CN111458023B - 一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统，该方法为：具有大强度范围的待测光信号经射频‑光谱空间编码器衍射后，光信号的不同波长成分的光被分散到不同的衍射角；控制输入射频‑光谱空间编码器的射频驱动信号频率，使成分光的空间衍射角度发生变化，从而所有成分光都被高速光电探测器探测到；利用光场放大器对较弱成分光继续放大和控制器处理计算，依次测量不同强度范围内的光谱，最后通过重建处理获得完整的大动态范围的光谱信息，实现高速大动态范围光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及光信号测量技术领域，特别涉及一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统。
背景技术
传统的光谱测量技术采用的是光栅推扫成像，由于CCD相机的限制，测量分辨率和刷新率均存在不足，动态范围也有限，难以满足在超快现象的探测、超快成像等应用的需要。此外，传统的光谱仪不仅可选择的扫描波段固定有限、无法实现高速测量，而且其体积笨重、成本昂贵。
发明内容
本发明提出了一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统，所要解决的问题主要是实现对具有大强度范围的激光光谱进行高速测量，在实现高速测量的基础上，实现了大动态范围的观察能力。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
本发明首先提出一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法，包括以下步骤：
A、待测光信号经过射频-光谱空间编码器，产生射频-光谱空间编码光，可视为衍射光，其中零级光与入射光同方向，一级衍射光的不同波长的衍射光空间角度不同；
B、在相对零级光方向某一角度位置分别前后放置光场放大器及高速光电探测器，并使其固定且正对射频-光谱空间编码器的一级衍射光出射点；
C、利用任意波形发生器产生射频信号去驱动射频-光谱空间编码器，不同的驱动频率信号会使同一波长的衍射角度发生线性偏移；
D、利用任意波形发生器控制射频驱动信号的频率，使在固定位置的高速光电探测器探测到随时间变化的不同波长的衍射信号；
E、高速光电探测器将光信号转换成电信号，传递到控制器；
F、控制器接收电信号，计算得到相应的光强信息；
G、根据衍射角、光场放大器放大倍数及射频驱动信号的频率，控制器计算得到相应的波长信息，并与光强信息一同记录，得到待测光信号光谱1；
H、控制器改变光场放大器放大倍数，调节射频驱动信号的频率去探测待测光信号除光谱1的波长范围外的光谱信息，重复步骤C至G，得到光谱2；
I、同步骤H，继续利用控制器去探测除光谱1和光谱2的波长范围外的光谱信息，得到光谱3，以及同理继续利用控制器得光谱n，n为自然数；
J、将光谱1、光谱2、光谱3、……和光谱n通过重建处理，最终可得到待测光信号的大动态范围完整光谱。
进一步地，所述步骤I和所述步骤J中的射频驱动信号的频率均由控制器计算和任意波形发生器产生。
进一步地，根据已得到光谱的波长范围，采用步骤H和步骤I依次类推的光谱测量方法，最终实现n×M的高速大动态范围光谱测量，n为自然数，M为高速光电探测器的动态范围。
本发明同时提出了一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量系统，包括射频-光谱空间编码器、任意波形发生器、光场放大器、高速光电探测器和控制器；
所述射频-光谱空间编码器，用于将入射的待测光信号进行衍射，使不同波长成分的光分散到不同的空间衍射角方向；
所述任意波形发生器，用于产生射频驱动信号，并提供给射频-光谱空间编码器，通过不同频率的射频驱动信号控制不同波长成分的光的空间衍射角；
所述光场放大器，用于对待测光信号中光强较弱的波长范围进行适当放大，以满足高速光电探测器的最低响应强度要求，提高系统的灵敏度；
所述高速光电探测器，用于光信号转换成电信号，得到光信号的光强信息；
所述控制器，执行控制、计算和记录功能，用于控制任意波形发生器和光场放大器、计算光强信息和波长信息、计算所需射频驱动信号的频率、记录不同动态范围的光谱并重建处理成总光谱。
