JJF 1804-2020 布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准规范

屮华人民共和国国家计量技术规范

JJF1804—2020

布拉格光纤光栅传感网络分析仪

校准规范

CalibrationSpecificationforOpticalFiberBraggGratingSensor

NetworkAnalyzers

2020-01-17发布2020-04-17实施

国家市场监督管理总局发布

JJF1804—2020

布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准

规范

•

I!

CalibrationSpecificationforJJF1804—2020

/

OpticaIFiberBraggGratingSensorNetworkAnalyzers

归口单位：全国光学计量技术委员会

主要起草单位：中国计量科学研究院

中国信息通信研究院

参加起草单位：航天科技集团公司第九研究院第七0四研究所

中国电子科技集团公司第四十一研究所

电子科技大学

本规范委托全国光学计量技术委员会负责解释

I

JJF1804—2020

本规范主要起草人：

李建威（中国计量科学研究院）

徐楠（中国计量科学研究院）

孙小强（中国信息通信研究院）

参加起草人：

史青（航天科技集团公司第九研究院第七0四研究所）

韩正英（中国电子科技集团公司第四十一研究所）

龚元（电子科技大学）

II

LC

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JJF1804—2020

引言

JJF1071-2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001-2011《通用计量名

词术语》、JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》共同构成本校准规范制

定工作的基础性系列规范。本校准规范系首次制定。

II

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布拉格光纤光柵传感网络分析仪校准规范

1范围

本规范适用于布拉格光纤光栅传感网络分析仪（又称光纤光栅传感解调仪）

等用布拉格光纤光栅进行传感信号测量仪器的校准。

2引用文件

JJF1199《通信用光衰减器校准规范》

使用本规范时，应注意使用上述引用文献文件的现行有效版本。

3概述

布拉格光纤光栅传感器是监测各类动态或静态信号如温度、应变、机械波等

物理参数的重要传感器。布拉格光纤光栅传感网络分析仪（以下简称为光纤光栅

传感网络分析仪）作为高性能布拉格光纤光栅传感系统中的信号解调单元，其主

要功能是对光纤光栅中心波长及其变化量进行监测和分析。

现有光纤光栅传感网络分析仪主要分为宽带光源型和扫频光源型两大类。

宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪是从宽带光源发出激光经环形器输出到

光纤光栅上，其反射光经环形器进入探测、解调单元，再经信号处理并最终显示

出测量结果，测量原理示意图如图1所示。

宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪

图1宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪测量原理图

扫频光源型光纤光栅传感网络分析仪利用半导体放大模块及可调谐滤波器组

成扫频光源，瞬时能量集中到单一波长，波长连续调谐，光源与探测采用相同频

率同步测量。利用光纤光栅返回信号与仪器内置标准具做参考比对，得出光纤光

栅的波长值，测量原理示意图如图2所示。

1

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扫频光源型光纤光栅传感网络分析仪

图2扫频光源型光纤光栅传感网络分析仪测量原理图

4计量特性

4.1波长示值误差：宜不超过±30pm

4.2波长测量重复性：宜不超过5pm

4.3动态范围：宜不小于20dB

注：以上指标不适用于合格性判别，仅供参考。

5校准条件

5.1环境条件

5.1.1环境温度：(23±5)°C,校准过程中环境温度波动不超过2°C；

5.1.2相对湿度：W80%；

5.1.3电源电压：(220±22)V；

5.1.4频率：(50±l)Hz；

5.1.5实验室应无影响测量结果的振动和电磁场干扰。

5.2测量标准及其它设备

5.2.1参考光纤光栅

5.2.1.1连接器类型：参考光纤光栅的光输入端和输出端建议采用FC/PC型或

FC/APC型光纤连接器；

5.2.1.2波长测量范围内的校准波长点：通常选取在被校仪器测量范围具有一定

间隔的3-5个波长点；

5.2.1.3反射谱中心波长稳定度：优于3pm(15min,2°C)；

5.2.1.4反射谱形状：切趾高斯型；

5.2.1.5反射谱半高宽(FWHM)带宽：＜0.5nm；

5.2.1.6反射谱边模抑制比(SLSR)：＞10dB；

