CN112697274A

CN112697274A - 一种单次捕捉光谱测量方法及装置

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Publication number: CN112697274A
Application number: CN202011451055.6A
Authority: CN
Inventors: 李昂; 方闻绩; 潘时龙
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-04-23

Abstract

本发明公开了一种单次捕捉光谱测量方法，将待测光信号分为M路并令其一一对应地通过M个相互之间的光谱传输函数具有低相关性的光谱整形单元，M为远小于所述光谱测量方法的测量精度N的正整数；然后用M个光电探测器对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测，最后计算出待测光信号的光谱。本发明还公开了一种单次捕捉光谱测量装置。相比现有技术，本发明只需要一次测量即可获得待测光谱，且在保持极高光谱分辨精度的同时，结构得到大幅简化，所需的部件数量极大降低，更有利于实现片上集成。

Description

一种单次捕捉光谱测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光谱测量方法，尤其涉及一种单次捕捉光谱测量方法。

背景技术

为了检测目标光谱的信息，光谱仪应运而生，它能够恢复出所输入的任意未知光谱。光谱仪广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域。随着相关设计制造技术的不断发展，光谱仪的分辨率、测量光谱范围、测量时间等性能指标也在不断提升，例如基于色散光栅、窄带滤波器和探测器阵列的分裂测量式光谱仪，其能够瞬时恢复出输入的光谱，且设计思路简单，精度高；最新一代的傅里叶变换式光谱仪，其无需大量的硬件成本，在实现较小体积的同时拥有较高信噪比和动态区间，大大提高了光谱测量的精度。另外，随着大量新型智能设备的出现，光谱仪的体积重量与便携性也成为了一个重要的指标。因此，基于兼容CMOS工艺的硅基光子学设计方法也被应用于光谱仪的设计与制造之中，如今已经实现了数百微米量级的片上光谱仪。

然而，上述几种光谱仪仍然有着一些缺陷，例如，对于分裂测量式，其硬件成本高，信噪比较低；而对于傅里叶变换式，其需要长时间来反复测量信号，另外还需要较大的功率和驱动电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种单次捕捉光谱测量方法，只需要一次测量即可获得待测光谱，且在保持极高光谱分辨精度的同时，结构得到大幅简化，所需的部件数量极大降低，更有利于实现片上集成。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种单次捕捉光谱测量方法，将待测光信号分为M路并令其一一对应地通过M个相互之间的光谱传输函数具有低相关性的光谱整形单元，M为远小于所述光谱测量方法的测量精度N的正整数；然后用M个光电探测器对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测，最后通过下式计算出待测光信号的光谱：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

其中，I_1×M＝[I₁，I₂，……，I_M]；I₁，I₂，…，I_M分别表示第1个～第M个光电探测器的检测结果；n为经过校准得到的归一化系数；φ_1×N＝[φ_λ1，φ_λ2，……，φ_λN]为待测光信号的光谱；T_N×M＝[T₁(λ)，T₂(λ)，……，T_M(λ)]为所述M个光谱整形单元的采样矩阵，T_i(λ)＝[T_{i_λ1}，T_{i_λ2}，……，T_{i_λN}]^T为第i个光谱整形单元的光谱传输函数，i＝1，2，……，M。

优选地，使用耦合波导型分离器将待测光信号分为M路。

优选地，所述光谱整形单元为通带涵盖待测光信号光谱的宽带带通滤波器。

进一步优选地，所述宽带带通滤波器为布拉格光栅滤波器。

优选地，光谱整形单元的光谱传输函数之间的相关性通过互相关系数来度量。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种单次捕捉光谱测量装置，包括：

分路单元，用于将待测光信号分为M路，M为远小于所述光谱测量装置的测量精度N的正整数；

M个光谱整形单元，其与分路单元所分出的M路待测光信号一一对应且相互之间的光谱传输函数具有低相关性，用于令对应的待测光信号通过；

M个光电探测器，用户对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测；

信号处理单元，用于通过下式计算出待测光信号的光谱：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

优选地，所述分路单元为所述耦合波导型分离器。

进一步优选地，所述宽带带通滤波器为布拉格光栅滤波器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明首次提出基于光谱整形单元的宽带光谱传输函数来进行未知光谱的测量，相较于分裂测量式光谱仪将光谱对应的波长分为N份并对应N组窄带滤波器和探测器阵列，本发明直接将待测光谱的强度分为M份(每一份所包含的光谱相同)，对应了M组光谱整形单元和探测器阵列，只需采样数量少得多的离散光谱强度数据，就可根据预先标定好的采样矩阵来重建出未知光谱；由于M＜＜N，故所需要的的部件数量大大降低，在保证测量时间极短的同时降低了硬件成本，可使得产品更加小型化。

