阅读说明：本技术 一种获取高帧频光谱的装置 (Device for acquiring high frame frequency spectrum ) 是由 张军英 白亚亚 高明 刘光海 张雄星 陈海滨 王伟 郭子龙 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种获取高帧频光谱的装置,包括宽带光源、光纤环行器、光纤传感器连接端口、1×N光纤分束器、光谱仪模组、采样电路和信号同步及控制电路。宽带光源与光纤环行器的A端口相连,光纤环行器的B端口与光纤传感器连接端口相连,光纤环行器的C端口与1×N光纤分束器相连,光纤分束器之后依次为光谱仪模组、采样电路和信号同步及控制电路。本发明通过一种错时采样技术,将光谱仪模组中并连的N个光谱仪模块采集得到的光谱数据在后端拼合后实现高速采样,获取到高速采样光谱数据。(The invention relates to a device for acquiring a high frame frequency spectrum, which comprises a broadband light source, an optical fiber circulator, an optical fiber sensor connecting port, a 1 xN optical fiber beam splitter, a spectrometer module, a sampling circuit and a signal synchronization and control circuit. The broadband light source is connected with the port A of the optical fiber circulator, the port B of the optical fiber circulator is connected with the connecting port of the optical fiber sensor, the port C of the optical fiber circulator is connected with the 1 XN optical fiber beam splitter, and the spectrometer module, the sampling circuit and the signal synchronization and control circuit are sequentially arranged behind the optical fiber beam splitter. According to the invention, by a time-staggered sampling technology, high-speed sampling is realized after spectrum data acquired by N spectrometer modules connected in parallel in a spectrometer module are spliced at the rear end, and high-speed sampling spectrum data is acquired.)

一种获取高帧频光谱的装置

技术领域：

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种获取高帧频光谱的装置。

背景技术：

光纤传感器相比于传统电学传感器，具有损耗小、对外界电磁场不敏感、可以远程测量等优点，诸如光纤法珀传感器和光纤光栅传感器均已经广泛应用于压力、温度、应变、加速度、高精度微位移、化学物质等检测领域。

目前，针对各类传感器的实际应用，尤其在测量高速动态变化量时，诸如航空发动机动态压力的测试，如何实现高速采样以此达到高速解调是其关键所在。

光谱法是光纤传感系统解调的最重要的方法之一，其基本原理是光源发射宽带光入射到光纤传感器件，利用光谱仪模块对光纤传感器件的反射光谱进行采集，进而对获取到的反射光谱进行分析，解调出对应的腔长信息，从而通过标定关系确定外部物理量。光谱法的优点为：解调精度高、腔长解调范围大，可实现绝对腔长解调。

目前，光谱法多采用光谱仪模块对光纤传感器件的光谱数据采样。光谱解调技术所采用的光谱仪模块通常由光束整形、光学色散元件和线阵光电探测器构成，其光谱获取速率，即光谱仪帧频通常较低，普遍在10kHz以内，无法满足航空发动机动态压力测试、超声或冲击波检测等应用场景下光纤传感器件高速解调的需求，迫切需要解决光谱仪模块光谱获取速率过低的瓶颈。

发明内容

：

本发明针对现有光谱法解调光纤传感器件在光谱获取速率上的技术瓶颈，提出一种获取高帧频光谱的装置。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种获取高帧频光谱的装置，包括宽带光源、光纤环行器、光纤传感器连接端口、1×N光纤分束器、光谱仪模组、采样电路和信号同步及控制电路，其特征在于：宽带光源与光纤环行器的A端口相连，光纤环行器的B端口与光纤传感器连接端口相连，光纤环行器的C端口与1×N光纤分束器相连，光纤分束器之后依次为光谱仪模组、采样电路和信号同步及控制电路；所述光谱仪模组由N个光谱仪模块分别连接在1×N光纤分束器后并联形成。

