CN116576965B - 一种光谱分段计算重构方法、光谱仪及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算重建式光谱仪技术领域，尤其涉及一种光谱分段计算重构方法、光谱仪及设备，用于对波长范围落在集合区间X内的检测对象进行光谱重构，所述光谱分段计算重构方法包括：有序地对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构，分别获取检测对象在对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk；将对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行拼接重构，获得检测对象波长范围在集合区间X上的完整的光谱特征信息Y；该方法可以大幅度减小对计算设备算力的要求，也减小了单个光源的带宽要求，可使光谱传感系统更加小型化和低成本，此外还有助于定制化、非连续光谱分析的实现，节约产品功耗。

Description

一种光谱分段计算重构方法、光谱仪及设备
技术领域
本发明涉及光谱仪领域，尤其涉及一种光谱分段计算重构方法、光谱仪及设备。
背景技术
计算重建式光谱仪利用了N个不同的光滤波器对输入光谱进行光谱采样，再由一个超宽谱光探测器获得每个光谱采样后的光电流值，最后通过求解由“输入光谱矩阵、光滤波器光谱响应矩阵、光电流矩阵”组成的欠定方程组来重建输入光谱。
计算重建式光谱仪的基本思想是通过N次光谱采样获得M个波长点光谱信息（M>N），这样可以通过较少次数的采样获取较多的光谱信息，从而减轻对器件的要求，使得器件可以做小、成本更低，进而可在各种便携式、低成本光谱分析应用场景中发挥有巨大的优势。
在实际应用中，往往希望获得超宽谱范围、高波长分辨率的光谱信息。这种超宽谱的光谱重建计算中，M的数值往往非常大（如1000以上），在某些场景下计算设备的算力资源有限，这就严重限制了该算法的应用，不利于将计算重建算法植入到更低成本、更低算力的处理器中。
此外，能同时提供光谱在数百纳米以上的超宽谱光源往往都是体积较大的仪器，使得其无法集成到小尺寸低成本的器件中。另外，在大多数光谱分析应用场景中，往往只需要某些波段的光谱数据，若使用这种超宽谱的连续光谱仪来检测会造成光源在冗余波段上的功耗浪费。这对于小型器件或设备的续航是个严重的考验，不利于集成到小型器件或设备中。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种光谱分段计算重构方法、光谱仪及设备，能够进行分段式计算重建，降低了对设备的算力要求，也减少了光源在冗余波段上的功耗浪费，有利于将光谱仪集成到更低成本更低算力的设备中，有利于设备的小型化。
为了达到上述目的，本发明在第一方面采用如下技术方案：
一种光谱分段计算重构方法，用于对波长范围落在集合区间x内的检测对象进行光谱重构，集合区间x的非空真子集为集合区间x1、x2、…、xk且集合区间x=x1∪x2∪…∪xk；其中集合区间x1、x2、…、xk所对应的波长范围均为连续的；
所述光谱分段计算重构方法包括：
有序地对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构，分别获取检测对象在对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk；
将对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行拼接重构，获得检测对象波长范围在集合区间x上的完整的光谱特征信息Y。
相比现有技术，本发明技术方案通过对将宽谱分成多个波段，并对每一分段（波段）分别进行计算重建，获取检测对象在该波段的光谱响应后，在将所有波段进行组合获取检测对象在宽谱上完整的光谱特征信息，能够极大的降低算力，快速获取结果。分段后，虽然需要进行多次计算重建，但是单次计算重建的波长点数从数千个点减少至原先的数分之一、甚至十分之一，对算力的要求是极大的降低。
本发明进一步优选为，集合区间x的所对应的谱宽在200nm以上。
本发明进一步优选为，集合区间x的所对应的谱宽在500nm以上。
本发明进一步优选为，集合区间x的所对应的谱宽在1000nm以上。
本发明进一步优选为，集合区间x的波长范围中至少有两段是不连续的。
本发明进一步优选为，在对集合区间x1、x2、…、xk中任一区间段上的光谱进行计算重构时，先计算重构一个波段范围覆盖该区间段的光谱，再从中裁切并保留对应该区间段的光谱。
本发明进一步优选为，在集合区间x1、x2、…、xk所对应的波段长度中，最小的波段长度至少为最大波段长度的一半。