进一步地，根据已得到光谱的波长范围，最终实现n×M的高速大动态范围光谱测量，n为自然数，M为高速光电探测器的动态范围。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明利用射频-光谱空间编码器对光信号进行衍射，使不同波长成分的光被分散到不同的空间衍射角；控制输入射频-光谱空间编码器的射频驱动信号频率，改变空间衍射角度，使所有成分光都被高速光电探测器高速依次探测到；再利用光场放大器和控制器依次测量不同强度范围内的光谱，最后通过重建光谱得到大动态范围的光谱信息，实现高速大动态范围光谱测量，应用于超快测量、超快成像等领域。
附图说明：
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法的流程图；
图2为本发明基于射频编码的高速大动态范围光谱测量系统的结构示意图；
图3为待测光信号光谱示例图；
图4为系统原理示意图；
附图标记说明：
1、待测光信号；2、射频-光谱空间编码器；3、零级光；4、一级衍射光；5、任意波形发生器；6、光场放大器；7、高速光电探测器；8、控制器。
具体实施方式：
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提出一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法，在一个具体的实施例中，其步骤如下：
A、待测光信号经过射频-光谱空间编码器，产生射频-光谱空间编码光，可视为衍射光，其中零级光与入射光同方向，一级衍射光的不同波长的衍射光空间角度不同；
B、在相对零级光方向某一角度位置分别前后放置光场放大器及高速光电探测器，并使其固定且正对射频-光谱空间编码器的一级衍射光出射点；
C、利用任意波形发生器产生射频信号去驱动射频-光谱空间编码器，不同的驱动频率信号会使同一波长的衍射角度发生线性偏移；
D、利用任意波形发生器控制射频驱动信号的频率，使在固定位置的高速光电探测器探测到随时间变化的不同波长的衍射信号；
E、高速光电探测器将光信号转换成电信号，传递到控制器；
F、控制器接收电信号，计算得到相应的光强信息；
G、根据衍射角、光场放大器放大倍数及射频驱动信号的频率，控制器计算得到相应的波长信息，并与光强信息一同记录，得到待测光信号光谱1，由于高速光电探测器具有一定的动态范围，本发明以动态范围M＝20dB为例，即光谱1只能记录到信号峰值强度以下20dB范围；
H、控制器改变光场放大器放大倍数，调节射频驱动信号的频率去探测待测光信号除光谱1的波长范围外的光谱信息，重复步骤C至G，得到光谱2，即光谱2记录信号峰值强度20dB～40dB范围的信息；
I、同步骤H，继续利用控制器去探测除光谱1和光谱2的波长范围外的光谱信息，得到光谱3，即光谱3记录信号峰值强度40dB～60dB范围的信息；
J、将光谱1、光谱2和光谱3通过重建处理，最终可得到待测光信号的大动态范围完整光谱。
其中，所述步骤I和所述步骤J中的射频驱动信号的频率均由控制器计算和任意波形发生器产生。
其中，根据已得到光谱的波长范围，可采用步骤H和步骤I依次类推的光谱测量方法，最终可实现n×20dB的高速大动态范围光谱测量，n为自然数。本实施例中，以n＝3为例进行阐述。
实施例2
本发明的基于射频编码的高速大动态范围光谱测量的方法采用如图2所示的基于射频编码的高速大动态范围光谱测量系统来具体实施。该系统包括射频-光谱空间编码器2、任意波形发生器5、光场放大器6、高速光电探测器7和控制器8，其中射频-光谱空间编码器2与任意波形发生器5电性连接，控制器8分别与光场放大器6、高速光电探测器7电性连接；当待测光信号1入射射频-光谱空间编码器2时，会产生与入射方向相同的零级光3和射频-光谱空间编码光，本发明中采用的是衍射较强的一级衍射光4。
所述待测光信号不同波长成分光经射频-光谱空间编码器的衍射分散到不同角度，只有当成分光的衍射角度与高速光电探测器放置的角度相同时，这种成分光的光强才能被探测到。控制器通过控制任意波形发生器产生的射频驱动信号频率，使衍射角度发生变化，从而可控制高速光电探测器对待测光信号的扫描范围，同时也实现了高速测量。
在一个具体实施例中，所述待测光信号具有较大的强度范围(60dB)，如图3所示；所述高速光电探测器具有较小的动态范围(20dB)，不足以精确探测到整个光信号的光谱信息。
