確定不同波長區(qū)間對應(yīng)的時(shí)域信號(hào)；

所述主干涉儀為邁克爾遜干涉儀，由第二1:1耦合器、兩個(gè)主干涉儀干涉臂、一個(gè)光纖反射鏡組成，掃頻激光從第二1:1耦合器的端口進(jìn)入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器將光分成兩束進(jìn)入兩干涉臂，兩干涉臂為主干涉儀參考臂(11)和主干涉儀傳感臂(13)，主干涉儀參考臂末端接有光纖反射鏡將光返回，主干涉儀傳感臂上連有啁啾光柵，光柵返回對應(yīng)波長的激光，兩干涉臂返回光在第二1:1耦合器中發(fā)生差頻干涉后由第二1:1耦合器的端口輸出進(jìn)入第一光電探測器，第一光電探測器輸出電信號(hào)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集；

所述輔助干涉儀為邁克爾遜干涉儀，由第一1:1耦合器、兩個(gè)輔助干涉儀干涉臂和兩個(gè)光纖反射鏡組成，掃頻激光從第一1:1耦合器的端口進(jìn)入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器將光分成兩束進(jìn)入兩輔助干涉儀干涉臂，兩輔助干涉儀干涉臂末端都接有光纖反射鏡，兩束光分別被反射鏡返回并在第一1:1耦合器中發(fā)生差頻干涉后由第一1:1耦合器的端口輸出進(jìn)入第二光電探測器，第二光電探測器輸出信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為采樣時(shí)鐘信號(hào)，所述差頻干涉信號(hào)與邁克爾遜兩輔助干涉儀干涉臂臂長差成正比關(guān)系，由奈奎斯特定理知采樣頻率必須等于或大于信號(hào)頻率的兩倍，因此輔助干涉儀臂長差須等于或大于主干涉儀臂長差的兩倍；

所述輔助干涉儀返回的差頻干涉光反映了激光器掃頻光頻率的非線性變化，其作為該裝置的采樣時(shí)鐘可以修正光源的掃頻非線性。

其中，該裝置采用邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干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(yīng)對激光偏振態(tài)的影響，從而消除由偏振態(tài)變化導(dǎo)致干涉信號(hào)的衰減。

本發(fā)明還提供一種基于光頻域反射原理的啁啾光柵的標(biāo)定方法，該方法步驟如下：

步驟1：可調(diào)諧窄帶激光器發(fā)出線性掃描激光，掃描開始時(shí)發(fā)出掃描觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃頻光進(jìn)入95:5耦合器，其中5％的光進(jìn)入輔助干涉儀，95％的光進(jìn)入主干涉儀；

步驟2：輔助干涉儀返回的差頻干涉光由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出作為信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘；

步驟3：主干涉儀返回的干涉信號(hào)作為傳感信號(hào)被采集系統(tǒng)采集，其包含被測啁啾光柵的波長和位置信息；

步驟4：采集系統(tǒng)對掃描觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集，其在激光器掃描開始及之后每隔固定波長發(fā)出ttl脈沖電平，可以通過它確定不同波長區(qū)間對應(yīng)的干涉信號(hào)；

步驟5：對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到啁啾光柵波長和位置的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)啁啾光柵標(biāo)定。

其中，采用光頻域反射技術(shù)，激光器波長掃描范圍覆蓋啁啾光柵波長范圍，不同波長區(qū)間的差頻干涉信號(hào)包含該波長區(qū)間在啁啾光柵的位置信息，通過對各波長區(qū)間信號(hào)解調(diào)可以得到啁啾光柵波長分布，也可直接標(biāo)定出啁啾光柵柵區(qū)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明可以在非接觸條件下對啁啾光柵各波長-位置信息進(jìn)行標(biāo)定，可以通過擬合得到波長-位置的線性關(guān)系，也可以直接標(biāo)定出光柵柵區(qū)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，標(biāo)定過程不會(huì)對光柵造成任何損傷，而且操作簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，沒有復(fù)雜的工序，是一種新型啁啾光柵標(biāo)定方法。

附圖說明

圖1是基于光頻域反射原理標(biāo)定啁啾光柵系統(tǒng)圖；

圖中：1、可調(diào)諧窄帶激光器；

2、95:5耦合器；

3、第一1:1耦合器；

4、輔助干涉儀第一干涉臂；

5、第一光纖反射鏡；

6、輔助干涉儀第二干涉臂；

7、第二光纖反射鏡；

8、第一光電探測器；

9、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

10、第二1:1耦合器；

11、主干涉儀參考臂；

12、第三光纖反射鏡；

13、主干涉儀傳感臂；

14、啁啾光柵；

15、第二光電探測器；

16、計(jì)算機(jī)；

17、激光器掃描觸發(fā)信號(hào)；

18、輔助干涉儀；

19、主干涉儀。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便更好地理解本發(fā)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