本发明进一步优选为，在对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分别进行计算重构时，波长分辨率在0.5nm以下。
本发明在第二方面还提供了一种光谱仪，包括：
宽谱光源，所述宽谱光源包括多个位于不同波段范围且可相互独立工作的光源，所有的光源同时工作时提供波长范围可覆盖集合区间X的光谱；
宽谱响应滤波器，用于在对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构时分别获取与集合区间x1、x2、…、xk相对应的光谱响应矩阵；
宽谱光探测器，接收所述光谱响应矩阵，并将其转化为对应的电信号；以及，
数据处理模块，用于接收所述电信号、按照各个分段依次进行计算重构并在完成分段重构后对于各段重构的光谱特征信息进行拼接。
通过设置多个位于不同波段范围且可相互独立工作的光源，避免了对超宽谱光源的依赖，实际生产中制作超宽谱光源的成本十分巨大且功耗高；可以根据应用需求进行非连续波段检测，避免了光源在冗余波段上的功耗浪费。
本发明进一步优选为，所述宽谱响应滤波器具有多路光通道，通过多路光通道输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
本发明进一步优选为，所述宽谱响应滤波器为可调谐滤波器，通过调谐可在时序上形成多路光通道以输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
本发明进一步优选为，在所述宽谱光源和所述宽谱响应滤波器之间还是设有带通光滤波器；在对集合区间x1、x2、…、xk的各个分段进行计算重构时，所述带通光滤波器用于让对应各个分段的光谱选择性透过。
本发明进一步优选为，所述带通光滤波器设有多个，多个带通光滤波器具有不同透射带并分别设置于对应的光源上。
本发明在第三方面还提供了一种嵌入式计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面中所述的光谱分段计算重构方法。本发明所提供的嵌入式计算机设备与前述光谱分段计算重构方法的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明中所述光谱仪的结构示意图。
图2（a）-图2（e）是基于LED光源组合的连续分段式光谱重建过程示意图。
图3（a）-图3（d）是基于LED光源组合的非连续分段式光谱重建过程示意图。
图4是LED光源经过带通光滤波器的前后对比光谱特征图。
图5（a）-图5（e）是LED光源结合带通光滤波器后的连续分段式光谱重建过程示意图。
其中：100、宽谱光源；200、宽谱响应滤波器；300、宽谱光探测器；400、待测样品。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。
为便于对技术方案的理解，先对计算重构式光谱仪（或计算重建式光谱仪）的应用场景以及其工作原理进行简单地说明。
在生物传感、物质分析等应用场景中，为了精确分析物质含量，分析单种物质所需的光谱数据即达到数百nm，若需分析多种物质含量则往往需要1000nm以上的光谱信息。数百nm、或1000nm以上的光谱信息属于超宽谱范围。
传统的光谱特性检测方法通常是通过扫频激光器或者光谱仪实现。
扫频激光器方法的工作原理是激光器单波长输出，通过照射待测物体并收集散射或透射光获取单波长的散射或吸收信息，然后通过扫频激光器的扫频功能逐个波长进行扫描获得整个光谱的特性信息。这种方法需要逐个波长扫描，当所需波长点数较多时，会大量增加工作时间，一方面时间成本增加，另一方面对于某些快速发生变化的样品来说也不适合。扫频激光器的价格也比较昂贵，体积和质量都较大，如果所需光谱信息的波长范围较大，可能单个扫频激光器还无法满足应用需求，会进一步增加成本、体积和质量。
而计算重建式光谱仪的基本思想是通过N次光谱采样获得M个波长点光谱信息（M>N），这样可以通过较少次的采样获取较大量的光谱信息，减轻对器件的要求，使得器件可以做小、成本更低，进而可在各种便携式、低成本光谱分析应用场景中发挥有巨大的优势。
计算重建式光谱仪的具体工作原理如下：一束未知光谱的光信号先经过一个超宽谱响应的光滤波器、再进入超宽谱响应的光探测器得到一个光电流值I1，可以理解为该滤波器对输入光信号进行了一次全光谱采样、再进行各波长点处光功率的积分求和。类似地，经过N个不同的超宽谱响应光滤波器，即进行了N次全光谱采样。因此可以得到一个矩阵算式：
令；/>；/>；
