[發(fā)明專利]基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107014491B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設計）人: 宮睿;馮蕾;朱磊;劉杰濤;郭成飛;王劍南
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01J3/44
• 分類號: G01J3/44
• 代理公司: 深圳精智聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司44393
• 代理人: 王海棟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

光譜測量在天文觀測、化學及材料分析、生物醫(yī)學以及光源特性檢測等領(lǐng)域應用廣泛。傳統(tǒng)的光譜測量系統(tǒng)通常采用光柵或棱鏡來實現(xiàn)光譜到空間的一對一映射，通過將不同波長的信號光投影到不同的空間位置并采用狹縫控制輸出光來實現(xiàn)光譜測量，但光柵、棱鏡等分光元件的尺寸極大的限制了傳統(tǒng)光譜測量系統(tǒng)的光譜分辨率，同時該類系統(tǒng)需要進行掃描。相對于狹縫類光譜測量系統(tǒng)，干涉光譜測量系統(tǒng)具有較高的光譜分辨率，但其需要不斷驅(qū)動動鏡來實現(xiàn)光譜測量。

隨著科技的不斷發(fā)展，新型光譜測量系統(tǒng)采用更復雜的光譜到空間的映射，比如將光譜信息投影為復雜的強度圖樣，同時采用光譜傳輸矩陣(STM)來儲存不同入射波長對應的空間強度，最后利用光譜重建算法實現(xiàn)信號光光譜的重建。相比于傳統(tǒng)的光譜測量系統(tǒng)，該類系統(tǒng)在分光元件的選擇上具有極大的靈活性，例如可以采用無序光子晶體、布拉格光纖陣列、多模光纖等等。然而，無序光子晶體、布拉格陣列等分光元件構(gòu)成的光譜測量系統(tǒng)通常有較低的光譜分辨率、高的插入損耗及低的信噪比；多模光纖構(gòu)成的光譜測量系統(tǒng)雖有較高的光譜分辨率，但其抗擾動性很差，對機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求高，極其容易受到各種噪聲的影響，無法以較高的光譜分辨率實現(xiàn)寬譜信號光光譜測量，從而無法準確重建光譜。因此，研究一種結(jié)構(gòu)簡單、抗擾動能力強、低成本且有較高光譜分辨率的光譜測量系統(tǒng)具有重要的應用價值和前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)及方法，以實現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性、高光譜分辨率的光譜測量技術(shù)，推進科技進步。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的一個實施例提供了一種基于散射原理的光譜測量系統(tǒng)，包括：待測支路A、標定支路B、分光棱鏡3、散射編碼分系統(tǒng)C、探測器6；所述待測支路A與所述標定支路B均與所述分光棱鏡3連接，所述分光棱鏡3、所述散射編碼分系統(tǒng)C及所述探測器6依次串行連接；其中，

所述待測支路A用于接收待測信號光1；

所述標定支路B用于產(chǎn)生標定光；

所述分光棱鏡(3)用于對所述待測信號光(1)和所述標定光進行合束處理形成合束光；

所述散射編碼分系統(tǒng)(C)用于對所述合束光進行擴散和編碼處理以將所述待測光信號的光譜信息映射為散斑圖；

所述探測器(6)用于接收所述散斑圖。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述待測支路A包括準直系統(tǒng)2。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述標定支路B包括單色儀7和標定光源8，所述單色儀7分別與所述標定光源8和所述分光棱鏡3相連。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述標定光源8為非相干光光源。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述散射編碼分系統(tǒng)(C)包括擴束準直系統(tǒng)(4)和隨機散射介質(zhì)(5)，所述擴束準直系統(tǒng)(4)和所述隨機散射介質(zhì)(5)依次串接于所述分光棱鏡(3)與所述探測器(6)之間；其中，

所述擴束準直系統(tǒng)(4)用于對所述合束光進行擴束處理形成擴束光；

所述隨機散射介質(zhì)(5)用于對所述擴束光進行編碼處理形成所述散斑圖。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述擴束準直系統(tǒng)4包括第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；所述標定光源8位于所述第一透鏡的焦距處，所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡的光軸重合。

在本發(fā)明的一個實施例中，所述隨機散射介質(zhì)5為各向同性散射介質(zhì)。

本發(fā)明的另一個實施例提供了一種基于散射原理的光譜測量方法，適用于上述任一實施例提供的所述系統(tǒng)，其中，所述方法包括：

步驟1：根據(jù)待測信號光的光譜范圍及光譜分辨率確定標定光源的標定光譜的范圍及步長；

步驟2：打開標定支路，關(guān)閉待測支路；

步驟3：對標定光譜的范圍進行掃描以完成標定；

步驟4：關(guān)閉標定支路，打開待測支路；

步驟5：采集待測信號光對應的散斑圖，依據(jù)光譜傳輸矩陣采用奇異值分解法求得所述光譜傳輸矩陣的逆矩陣，從而重建出待測信號光光譜。

在本發(fā)明的一個實施例中，步驟3包括：

間隔一個步長調(diào)整單色儀輸出的中心波長；

使用探測器對中心波長的光對應的強度分布圖進行采集形成散斑圖；

將散斑圖轉(zhuǎn)化為列向量，由列向量組成所述光譜傳輸矩陣以完成所述標定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢為：