5.2.1.7反射率：＞75%。

2

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5.2.2标准光波长计

5.2.2.1波长测量范围：满足校准要求的波长范围；

5.2.2.2接收光功率：满足校准要求的灵敏度；

5.2.2.3扩展不确定度：O3pm(^=2)o

5.2.3宽带光源

5.2.3.1波长范围：满足校准要求的工作波长；

5.23.2输出光功率：满足校准要求的输出光功率；

5.23.3稳定度：不超过±0.03dB或土0.5%(15min)。

5.2.4光纤耦合器

分光比约为1:1的Y型光耦合器，插入损耗W4.5dB。

5.2.5可变光衰减器

5.2.5.1衰减量：满足校准要求的衰减量，且衰减量连续可调；

5.2.5.2插入损耗：W3dB；

5.2.53回波损耗：M45dB；

5.2.5A衰减量不确定度：*0.5dB(jt=2)。

5.2.6可调谐激光器

5.2.6.1可调谐波长范围：满足校准要求的工作波长；

5.2.6.2输出光功率：满足校准要求的输出光功率；

5.2.63稳定度：不超过±0.03dB或土0.5%(15min)。

5.2.7环形器

5.2.7.1工作波长：满足校准要求的波长范围；

5.2.7.2插入损耗：W1.2dB；

5.2.73隔离度：^40dBo

6校准项目和校准方法

6.1校准项目

6.1.1波长示值误差

6.1.2波长测量重复性

6.1.3动态范围

6.2校准前检査

6.2.1应具备规格、型号、制造厂名、设备编号及相应的警示标志等；

6.2.2被校光纤光栅传感网络分析仪应带有必要的附件、说明书；

6.2.3被校光纤光栅传感网络分析仪各部件应安装牢固，能确保正常工作;

3

JJF1804—2020

6.2.4被校光纤光栅传感网络分析仪通电后显示功能正常。

6.3校准准备

所有校准用设备和被校光纤光栅传感网络分析仪均置于工作台上，并按照说

明书的要求进行预热。各段连接光纤（或光缆）的位置在整个校准过程中应保持

固定，光纤接头应保持清洁。

6.4校准方法

6.4.1波长示值误差

6.4.1.1参考光纤光栅法

宽带光源型和扫频光源型两种光纤光栅传感网络分析仪的波长示值误差，均

可使用参考光纤光栅和标准光波长计进行校准。

a）将参考光纤光栅的光接头与宽带光源光输出端，及标准光波长计的输入端

通过环行器相连接，见图3所示。校准过程中，参考光纤光栅保持不受外力影响,

且环境温度波动不超过2°C。

标准光波长计

图3参考光纤光栅反射波长测量装置连接框图

b）读取标准光波长计波长测量值为参考光纤光栅的波长值，重复n次，计算

标准光波长计示值的平均值：

式中：

瓦V准光波长计示值的平均值，nm；

n一测量次数，“$6；

R宀飒测量得到的标准光波长计的示值，nm。

c）将参考光纤光栅与被校光纤光栅传感网络分析仪被校光通道相连接，见图

4所示。

4

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d）进行参考光纤光栅波长值的测量，读取被校光纤光栅传感网络分析仪的波

长测量值，重复〃次，计算被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值：

Ru=~^lRui⑵

ni=l

式中：

瓦〜校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值，nm；

n一测量次数，“M6；

Rui^i次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值，nmo

e）计算波长示值误差：

△=瓦—氏⑶

f）采用步骤a）至步骤e）的方法，分别依次测量被校准波长点，并记录测

量结果。

g）采用步骤a）至步骤f）的方法依次校准被校光纤光栅传感网络分析仪

的其它光通道，并记录测量结果。如果各光通道共用一个探测解调单元，则

无需对其它光通道进行校准。

h）将以上各项记录结果填入校准原始记录（见附录A）o

6.4.1.2可调谐激光器法

宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪的波长示值误差，可使用可调谐激光器

和标准光波长计进行校准。

a）将测量用的可调谐激光器与被校宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪被校

光通道，及标准光波长计通过光纤耦合器相连接，见图5。

5

JJF1804—2020

图5波长定标校准装置框图

b）读取标准光波长计的波长测量值为可调谐激光的波长值，重复n次，计算

标准光波长计示值的平均值：

____1n

⑷

式中：

瓦V准光波长计示值的平均值，nm；

n一测量次数，“M6；

心一第7次测量得到的标准光波长计的示值，nm=

c）读取被校宽带光源型光纤光栅传感网络分析仪的波长测量值，重复“次,

计算被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值：

_____1n

(5)