式中F矩阵表示N个光滤波器的光谱响应（这里采用的是N个单路光通道的光滤波器，也可以采用一个具有N路光通道的滤波器），每行表示一个光滤波器，列数M表示波长点数；Φ矩阵表示输入光信号的光谱信息；I矩阵表示光探测器的光电流数据。式中出于简化考虑，假设了光探测器的光响应度在各波长点处均为1，且未考虑光链路中其它光学元件的损耗。
式中光滤波器的光谱响应F矩阵是可测得的，光电流I矩阵也是可测得的，由于M>N，即通过求解这个M个未知数、N个方程的欠定方程组来重建输入光信号的光谱信息。因为矩阵计算波长窗口以外的输入光信号并未考虑，但往往也在光探测器的响应波长范围内，为了减小计算重建误差，一般要求计算波长窗口以外的输入光信号能量要足够低。
以下结合具体场景对现有计算重建式光谱仪的计算步骤进行说明：在对一种多成分物质含量分析中，需要谱宽为1000nm、波长分辨率为0.2nm的光谱信息，则采用普通的计算重建式光谱仪需要测出5000个不同波长点的光强度信息。在计算重建式光谱仪中，波长点数量等同于待求解的未知数的个数，要一次性求解5000个未知数，需要的方程数量往往达到100个以上，面对如此数量的计算量，即使基于个人计算机平台，它的计算求解时间也往往达到数分钟，更不用说智能穿戴的低功耗处理器了。发明人发现如果能将待求解的波长点数控制在1000个以下，基于相同处理器平台则只需几秒钟；当波长点数控制在500个以下时，其计算重建时间则不到1秒。
基于上述情况，本发明提出了一种光谱分段计算重构方法，用于对波长范围落在集合区间X内的检测对象进行光谱重构，集合区间X的所对应的谱宽在500nm或1000nm以上，所求谱宽的波长分辨率在0.5nm以下，那么至少需要测出1000个波长点数的光强度信息。
其中集合区间X的非空真子集为集合区间x1、x2、…、xk且集合区间X=x1∪x2∪…∪xk；其中集合区间x1、x2、…、xk所对应的波长范围均为连续的。
所述光谱分段计算重构方法主要包括两步。第一步是有序地对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构，分别获取检测对象在对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk。需要说明的是这里计算重构（建）的方法为现有技术，可参考前文，此处的区别仅在于重构光源的频段是从宽谱中划分出来的一小段，而非整个宽谱，且需要通过多次计算重构来获得（不同）分段上的光谱特征信息集。
第二步是将对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行拼接重构，获得检测对象波长范围在集合区间X上的完整的光谱特征信息Y，Y=y1∪y2∪…∪yk。
需要说明的是，在一示范性的实施例中，可以在将对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行拼接重构前，对光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行优化，优化后的光谱特征信息集为y1’、y2’、…、yk’，最后将优化后的光谱特征信息集为y1’、y2’、…、yk’进行拼接重构。
在集合区间x1、x2、…、xk中，单个区间的长度决定了在计算重建光谱时需要测出的波长点数，随着点数的增加，计算耗时的增加是类似指数一样呈爆炸式增长的，故最好是根据计算设备的算力、谱宽和光谱要求的分辨率，将集合区间X进行均分，获得合适数量（即k的取值）的非空真子集为集合区间x1、x2、…、xk。
若谱宽要求1000nm和光谱要求的分辨率为0.2nm，那么则需要计算5000个波长点数，假设500个波长点数为该计算设备的最佳计算时耗，则可以确定k取值为10，集合区间x1、x2、…、x10中每段区间的长度均为100nm。
若谱宽要求500nm和光谱要求的分辨率为0.5nm，那么则需要计算1000个波长点数，假设500个波长点数为该计算设备的最佳计算时耗，则可以确定k取值为2，集合区间x1和x2中每段区间的长度均为250nm。
在按照不同集合区间的分段，逐次进行计算重建待测样品的光谱后，最后将各个分段上求取的光谱特征信息再频域上按照先后顺序进行拼接，获得检测对象波长范围在集合区间X上的完整的光谱特征信息，而拼接过程的时耗基本可以忽略不计。
从算力要求或计算耗时的角度来看，分段式计算重建方法有助于实现计算重建式光谱仪在低成本、低功耗设备中的应用。
