本文基于F-P 濾波器設計了一種微型光纖光譜儀， 運用了FBG 的反射信號作為波長的丈量基準，對

F-P 濾波器的輸出波出息行了校準。研討了FBG 反射信號波長的準確測定辦法，將參考信號波峰功率降落6dB，選取信號波峰兩側的特征點，取這兩個特征點的中點作為該參考信號的波長。比照計算結果標明，參考信號波長有較好的波長穩定性。該辦法操作過程煩瑣，計算工作量小，具有較強的適用性。

1.1 系統構造及工作原理

基于F-P 濾波器的微型光纖光譜儀構造圖如圖1所示。一路光信號來自內部寬帶光源發出的寬帶激

光，經FBG 反射后成為參考信號，經過耦合器2 進入F-P 濾波器停止波長解析， 輸出的光信號由光電探測器轉換為電信號，被微處置器控制的ADC 采樣模塊停止數據采集。另一路光信號是外部的待測信號，由光開關控制后同樣經耦合器2 進入F-P 濾波器停止波長解析，被微處置器的ADC 采樣模塊采集為一系列數據。在系統工作時，經過合理控制寬帶光源激光器和光開關的開閉次第，完成參考信號和待測信號依次分時經過F-P 濾波器， 掃描兩次F-P 濾波器，ADC 模塊停止兩次相應的采樣從而完成一次計量過程。

在第一個掃描周期內只讓參考信號經過F-P 濾波器，經過ADC 模塊同步采樣后得到一組包含采樣點

數（對應于掃描電壓）與波長信息的數據，依據已知的參考信號波長值能夠推算出各采樣點處的波長值，以此作為橫坐標數組。在第二個掃描周期內只讓待測信號經過F-P 濾波器， 同樣經過ADC 同步采樣和計算后得到待測信號各采樣點對應的光功率值，以此作為縱坐標數組。經過這兩組數據作出“波長值-光功率”散布圖即可得到待測信號的光譜圖。

1.2 F-P 濾波器的校準原理

本系統的中心光器件F-P 濾波器采用MicronOptics 公司的FFP-TF2 濾波器， 它的自在光譜（FSR）

為1520 ～1620nm （C&L 波段），3dB 帶寬為0.05nm。依據該濾波器在高波長段非線性比擬嚴重的特性，本計劃在L 波段和C 波段分別插入7 根和3 根FBG 以取得參考信號，它們的中心波長標稱值分別是1522 ±0.5nm、1537 ±0.5nm、1552 ±0.5nm、1567 ±0.5nm、1577 ±0.5nm、1587 0.5nm、1592 ±0.5nm、1597 ±0.5nm、1602±0.5nm 和1607±0.5nm。在F-P 濾波器第一個掃描周期內，這10 個參考信號的采樣結果如圖2 所示。

圖2 中，橫軸為采樣點數，對應于依次線性遞增的F-P 濾波器掃描電壓，F-P 濾波器在每個掃描電壓時辰輸出不同波長的光； 縱軸為該光信號的12 位ADC 采樣值。依據硬件采樣電路的設計原理能夠推導出ADC 采樣值D 與光功率P（dBm）的關系：P=0.024×D-90.969 （1）由式（1）可得到光譜圖縱坐標的信號光功率。依據F-P 濾波器在較小驅動電壓范圍內驅動電壓與輸出波長值成近似線性關系的特性，設兩個參考信號的波長分別為λ1、λ2，對應的采樣點數為s1、s2,則采樣點s1、s2

之間恣意一點si對應的波長λi（nm）為：λi=λ2-λ1s2-s1×(si-s1)+λ1 （2）分段計算出F-P 濾波器在整個FSR 范圍內各處掃描電壓對應的輸出波長值，從而完成橫坐標從采樣點數到波長值的轉換。此波長值的轉換精密水平將直接影響微型光譜儀的波長分辨精度，其決議要素主要包括兩方面： ①插入的參考信號數量能否足夠密集，能最大水平地迫近F-P 濾波器的波長輸出特性；②參考信號FBG 波長值的測定辦法能否穩定牢靠，確保微型光譜儀內程序算法運用的參考信號波長值堅持穩定，且能與外部儀器（如臺式光譜儀）的準確計量值堅持較好的分歧性。

2 參考信號波長值的測定辦法

由式（2）的波長值坐標轉換原理可知，微型光譜儀在程序計算過程中用到的參考信號波長值必需能穩定地表征相應的參考信號，并且它的程序計算辦法能夠在外部復現，以確保程序運用的波長值與外部臺式光譜儀的準確丈量值堅持分歧。最煩瑣的操作辦法就是尋覓波峰， 即先在臺式光譜儀上丈量出10 個參考信號的光功率峰值，記載相應的波長為λ0，λ1,…,λ10，再在微型光譜儀的程序算法中尋覓參考信號采樣序列的部分最大值（即各信號的光功率峰值），那么各相應采樣點數對應的波長就能夠運用λ0，λ1,…,λ10。FBG 的反射光譜是一種近似高斯散布的信號，理論上其信號波峰值就是它的中心波長值[4]，當FBG 遭到外部溫度和壓力的影響惹起形變時，反射信號波形發作整體挪動，其中心波長值也隨之改動。此外，FBG反射信號的波峰值還容易受系統噪聲影響而發作動搖，但此時整體波形根本不變。因而，以尋覓波峰值的辦法來肯定FBG 波長值將招致系統基準信號不肯定。應用高斯擬合和多項式擬合計算FBG 中心波長[5]又會呈現數據準備操作過程復雜、算法計算工作量較大和不便于在嵌入式系統上完成的問題。本文將FBG 置于恒溫盒中，以消弭環境溫度變化的影響。依據反射信號在遭到系統噪聲擾動后波峰功率值動搖，整體波形根本不變的特性，采取在信號波峰兩側選取兩個相對穩定的特征點，計算其綜合特征點（即波形中點）作為FBG 波長，替代中心波長。