式中：

瓦T校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值，nm；

n—测量次数，27^6；

Rui^i次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值，nm。

d）计算波长示值误差

△=瓦—尺⑹

e）采用步骤a）至步骤d）的方法，分别依次测量被校准波长点，并记录测

量结果。

f）采用步骤a）至步骤e）的方法依次校准被校光纤光栅传感网络分析仪的

其它光通道，并记录测量结果。如果各光通道共用一个探测解调单元，则无

需对其它光通道进行校准。

g）将以上各项计算结果填入校准原始记录（见附录A）。

6

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6.4.2测量重复性

在参考波长点，根据波长示值误差测量结果，计算实验标准偏差，按下试计

算实验标准差$,得到测量重复性『（单位为nm）：

⑺

式中:

Rui—第2•次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值，nm；

瓦_n次测量得到的被校光纤光栅传感网络分析仪示值的算术平均值，nm；

r—重复性,nm；

n一测量次数，

6.4.3动态范围

a）参照JJF1199《通信用光衰减器校准规范》，测量可变光衰减器示值为0时

的插入损耗Ril,重复测量“次。按式（8）计算可变光衰减器示值为0时插入损耗的

平均值：

_____1n

5斛

式中：

瓦一可变光衰减器示值为0时插入损耗的平均值，dB；

n—测量次数，27^3；

RzzVi次测量得到的示值为0时可变光衰减器插入损耗的量值，dBo

b）选取仪器测量范围内的参考波长点，将参考光纤光栅、可变光衰减器与被

校光纤光栅传感网络分析仪的被校光通道相连接，见图6o

图6动态范围校准装置示意图

c）从光衰减器为0的起始值开始增加可变光衰减器的衰减量，直至被校光纤

光栅传感网络分析仪因接收信号太弱而无法进行正常测量，记录可变光衰减器的

衰减量凡，dBo

7

JJF1804—2020

d)计算动态范围:

D=2%+2尽(9)

式中：

DT校光纤光栅传感网络分析仪的动态范围，dB；

瓦一可变光衰减器插入损耗的平均值，dB；

兄一可变光衰减器正向输入输出衰减量，dBo

e)如果被校光纤光栅传感网络分析仪需要校准其它光通道动态范围，采

用步骤b)至步骤d)的方法依次测量，并记录测量结果。

f)将以上各项计算结果填入校准原始记录(见附录A)。

7校准结果

校准后的光纤光栅传感网络分析仪发给校准证书，校准证书必须至少包含以

下信息：

(a)标题，如“校准证书”或“校准报告”；

(b)实验室名称和地址；

(c)进行校准的地点(如果不在实验室内进行校准)；

(d)证书或报告的唯一性标识(如编号)，每页及总页数的标识；

(e)客户的名称和地址；

(f)被校对象的描述和明确标识；

(g)进行校准的日期，如果与校准结果的有效性和应用有关时，应说明被校对

象的接收日期；

(h)如果与校准结果的有效性和应用有关时，应对抽样程序进行说明；

(i)对校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；

0)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；

(k)校准环境的描述；

(l)校准结果及其测量不确定度的说明；

(m)校准证书或校准报告签发人的签名、等效标识，以及签发日期；

(n)校准结果仅对被校对象有效的声明；

(o)未经实验室书面批准，不得部分复制证书或报告的声明。

原始记录格式参见附录A,校准证书内页格式参见附录B,校准结果不确定度

评定实例参见附录C,光纤光栅波长标准器定标方法参见附录D。

8

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8复校时间间隔

由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸

因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建

议不超过1年。更换重要部件、维修或对仪器性能有怀疑时，应及时校准。

9

JJF1804—2020

附录A

校准原始记录参考格式

校准证书编号：_______________

证书有效期至：_______________

校准员：核验员：第页共页

1记录

原始记录编号：证书编号：

校准日期：温度：°C湿度：%RH

送检单位：联系人：

地址：电话：

名称：型号：

仪器制造厂：编号：

校准前检查：

依据的技术文件(代号、名称)：

校准使用的计量(基)标准装置或主要标准器

名称测量范围不确定度/准确度证书编号证书有效期至

2校准通道：

a.波长示值误差和重复性校准

波长点1

校准次数123456平均值

标准波长计示值(nm)RsiRs2Rs3Rs4Rs5Rs6Rs

网络分析仪示值(nm)RuiRu2Ru3Ru4Ru5Ru6瓦

波长示值误差(nm)A

重复性(nm)r

10

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波长点2

校准次数123456平均值

标准波长计示值(nm)RsiRs2Rs3R$4比5Rs6Rs

网络分析仪示值(nm)RuiRu2Ru3Ru4R”5Ru6瓦

波长示值误差(nm)A

重复性(nm)r

b.动态范围校准

测量次数123平均值

插入损耗7?a(dB)RlliRlL2RlL3瓦

衰减量7?(dB)Ra

a

动态范围(dB)D

11

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附录B

校准证书内页参考格式

证书编号：______________

共一_页第一一页

仪器编号:

通道1

a.波长示值误差和重复性:

序号标准值(nm)测量值(nm)示值误差(nm)重复性(nm)

1

2

3

4

5

6

说明：示值误差=测量值-标准值

b.动态范围：()dB

测量结果的不确定度伙=2)

波长测量：

动态范围测量：

温度相对湿度

校准员核验员

校准地点校准日期

12

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附录c

校准不确定度评定实例

依据《布拉格光纤光栅传感网络分析仪校准规范》的各项计量特性及校准条

件与校准项目的规定，对光纤光栅传感网络分析仪进行了校准。下面针对光纤光

栅传感网络分析仪的波长参数测量结果的不确定度进行分析。

C1参考光纤光栅法波长示值误差的不确定度评定

C.1.1波长示值误差的测量模型__

△=瓦-尺

瓦一被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值，nm；

瓦一标准光波长计示值的平均值，nmo

C.1.2测量不确定度来源

测量过程中主要的不确定度来源有：参考光纤光栅的不确定度、标准光波长

计的不确定度、被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性的不确定度、光纤光栅

传感网络分析仪波长分辨率引入的不确定度及其它影响因素的不确定度等。

C.1.3测量不确定度评定

C.1.3.1参考光纤光栅引入的标准不确定度分量

参考光纤光栅引入的标准不确定度分量由其稳定性决定。参考光纤光栅稳定

性为2pm,按均匀分布，取包含因子7。则该项引入的不确定度分量

ui=2pm/>/3=1.2pmo

C.1.3.2标准光波长计引入的标准不确定度分量

可溯源的标准光波长计测量不确定度为t>0.5pm(^=2),则该项引入的不确

定度分量M2=0.5pm/2~0.3pmo

C.1.3.3被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的标准不确定度分量

利用被校光纤光栅传感网络分析仪对参考光纤光栅进行6次测量，结果见表

C.lo

表C.1中心波长示值测量数据

测量次数中心波长(nm)

11520.31591528.39121563.9402

21520.31441528.39031563.9404

31520.31461528.38971563.9396

41520.31591528.38991563.9392

51520.31441528.39031563.9389

13

JJF1804—2020

61520.31591528.39071563.9406

平均值(nm)1520.31521528.39041563.9398

实验标准偏差(pm)0.380.550.69

不确定度(pm)0.160.220.28

由表C.l可知，测量重复性为0.7pm,采用A类不确定度评定，该项引入的不

确定度分量为0.28pm,为简便运算取“3=0.3pm。

C.1.3.4被校光纤光栅传感网络分析仪波长分辨率引入的标准不确定度分量

工程中常用的光纤光栅传感网络分析仪波长分辨率一般在pm量级，为简便运

算取值1pm。按均匀分布，取包含因子k=V3o则该项引入的不确定度分量

U4=lpmx0.29^0.3pmo重复性不确定度分量小于分辨率，因此取分辨率引入的不确

定度。

C.1.3.5其它影响因素引入的标准不确定度分量

其它影响因素包括光纤中应力双折射引起的波长漂移、温度波动引入的波长

漂移、光纤光栅参数校准装置和被校光纤光栅传感网络分析仪波长峰值算法的差

异等，估计影响量U5=1.0pmo

C.1.4不确定度合成

C.1.4.1标准不确定度评定表

表C.2标准不确定度评定表

标准不确定度灵敏系数不确定度分量

序号Ui不确定度来源概率分布

u(^)(pm)⑷(y)(pm)