附图说明

图1为本发明单次捕捉光谱测量装置的结构原理示意图；

图2为Y型分离器的结构与原理示意图；

图3为耦合波导型分离器的结构与原理示意图；

图4为布拉格光栅滤波器的结构原理示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是基于光谱整形单元的宽带光谱传输函数来进行未知光谱的测量，直接将待测光谱的强度分为远小于光谱测量精度的M份(每一份所包含的波长不变)，通过M组光谱整形单元和探测器阵列，只需采样数量少得多的离散光谱强度数据，就可根据预先标定好的采样矩阵来重建出未知光谱；由于M＜＜N，故所需要的的部件数量大大降低，在保证测量时间极短的同时降低了硬件成本，可使得产品更加小型化。

本发明所提出的单次捕捉光谱测量方法，具体如下：

将待测光信号分为M路并令其一一对应地通过M个相互之间的光谱传输函数具有低相关性的光谱整形单元，M为远小于所述光谱测量方法的测量精度N的正整数；然后用M个光电探测器对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测，最后通过下式计算出待测光信号的光谱：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

为便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的单次捕捉光谱测量装置，如图1所示，包括：

M个光电探测器，用于对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测；信号处理单元，用于计算出待测光信号的光谱。

分路单元最好能将待测光信号平均地分为M路，可采用常用为Y型分离器或耦合波导型分离器。Y型分离器的结构原理如图2所示，虽然较常用，但这种结构体积较大，不利于小型化，且输出端口的数量局限为2^y个，其中对于M个输出端口，y的值为y＝log₂M。由于上述缺点，本发明技术方案的分路单元最好采用耦合波导型分离器，其结构如图3。该分离器由一个总线波导和M个分离端口波导组成，将未知光谱输入到总线波导中，总线波导中的光会被耦合至分离端口波导，通过改变总线和分离端口两个波导的间隙以及分离端口波导的耦合长度可以调整耦合的比例，为使每个分离端口的光谱尽可能相同，其能量耦合系数应尽可能满足如下关系：

其中，κ_M为第M个分离端口的能量耦合系数，κ₀为每个分离端口的期望传输系数，理想情况下

即κ_M＝1。

M个光谱整形单元的作用是对待测光谱进行各不相同的宽带光谱整形，这就要求各光谱整形单元的光谱传输函数相互之间具有低相关性，可以采用光谱传输函数低相关的一系列光器件，例如光纤、光波导、光栅等，只要能对待测光信号具有不同的光谱传输函数即可；本发明优选采用通带涵盖待测光信号光谱的宽带带通滤波器作为所述光谱整形单元，例如可以采用基于随机分布的布拉格光栅滤波器阵列，其具有低互相关系数和宽带宽的特点。所述基于随机分布的布拉格光栅滤波器阵列的设计方法具体如下：布拉格光栅由周期性排列的齿构成，其结构如图4所示，每个周期中齿的长度t、齿的宽度w以及两个齿之间的距离s，三个值可以任意改变，即一个周期中有三个设计自由度(t，w，s)，令每个设计自由度都服从随机分布。对于k个周期的布拉格光栅，有3k个设计自由度，通过对这3k个设计自由度逐个测量光谱传输函数，选取M个相互之间具有低互相关系数的布拉格光栅滤波器，其中互相关系数反映了布拉格光栅滤波器的光谱传输函数的相似程度，互相关系数越低表示相似程度越低，采样后的交叠部分越少。

上述装置的光谱测量原理具体如下：

对于未知光谱φ(λ)，可将其记为一个长度为N的一维未知矩阵φ_1×N＝[φ_λ1，φ_λ2，……，φ_λN]，其中N反映了光谱仪的精度，N的值越大代表着精度越高。