进一步，光谱仪模组采用错时曝光和光谱输出拼接算法，其中错时曝光和光谱输出拼接算法由信号同步及控制电路完成。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提出的高速光谱仪模组是由N个光谱仪模块分别连接在1×N分束器后并联形成，N个光谱仪后连接N个采样电路。在所提出的分时曝光和信号同步技术中，信号同步及控制电路产生N路相位差为360°/N的脉冲信号，N路360°/N移相的脉冲信号连接到N个光谱仪的控制端，脉冲信号的高电平时间为光谱仪的积分时间，两个脉冲信号间隔为光谱仪的采样间隔，设置单个脉冲信号的延时为采样间隔的1/N，即光谱仪模组的采样间隔为单个光谱仪采样间隔的1/N，即光谱仪模组的帧频提高为单个光谱仪的N倍，以此实现N个光谱仪的分时曝光。光谱仪模组的帧频提高为单个光谱仪的N倍，从而突破光谱仪扫描速度的限制，实现高帧频光谱获取，解决了单个光谱仪模块采样速度慢的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中光谱仪模块的时序图；

图3是本发明实施例中4路相位差为90°的RST信号；

标记说明：1-宽带光源，2-光纤环行器，3-光纤传感器连接端口，4-1×N光纤分束器，5-高速光谱仪模组，6-采样电路，7-信号同步与控制电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

系统原理简图见图1，系统中SLD宽带光源1发出的宽带光经过光纤环行器2到达光纤传感器连接端口3，当光纤传感器连接端口连接有反射式光纤传感器时，传感器的反射光耦合进入光纤传感器连接端口3后，经由光纤环行器的C端口出射并连接到1×N光纤分束器4，光纤分束器后连接光谱仪模组5，光谱仪模组将光信号转换为电信号交由采样电路6和信号同步及控制电路7进行处理。

本实施例中，光纤分束器采用1×4，在光纤分束器后分别接4个光谱仪模块构成光谱仪模组，采用分时曝光和光谱输出拼接算法，对法布里-珀罗腔光纤传感器的反射光谱进行采样，所使用的光谱仪为北京波威科技有限公司的I-MON微型光纤光谱仪模块，图2为该光谱仪模块的时序图，时序图中RESET信号即为控制电流积分的RST信号，根据光谱仪模块的出场测试单，RST信号最少需要持续6个时钟，信号保持占用固定的28个时钟，移位输出256个像素占用256个时钟，则光谱仪模块进行一次光谱采集，至少需要占用290个时钟周期。时钟CLK的频率设置为10MHz，则单个光谱仪的最高帧频为：

所以4个光谱仪模块可以构成一个帧频超过100kHz的高速光谱仪模组。

高帧频光谱获取的关键问题是光谱仪分时曝光及数据同步，分时曝光及数据同步必须与光谱仪底层的传感、转换、控制及输出接口紧密结合。实施例中所采用的光谱仪模块的传感为光电二极管线阵，光电转换电路为电流积分电路。

电流积分电路的优点是通过改变电流积分时间，可改变光电转换的灵敏度，从而适应光强不同的光信号的光谱测量。电流积分时间受RST信号控制，在RST信号的上升沿，电流积分的开关导通，光电流开始对积分电容充电；在RST信号的下降沿，电流积分的开关断开，积分电容的电压保持不变，并等待移位输出。

电流积分由RST脉冲决定，而电流积分的过程就是光谱仪曝光的过程。RST脉冲的高电平时间对应的就是光谱仪的曝光时间，RST脉冲高电平的位置以及持续时间决定了光谱仪的曝光时刻以及曝光时长，RST脉冲的间隔决定了光谱仪的采样间隔。即光谱仪分时曝光的关键就是多个光谱仪RST脉冲信号的精确移相。

本实施例中4个光谱仪模块并联，信号同步及控制电路产生4路相位差为90°的RST信号，RST信号连接到4个光谱仪的RST控制端，即能实现4个光谱仪的分时曝光，时序图如图3所示，4路RST信号的延时等于采样间隔的四分之一，即光谱仪模组的采样间隔为单个光谱仪采样间隔的四分之一，由此光谱仪模组的帧频提高为单个光谱仪的4倍。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。