图4为系统原理示意图。
首先，控制器通过控制任意波形发生器产生的射频驱动信号频率，驱动射频-光谱空间编码器(以声光可调谐滤波器为实施范例)，对待测光信号进行全波段扫描，得到光谱1，光谱1只能记录到信号峰值强度以下20dB范围；接着，控制器对待测光信号进行除光谱1的波长范围外的波段扫描，得到光谱2，光谱2记录信号峰值强度20dB～40dB范围的信息；然后，控制器对待测光信号进行除光谱1和光谱2的波长范围外的波段扫描，得到光谱3，光谱3记录信号峰值强度40dB～60dB范围的信息；最后，通过处理，将光谱1、光谱2和光谱3重建处理得到完整的总光谱，总光谱不仅是对待测光信号进行全波段扫描的光谱信息，而且记录到信号峰值强度以下60dB范围。
本发明提出的一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法及系统，其系统占用体积小、成本较低，不仅分辨率高、扫描速度快，而且可自定义选择扫描波段，有效克服了传统光谱仪的缺点，其方法还解决了现有技术的动态范围有限的问题，实现了高速大动态范围光谱测量，特别在超快测量方面有着广泛的应用前景。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、待测光信号经过射频-光谱空间编码器，产生射频-光谱空间编码光，可视为衍射光，其中零级光与入射光同方向，一级衍射光的不同波长的衍射光空间角度不同；
B、在相对零级光方向某一角度位置分别前后放置光场放大器及高速光电探测器，并使其固定且正对射频-光谱空间编码器的一级衍射光出射点；
C、利用任意波形发生器产生射频信号去驱动射频-光谱空间编码器，不同的驱动频率信号会使同一波长的衍射角度发生线性偏移；
D、利用任意波形发生器控制射频驱动信号的频率，使在固定位置的高速光电探测器探测到随时间变化的不同波长的衍射信号；
E、高速光电探测器将光信号转换成电信号，传递到控制器；
F、控制器接收电信号，计算得到相应的光强信息；
G、根据衍射角、光场放大器放大倍数及射频驱动信号的频率，控制器计算得到相应的波长信息，并与光强信息一同记录，得到待测光信号光谱1；
H、控制器改变光场放大器放大倍数，调节射频驱动信号的频率去探测待测光信号除光谱1的波长范围外的光谱信息，重复步骤C至G，得到光谱2；
I、同步骤H，继续利用控制器去探测除光谱1和光谱2的波长范围外的光谱信息，得到光谱3，以及同理继续利用控制器得光谱n，n为自然数；
J、将光谱1、光谱2、光谱3、……和光谱n通过重建处理，最终可得到待测光信号的大动态范围完整光谱。
2.根据权利要求1中所述的基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法，其特征在于：所述步骤H和所述步骤I中的射频驱动信号的频率均由控制器计算和任意波形发生器产生。
3.根据权利要求1中所述的基于射频编码的高速大动态范围光谱测量方法，其特征在于：根据已得到光谱的波长范围，采用步骤H和步骤I依次类推的光谱测量方法，最终实现n×M的高速大动态范围光谱测量，n为自然数，M为高速光电探测器的动态范围。
4.一种基于射频编码的高速大动态范围光谱测量系统，其特征在于：包括射频-光谱空间编码器、任意波形发生器、光场放大器、高速光电探测器和控制器；
所述射频-光谱空间编码器，用于将入射的待测光信号进行衍射，使不同波长成分的光分散到不同的空间衍射角方向；
所述任意波形发生器，用于产生射频驱动信号，并提供给射频-光谱空间编码器，通过不同频率的射频驱动信号控制不同波长成分的光的空间衍射角；
所述光场放大器，用于对待测光信号中光强较弱的波长范围进行适当放大，以满足高速光电探测器的最低响应强度要求，提高系统的灵敏度；
所述高速光电探测器，用于光信号转换成电信号，得到光信号的光强信息；
所述控制器，执行控制、计算和记录功能，用于控制任意波形发生器和光场放大器、计算光强信息和波长信息、计算所需射频驱动信号的频率、记录不同动态范围的光谱并重建处理成总光谱；根据已得到光谱的波长范围，最终实现n×M的高速大动态范围光谱测量，n为自然数，M为高速光电探测器的动态范围。
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