以下将结合具体实施例，对光谱分段计算重构方法在不同结构光谱仪上的具体实现过程进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，示出了一种光谱仪，用于通过光谱分段计算重构方法获取待测样品400的光谱特征信息，该光谱仪包括宽谱光源100、宽谱响应滤波器200、宽谱光探测器300和数据处理模块。宽谱光源100产生的光谱经宽谱响应滤波器200响应后被宽谱光探测器300接收，其中待测样品400可以设置在宽谱光源100和宽谱响应滤波器200之间，也可放在宽谱响应滤波器200和宽谱光探测器300之间，两者均可，本实施例不做限制（附图中仅示出待测样品的一种实施方式为例进行说明）。
其中宽谱光源用于提供波长范围可覆盖集合区间X的光谱。目前能同时提供光谱在数百纳米以上的超宽谱光源往往占用体积较大，使得其无法集成到小尺寸、低成本的设备中，即使不计成本地集成到小尺寸的设备中，但是其工作时要覆盖如此广的频段，因此功耗较大，严重影响了小尺寸设备的续航。故本实施例中的宽谱光源是由多个位于不同波段范围且可相互独立工作的光源组成。不同波段范围的光源仅在对该分段进行计算重建时工作，所以可以有效地降低非工作波段上光源的功耗，同时降低器件温度和散热要求，从而可以提高小尺寸设备的续航。
宽谱响应滤波器用于在对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构时分别获取与集合区间x1、x2、…、xk相对应的光谱响应矩阵。
具体地，所述宽谱响应滤波器在空间上具有多路光通道，通过多路光通道输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
需要说明的是，在另一可实施的替代方案中，所述宽谱响应滤波器还可以采用可调谐滤波器，在使用时通过多次调谐可在时序上形成多路光通道以输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
宽谱光探测器接收所述光谱响应矩阵，并将其转化为对应的电信号。本实施例中采用一个宽谱光探测器，单个光探测器能够被多个（单个光路通道的）滤波器共用，或者是单个光探测器能够被滤波器的时域多路光通道共用。需要说明的是，除了上述方案外，也可在以每个单通道的滤波器后接一个宽谱光探测器，或者是在多光路通道的滤波器的每一个光路通道后接一个宽谱光探测器，亦可以起到同样的效果。
数据处理模块则用于接收所述电信号、按照各个分段依次进行计算重构并在完成分段重构后对于各段重构的光谱特征信息进行拼接。数据处理模块为具有计算功能的中央处理器、微控制器、微处理器的芯片或计算系统。
本实施例中，多个不同波段的宽谱光源按时间顺序先后开启工作，在某一波段的宽谱光源开启的期间，对该波段使用现有计算重构方法进行计算重构，从而获取该波段上的光谱特征信息，待所有波段的光谱特征信息全部获取后，再对其进行拼接，即可得到检测对象在超宽谱上的完整光谱特征信息。
该光谱仪采用了分段计算重构方法，可以大幅度减小超宽谱计算重建式光谱仪对计算算力的要求，也减小了单个光源的带宽要求，可使光谱传感系统更加小型化和低成本。
此外，由于不同物质的光谱吸收特征波段并不连续、甚至同一种物质分析所需的光谱波段也不连续，如果采用了分段计算重构方法的光谱仪，可以节省在冗余波段的器件成本、器件功耗和算力上的浪费；有助于定制化、非连续光谱分析的实现，节约产品功耗，具体参见实施例3。
最后，便携式设备中缺乏数百nm以上的超宽谱光源。例如，近红外LED光源的带宽只有100nm左右，近红外SLD光源的带宽则只有几十nm。如果需要数百nm以上光谱分析一次性重建，意味着需要数个、或10个以上的光源同时工作，器件的瞬时功耗要求是巨大，发热量极大从而导致器件性能下降，不利于低功耗设备的实现。而如果采用分段式计算重建光谱仪，利用这些不同波段的光源可以按照时间先后顺序依次工作，瞬时功耗极大下降，类似便携式穿戴这类低功耗设备的电源管理模块电路更容易实现、更容易小型化。
综上，使用用多个不同波段的光源、分段式计算重建的思想，可以解决便携式光谱分析应用场景中的计算算力、功耗问题，还可以减少不必要光谱波段的资源浪费。
实施例2：
如图2(a)-图2(e)所示，示出了另一种光谱仪的连续分段式光谱重建过程。该光谱仪的宽谱光源是基于LED光源组合而成的，本实施例中仅以4颗不同波段的LED为例进行说明，光源具体数量可以根据实际情况而定，不做限制。其中波长范围的集合区间[λ1，λ5]是期望检测的光谱范围，[λ1，λ2]、[λ2，λ3]、[λ3，λ4]和[λ4，λ5]这4个分段是根据光谱要求的分辨率、设备算力和光源的波段范围来划分而出的。