M个相互之间的光谱传输函数具有低相关性的光谱整形单元，每个光谱整形单元的光谱传输函数T_i(λ)也可记为和上述未知光谱长度相同的一维矩阵[T_{i_λ1}，T_{i_λ2}，……，T_{i_λN}]^T，其中i＝1，2，……，M，且该矩阵中各个值均可通过校准工艺测量出，并进行归一化处理，由这M个光谱整形单元组成的采样矩阵可表示为T_N×M＝[T₁(λ)，T₂(λ)，……，T_M(λ)]。

当分路单元分出的一路待测光谱经过一个光谱整形单元后，从探测器端输出的响应为：I_i＝φ(λ)T_i(λ)＝φ_λ1·T_{i_λ1}+φ_λ2·T_{i_λ2}+……+φ_λN·T_{i_λN}

对于具有M个光谱整形单元和M个探测器输出的系统，可以用如下的矩阵形式来表示：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

其中I_1×M＝[I₁，I₂，……，I_M]，n为经过校准工艺后折算的归一化系数。

这样，根据M个探测器输出的检测数据I_1×M＝[I₁，I₂，……，I_M]以及预先标定好的采样矩阵T_N×M＝[T₁(λ)，T₂(λ)，……，T_M(λ)]、归一化系数n，即可通过以上公式重建出待测光信号的光谱φ_1×N＝[φ_λ1，φ_λ2，……，φ_λN]。由于M＜＜N，故所需要的的部件数量大大降低，在保证测量时间极短的同时降低了硬件成本，更加有利于采用片上集成的方式实现系统的集成化、小型化。

综上可知，本发明光谱测量装置通过单次捕捉即可重建输入光谱，采样时间短，且具有很高的精度，且所用器件结构简单易集成化实现，因此可以低成本实现超小片上单次捕捉的光谱重建，可广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域，具有极高的应用价值。

Claims

1.一种单次捕捉光谱测量方法，其特征在于，将待测光信号分为M路并令其一一对应地通过M个相互之间的光谱传输函数具有低相关性的光谱整形单元，M为远小于所述光谱测量方法的测量精度N的正整数；然后用M个光电探测器对这M个光谱整形单元输出的光信号进行一一对应地光电探测，最后通过下式计算出待测光信号的光谱：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

2.如权利要求1所述单次捕捉光谱测量方法，其特征在于，使用耦合波导型分离器将待测光信号分为M路。

3.如权利要求1所述单次捕捉光谱测量方法，其特征在于，所述光谱整形单元为通带涵盖待测光信号光谱的宽带带通滤波器。

4.如权利要求3所述单次捕捉光谱测量方法，其特征在于，所述宽带带通滤波器为布拉格光栅滤波器。

5.如权利要求1所述单次捕捉光谱测量方法，其特征在于，光谱整形单元的光谱传输函数之间的相关性通过互相关系数来度量。

6.一种单次捕捉光谱测量装置，其特征在于，包括：

信号处理单元，用于通过下式计算出待测光信号的光谱：

I_1×M＝φ_1×NT_N×M/n

其中，I_1×M＝[I₁，I₂，……，I_M]；I₁，I₂，…，I_M分别表示第1个～第M个光电探测器的检测结果；n为经过校准得到的归一化系数；φ_1×N＝[φ_λ1，φ_λ2，……，φ_λN]为待测光信号的光谱；T_N×M＝[T₁(λ)，T₂(λ)，……，T_M(λ)]为所述M个光谱整形单元的采样矩阵，T_i(λ)＝[T_{i_λ1}，T_{i_λ2}，……，T_{i_λN}]T为第i个光谱整形单元的光谱传输函数，i＝1，2，……，M。

7.如权利要求6所述单次捕捉光谱测量装置，其特征在于，所述分路单元为耦合波导型分离器。

8.如权利要求6所述单次捕捉光谱测量装置，其特征在于，所述光谱整形单元为通带涵盖待测光信号光谱的宽带带通滤波器。

9.如权利要求8所述单次捕捉光谱测量装置，其特征在于，所述宽带带通滤波器为布拉格光栅滤波器。

10.如权利要求6所述单次捕捉光谱测量装置，其特征在于，光谱整形单元的光谱传输函数之间的相关性通过互相关系数来度量。