2.1 FBG 波形特征點選取及波長值計算

設參考信號波峰A 處功率為PA，特征點C 的功率為PC，則：PC=αPA （3）其中，α 為閾值因子，取值范圍為0~1。有關研討標明，α 取值在0.2~0.9 變化時， 特征點C 對系統噪聲擾動不敏感[6]。此辦法相當于在參考信號波峰值降落ndB（n為6.99～0.46dB）處作一條平行線，平行線與參考信號波形的交點就是特征點C，詳細過程如圖3 所示。設參考信號波峰兩側的特征點C1和C2對應波長為λ1和λ2，計算該參考信號綜合特征點（波形中點）處的波長值λM：λM= λ2+λ12 （4）依據以上操作辦法能夠在臺式光譜儀上分別測得各參考信號比擬穩定的波長。這里以波峰功率降落6dB 為例選取特征點， 在堅持環境溫度恒定為25℃的狀況下，上述10 根FBG（FBG1，FBG2,…，FBG10）反射信號的波長丈量和計算結果如表1 所示。其中λA為峰值功率處的波長值。

2.2 FBG 波長計量值的應用

在微型光譜儀的程序算法中，先尋覓參考信號采樣序列的部分最大值（即各信號的光功率峰值），再減去6dBm， 經過直線相交的辦法找出波峰兩側特征點C1、C2在采樣序列中的位置S1、S2 （即對應的采樣點數），取其中心位置SM：SM= S1+S22 （5）作為參考信號的綜合特征點, 該點對應的波長能夠運用由臺式光譜儀丈量的相應波長，完成對FBG 反射信號的波長校準，再依據式（2）就能夠完成光譜圖橫坐標從采樣點數到波長的轉換。

2.3 FBG 波形綜合特征點穩定性考證依據各參考信號波長為固定值的特性，若以其中一個參考信號的綜合特征點為參考基點，那么其它參考信號與參考基點之間的間隔應該是恒定不變的，據此能夠考證經過上述辦法計算得到的各參考信號綜合特征點能否穩定，考證結果如圖4 所示。詳細施行辦法是將10 根FBG 光柵置于25℃恒溫盒中以消弭溫度變化對參考信號中心波長的影響，讓微型光譜儀系統工作預熱3 分鐘后， 以每秒1 次的掃描頻率對10個參考信號連續掃描采樣10 次，記載得到10 組參考信號的采樣序列。在每組采樣序列中按式（5）計算出各參考信號綜合特征點位置（SM1，SM2，…,SM10）。分別計算SM2～SM10與SM1的間隔（Δ1=SM2-SM1，Δ2=SM3-SM2,…,Δ9=SM10-SM9）。依次求出每個間隔的掃描規范差（σ1，σ2，…,σ9）作規范差曲線（圖4 中帶“*”號的曲線），此時σ 的最大值為0.527，最小值為0.4216，這標明在10 次掃描過程中，以此辦法肯定的9 個參考信號相對第一個參考信號的位置間隔動搖都不大。

為作比照，我們采用尋覓波峰值肯定FBG 波長的辦法，同樣運用上述10 組采樣序列數據，計算得另一組規范差（σ1′，σ2′，…, σ9′），并作規范差曲線（圖4 中帶“+”號的曲線），此時σ′的最大值為2.5298，最小值為1.2293。能夠看出，以此辦法肯定的各參考信號之間位置間隔動搖較大。由此可見， 采用參考信號波形綜合特征點肯定FBG 波長的辦法具有較好的波長穩定性，明顯優于以信號波峰值肯定FBG 波長的辦法。

光譜儀是一種能夠分辨光信號中不同波長信號的重要光學儀器，在地質、冶金、石油的物質成分剖析以及光通訊、光傳感的光信號檢測等范疇應用普遍。依據分光手腕不同將分光原理分為物質色散、多縫衍射和多光束干預3 種。基于多光束干預原理的微型光纖光譜儀運用了可調諧F-P 濾波器作為光譜解析器件，該光譜儀具有體型小、測試速度快、本錢低和便于模塊化消費等優點[1]。由于F-P 濾波器在整個自在光譜范圍內的“掃描電壓-輸出波長”關系只是近似線性關系， 假如在設計中參加一組光纖布喇格光柵（FBG）的反射信號作為參考信號，一方面能用于校準F-P 濾波器的波長輸出特性，另一方面也能應用其固定的波長值作為波長丈量的基準[2]。參考信號的FBG 波長值需求由部儀器準確測定才干被微型光譜儀的算法運用。本文以參考信號波峰功率降落6dB 處的波形中點作為FBG 的波長值，在微型光譜儀上構成算法并煩瑣地在臺式光譜儀上停止對照儀器計量操作，從而完成對 參考信號波長值的儀器校準。信息來源于http://www.yqxz88.com