本發(fā)明中啁啾光柵標(biāo)定方法配套裝置如圖1所示，可調(diào)諧窄帶激光器1發(fā)出掃頻激光進(jìn)入一個(gè)95:5耦合器2，耦合器將光分成兩束，5％的光進(jìn)入輔助干涉儀18，輔助干涉儀輸出的拍頻干涉進(jìn)入第一光電探測器8轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9的采樣參考時(shí)鐘；另外95％的光進(jìn)入主干涉儀19，主干涉儀返回的干涉光作進(jìn)入第二光電探測器15轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被采集系統(tǒng)采集，再用計(jì)算機(jī)16進(jìn)行處理得到啁啾光柵的波長和位置關(guān)系。

激光器掃描觸發(fā)信號(hào)17在掃頻光源開始掃描及之后每隔固定波長輸出一個(gè)脈沖電平，其作用有二，一是在掃描開始時(shí)觸發(fā)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，二是將時(shí)域信號(hào)序列與掃描波長對應(yīng)。

所述主干涉儀19為邁克爾遜干涉儀，由第二1:1耦合器10、主干涉儀參考臂11、第三光纖反射鏡12、主干涉儀傳感臂13和啁啾光柵14組成。掃頻激光從第二1:1耦合器的端口10a進(jìn)入第二1:1耦合器，第二1:1耦合器將光分成兩束進(jìn)入兩干涉臂，主干涉儀參考臂11末端接有光纖反射鏡將光返回，主干涉儀傳感臂13上連有啁啾光柵14，光柵返回對應(yīng)波長的掃頻光，兩臂返回光在耦合器中發(fā)生差頻干涉后由第二1:1耦合器的端口10b輸出進(jìn)入第二光電探測器15，光電探測器輸出電信號(hào)被采集系統(tǒng)采集，輸出信號(hào)中包含了啁啾光柵的波長、位置信息。

所述輔助干涉儀18為邁克爾遜干涉儀，由第一1:1耦合器3、輔助干涉儀第一干涉臂4、輔助干涉儀第二干涉臂6、第一光纖反射鏡5、第二光纖反射鏡7組成。掃頻激光從第一1:1耦合器的端口3a進(jìn)入第一1:1耦合器，第一1:1耦合器將光分成兩束分別進(jìn)入輔助干涉儀第一干涉臂4和輔助干涉儀第二干涉臂6，輔助干涉儀第一干涉臂4和輔助干涉儀第二干涉臂6每個(gè)干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返回并在第一1:1耦合器中發(fā)生差頻干涉后由第一1:1耦合器的端口3b輸出進(jìn)入第一光電探測器8，第一光電探測器輸出信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9作為采樣時(shí)鐘信號(hào)。所述差頻干涉信號(hào)與邁克爾遜的輔助干涉儀第一干涉臂4和輔助干涉儀第二干涉臂6的臂長差成正比關(guān)系，由奈奎斯特定理知采樣頻率必須等于或大于信號(hào)頻率的兩倍，因此輔助干涉儀臂長差須等于或大于主干涉儀臂長差的兩倍。

本發(fā)明在實(shí)際使用時(shí)包含以下步驟：

步驟1：可調(diào)諧窄帶激光器1發(fā)出線性掃描激光，掃描開始時(shí)發(fā)出激光器掃描觸發(fā)信號(hào)17觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掃頻光進(jìn)入95:5耦合器2，其中5％的光進(jìn)入輔助干涉儀18，95％的光進(jìn)入主干涉儀19。

步驟2：輔助干涉儀返回的差頻干涉光由第一光電探測器8轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9的采樣時(shí)鐘。

步驟3：主干涉儀返回的干涉信號(hào)作為傳感信號(hào)被采集系統(tǒng)采集，其包含被測啁啾光柵(14)的波長和位置信息。

步驟4：采集系統(tǒng)對激光器掃描觸發(fā)信號(hào)17進(jìn)行采集，其在激光器掃描開始及之后每隔固定波長發(fā)出ttl脈沖電平，可以通過它確定不同波長區(qū)間對應(yīng)的干涉信號(hào)。

步驟5：用計(jì)算機(jī)16對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到啁啾光柵波長和位置的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)啁啾光柵標(biāo)定。

可調(diào)諧激光器為波長線性掃描，掃描范圍為δλ，其掃描關(guān)系式為：

λ(t)＝λ0+γ×t(1)

其中，λ(t)為實(shí)時(shí)波長，λ0為初始波長，γ為激光器掃描速率，t為時(shí)間。

由激光器掃描觸發(fā)信號(hào)17可將δλ均分為k份，設(shè)第i份波長范圍為δλi，對應(yīng)的時(shí)域數(shù)據(jù)為δni，再對δni進(jìn)行fft變換得到頻域數(shù)據(jù)，則有：

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

盡管上面對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。