如图2(a)中虚线框所示，为期望检测的光谱范围。4颗LED的光谱如图2(a)中4条类高斯型实线所示，彼此有一定交叠，每颗LED分时逐个点亮。当LED1点亮时，对本分段进行计算重建的光谱范围如图2(b)的阴影部分所示，阴影部分对应的波长范围超出虚线框，待计算重建之后仅保留虚线框中光谱范围的数据，即[λ1，λ2]段的光谱范围的数据。需注意的是计算重建的光谱范围需较宽，使得计算重建光谱范围之外部分LED功率足够小到对重建精度的影响可忽略不计。图中最终保留数据的光谱范围小于计算光谱范围，是考虑到LED功率较低波长处的光谱计算重建误差较大。依次点亮LED2-LED4，重复上述步骤，获得待检测对象在其余波段的光谱响应，4次重建后保留的光谱范围叠加构成期望的待检测对象在λ1到λ5的连续光谱响应。
需要说明的是，为了方便理解，在本实施例中由光源LED1提供了的光谱波长范围正好在[λ1，λ2]，即根据算力、分辨率等因素所划分的这段，也即是所需要计算的一段波长范围。但是在实际应用中受限于制造工艺和成本等因素影响，光源中仅凭单颗LED所提供的光谱波长可能远小于[λ1，λ2]，不足以完全覆盖这一段，故还可以由多个光源同时工作，恰好提供足以覆盖[λ1，λ2]的光谱。同理，其他波长范围也可能存在这种情况，此处不再详述。
实施例3：
如图3（a）-图3（d）所述，示出了示出了另一种光谱仪的非连续分段式光谱重建过程。该光谱仪的宽谱光源是基于LED光源组合而成的，本实施例中仅以3颗不同波段的LED为例进行说明，光源具体数量可以根据实际情况而定，不做限制。其中波长范围的集合区间[λx1，λx3]∪[λy1，λy2]是期望检测的光谱范围，[λx1，λx2]、[λx2，λx3]和[λy1，λy2]这3个分段是根据光谱要求的分辨率、设备算力和光源的波段范围来划分而出的。其中[λx1，λx2]和[λx2，λx3]是从一个连续的波段上划分出来的，[λy1，λy2]是另一个单独的波段，[λx1，λx3]和[λy1，λy2]折两个波段不连续。
如图3(a)中虚线框所示，为期望检测的光谱范围。3颗LED的光谱如图3(a)中3条类高斯型实线所示。LED1和LED2组合实现λx1到λxi波段范围的光谱检测，LED3完成λy1到λyj波段范围的光谱检测。各个LED分别检测时的波段示意如图3(b)-图3(d)所示，图示的含义与图2类似，不再赘述。
LED光源的光谱特征是类似于高斯型，边带滚降非常缓慢，在单次光谱重建时要求计算的波长范围远大于LED光源的半高谱宽，增加了对设备计算算力的要求。
为了减小计算波长窗口，可以在LED光源上设置带通光滤波器，对LED光谱进行一次带通滤波，使得在对各个分段进行计算重构时，通过带通光滤波器让对应各个分段的光谱选择性透过，减少计算波长窗口。这个带通光滤波器可基于镀膜光滤波器来实现，镀膜光滤波器可以设置在LED光源上，也可以设置在LED后面，不同波段的LED上设置不同透射带的镀膜光滤波器，滤波前后的光谱特征如图4所示。基于带通滤波后LED光源的连续分段式光谱重建如图5（a）-图5（e）所示，图中定性示意了每次光谱重建的计算波长窗口可以大幅度地减小。
与此同时，本实施例还提供了一种嵌入式计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述光谱分段计算重构方法。该嵌入式计算机设备可以是智能穿戴设备如智能手表、智能手环等，该智能穿戴设备集成了本发明中的光谱仪；该嵌入式计算机设备还可以是便携式计算重构光谱检测仪器。
本领域普通技术人员可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。据此，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可实现上述任意一项实施例的方法。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (11)

1.一种光谱分段计算重构方法，其特征在于，用于计算重建式光谱仪中对波长范围落在集合区间X内的检测对象的光谱进行光谱重构，集合区间X的非空真子集为集合区间x1、x2、…、xk且集合区间X=x1∪x2∪…∪xk；其中集合区间x1、x2、…、xk所对应的波长范围均为连续的；集合区间X上总的波长点数根据波长分辨率确定；集合区间x1、x2、…、xk的单个区间长度根据总的波长点数确定；
所述光谱分段计算重构方法包括：
有序地对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构，分别获取检测对象在对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk；其中对单个集合区间计算重构时所使用的光谱数据与该集合区间所对应的波长点数相关；所述光谱特征信息集y1、y2、…、yk为对应区间上与波长点数相关的光强度信息；
将对应波长范围的光谱特征信息集y1、y2、…、yk进行拼接重构，获得检测对象波长范围在集合区间X上的完整的光谱特征信息Y。