参考光纤光栅引入的

1U11.2均匀11.2

不确定度

标准光波长计引入的

2U20.3正态10.3

不确定度

被校光纤光栅传感网

3U3络分析仪测量重复性0.3正态10.3

引入的不确定度

被校光纤光栅传感网

4U4络分析仪波长分辨率0.3正态10.3

引入的不确定度

其它影响因素的不确

5U1.010.3

5定度

C.1.4.2以上各项标准不确定度分量之间独立不相关，合成标准不确定度

U=+“；+“]+“：+“；=1.6pm

c

C.1.5扩展不确定度

取包含因子A=2,置信度为95%,则U=2u=4-pm

c0

14

JJF1804—2020

C.2可调谐激光器法波长示值误差的不确定度评定

C.2.1波长示值误差的测量模型

耳=应

瓦一被校光纤光栅传感网络分析仪示值的平均值，nm；

瓦一标准光波长计示值的平均值，nmo

C.2.2测量不确定度来源

测量过程中主要的不确定度来源有：可调谐激光源波长稳定性引入的不确定

度、被校准光纤光栅传感网络分析仪波长分辨率引入的不确定度、被校准光纤光

栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度和标准光波长计引入的不确定度

等。

C.2.3测量不确定度评定

C.2.3.1可调谐激光源波长稳定性引入的不确定度分量

可调谐激光源引入的标准不确定度分量由其稳定性决定。按B类方法进行评

定，可调谐激光源的波长稳定度为±1.0pm,按均匀分布，取包含因子7。则该

项引入的不确定度分量wi=1.0pm/V3=0.60pm=

C.2.3.2被校准光纤光栅传感网络分析仪波长分辨率引入的不确定度分量

按B类方法进行评定。被校准光纤光栅传感网络分析仪波长分辨率为lpm,

按均匀分布，取包含因子k=y/3o则该项引入的不确定度分量M2=0.5pm/V3=0.3pm

o

C.2.3.3被校光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度分量

按A类方法进行评定：(在1490nm~1640nm范围内选择3个典型值进行评定)

由于被校准光纤光栅传感网络分析仪测量重复性引入的不确定度”3,重复测

量6次，测量结果见表C.3。

表C.3中心波长示值测量数据

测量次数中心波长(nm)

11515.03411550.05651585.0331

21515.03431550.05661585.0330

31515.03421550.05671585.0330

41515.03401550.05671585.0331

51515.03381550.05681585.0331

61515.03381550.05661585.0323

平均值(nm)1515.03401550.05671585.0330

15

JJF1804—2020

实验标准偏差(pm)0.210.110.20

不确定度(pm)0.090.050.08

测量重复性不确定度分量大于分辨率引入的不确定度分量，因此取测量重复

性引入的不确定度。

C.2.3.4标准光波长计引入的标准不确定度分量

可溯源标准光波长计(型号为86122A)的相对扩展不确定度为沪0.5pm

(^=2),按B类标准不确定度评定，则该项引入的不确定度分量为“4=0.30pm。

C.2.4不确定度合成

C.2.4.1标准不确定度评定表

表C.4标准不确定度评定表

序号Ui不确定度来源概率分布k场(pm)UB(pm)

可调谐激光源波长稳定性

1U]±1.0均匀0.60

引入的不确定度

被校光纤光栅传感网络分

2U2析仪的波长分辨率引入的1.0均匀0.30

不确定度

被校光纤光栅传感网络分

3U3析仪测量重复性引入的不S(x)0.09

确定度

标准光波长计引入的标准

4U40.30

不确定度

C.2.4.2以上各项标准不确定度分量之间独立不相关，合成标准不确定度

U==0.7pm

c

C.2.5扩展不确定度

取包含因子后2,95%置信度，则O2wc=2pmo

C3动态范围的不确定度评定

C.3.1动态范围的测量模型

D=2Rm+2Ra

D被校光纤光栅传感网络分析仪的动态范围，dB；

瓦一可变光衰减器插入损耗的平均值，dB；

可变光衰减器正向输入输出衰减量，dBo

C.3.2测量不确定度来源

测量过程中主要的不确定度来源有：可变光衰减器的不确定度、可变光衰减

器插入损耗的不确定度以及参考光纤光栅反射率引入的不确定度。

C3.3测量不确定度评定

C.3.3.1可变光衰减器的不确定度分量

16

JJF1804—2020

可溯源的可变光衰减器测量不确定度为*0.20dB(比2),则该项引入的不

确定度分量ui=0.20dB/2=0.10dBo

C.3.3.2可变光衰减器插入损耗的不确定度分量

对可变光衰减器的插入损耗进行3次测量，应用极差法计算实验标准差，结

果如表C.5所示。

表C.5可变光衰减器插入损耗的测量数据

测量次数可变光衰减器插入损耗(dB)

11.25

21.39

31.33

极差系数1.69

实验标准差(dB)0.08

不确定度(dB)0.03

由表C.3可知，测量次数为3时，该项引入的不确定度分量为0.03dB,则取

U2=0.03dBo

C.3.3.3参考光纤光栅反射率引入的不确定度

校准中用到的参考光纤光栅反射率＞75%,反射率的差异导致不同的光纤光栅

对应不同的动态范围，采用的参考光纤光栅反射率最大变化量为25%,则导致功

率变化量为0.9dB,按均匀分布，取包含因子/巧。则该项引入的不确定度分量

ui=0.4dB/-x/3=0.26dB。

C.3.4不确定度合成

C.3.4.1标准不确定度评定表

表C.6标准不确定度评定表