2.根据权利要求1所述的光谱分段计算重构方法，其特征在于，集合区间X的所对应的谱宽在200nm或500nm或1000nm以上。
3.根据权利要求1所述的光谱分段计算重构方法，其特征在于，集合区间X的波长范围中至少有两段是不连续的。
4.根据权利要求1所述的光谱分段计算重构方法，其特征在于，在对集合区间x1、x2、…、xk中任一区间段上的光谱进行计算重构时，先计算重构一个波段范围覆盖该区间段的光谱，再从中裁切并保留对应该区间段的光谱。
5.根据权利要求1所述的光谱分段计算重构方法，其特征在于，在对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分别进行计算重构时，波长分辨率在0.5nm以下。
6.一种计算重建式光谱仪，用于获取待测样品的光谱特征信息，其特征在于，包括：
宽谱光源，所述宽谱光源包括多个位于不同波段范围且可相互独立工作的光源，所有的光源同时工作时提供波长范围可覆盖集合区间X的光谱；
宽谱响应滤波器，用于在对集合区间x1、x2、…、xk的光谱分段进行计算重构时分别获取与集合区间x1、x2、…、xk相对应的光谱响应矩阵；
宽谱光探测器，接收所述光谱响应矩阵，并将其转化为对应的电信号；以及，
数据处理模块，用于接收所述电信号、按照各个分段依次进行计算重构并在完成分段重构后对于各段重构的光谱特征信息进行拼接；
其中，集合区间x1、x2、…、xk为集合区间X的非空真子集且x1∪x2∪…∪xk=X；集合区间x1、x2、…、xk所对应的波长范围均为连续的；集合区间X上总的波长点数根据波长分辨率确定；集合区间x1、x2、…、xk的单个区间长度根据总的波长点数确定；
在对单个集合区间计算重构时所使用的光谱数据与该集合区间所对应的波长点数相关；所述光谱特征信息集y1、y2、…、yk为对应区间上与波长点数相关的光强度信息。
7.根据权利要求6所述的光谱仪其特征在于，所述宽谱响应滤波器具有多路光通道，通过多路光通道输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
8.根据权利要求6所述的光谱仪其特征在于，所述宽谱响应滤波器为可调谐滤波器，在使用时通过多次调谐可在时序上形成多路光通道以输出的不同透射谱来建立所述光谱响应矩阵。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的光谱仪，其特征在于，在所述宽谱光源和所述宽谱响应滤波器之间还是设有带通光滤波器；在对集合区间x1、x2、…、xk的各个分段进行计算重构时，所述带通光滤波器用于让对应各个分段的光谱选择性透过。
10.根据权利要求9中所述的光谱仪，其特征在于，所述带通光滤波器设有多个，多个带通光滤波器具有不同透射带并分别设置于对应的光源上。
11.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的光谱分段计算重构方法。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101865838A (zh) * 2010-06-22 2010-10-20 南京地质矿产研究所 可见光-近红外光纤光谱仪
CN107560735A (zh) * 2017-09-07 2018-01-09 西安电子科技大学 基于压缩感知的高分辨率红外成像系统及方法
CN108917923A (zh) * 2018-07-12 2018-11-30 深圳技术大学（筹） 功率测量方法和电子设备
CN112557332A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 华东理工大学 一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101865838A (zh) * 2010-06-22 2010-10-20 南京地质矿产研究所 可见光-近红外光纤光谱仪
CN107560735A (zh) * 2017-09-07 2018-01-09 西安电子科技大学 基于压缩感知的高分辨率红外成像系统及方法
CN108917923A (zh) * 2018-07-12 2018-11-30 深圳技术大学（筹） 功率测量方法和电子设备
CN112557332A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 华东理工大学 一种基于光谱分峰拟合的光谱分段和光谱比对方法

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