[發明專利]基于狹縫寬度調制的光柵光譜儀分辨率增強方法及系統

在審

• 申請號: 202210162467.0
• 申請日: 2022-02-22
• 公開（公告）號: CN114485933A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 何晉平;王宇韜
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: G01J3/04
• 分類號: G01J3/04;G01J3/28
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李湘群

本發明公開了一種基于狹縫寬度調制的光柵光譜儀分辨率增強方法及系統，通過對狹縫進行調制和采集光譜數據，利用曲線擬合和外推，最終獲得分辨率增強的光譜。本發明的有益效果是，通過狹縫寬度調制和光譜外推，解決了光柵光譜儀分辨率和信噪比之間的矛盾，在不降低光譜儀信噪比的情況下，增強光譜儀分辨率。且本方法操作簡單、成本低廉且無需標定光學傳遞函數，僅需調節光譜儀入射狹縫寬度，即可獲得高分辨率高信噪比的光譜。

技術領域

本發明涉及光學測量技術領域，特別是涉及一種光譜分辨率增強方法。本發明還涉及這種光譜分辨率增強方法所使用的設備系統。

背景技術

光譜分析是人類認識世界的基本手段之一，在當今世界，無論是科學研究還是工業生產，都早已離不開光譜分析。人們通過光譜儀來獲取光譜，而光柵光譜儀是最基礎和使用最廣泛的光譜儀之一。典型的光柵光譜儀由狹縫、光柵、透鏡組和相機組成，待測光照射在狹縫上進入系統，經過透鏡組準直后照射在光柵上進行色散，色散后的光經過透鏡組聚焦在相機上被采集為光譜。

光柵光譜儀狹縫寬度的大小影響光譜的分辨率，在一定范圍內狹縫寬度越小，光譜的分辨率越高。然而，光柵光譜儀狹縫寬度的大小還影響光譜的信噪比，狹縫寬度越小，進入系統的能量越少，最后光譜的信噪比越低。因此很顯然，光柵光譜儀的光譜分辨率和信噪比之間存在著矛盾。

光柵光譜儀的光譜分辨率和信噪比之間的矛盾限制了其在微弱光信號探測方面的應用。例如，在天文觀測中，來自遙遠星體的光往往都很微弱，而天文觀測又需要高分辨率光譜，因此，無論是使用小狹縫還是大狹縫，分辨率和信噪比總有一個無法滿足要求。

現有的解決光柵光譜儀分辨率和信噪比之間矛盾的方法主要有像切分法、退卷積法和孔徑編碼法等，但它們都有著各自的局限性。像切分法將入射光斑切割成若干條形子圖，再將這些條形子圖重新組合成一個狹長的條形像后輸入狹縫。由于該方法提高了輸入進系統的能量，因此能在小狹縫的情況下提高信噪比。但像切分器的光路設計復雜、設備成本高昂，局限了其在實際中——尤其是小型光譜儀器——的使用。退卷積法利用光譜儀的光學傳遞函數，通過數據后處理算法將低分辨率光譜恢復為高分辨率的光譜，因此可以先使用大狹縫犧牲分辨率換取信噪比，再通過退卷積算法提高分辨率。但在實際使用中，光譜儀光學傳遞函數的準確標定有較大難度，若光學傳遞函數標定不準確，則其標定誤差和光譜噪聲會導致光譜恢復結果產生錯誤?？讖骄幋a法先對大狹縫進行孔徑編碼，得到高信噪比的編碼光譜數據，再通過數據后處理算法重建出高分辨率光譜。但孔徑編碼光譜儀受編碼模板加工精度和模板衍射效應的影響，分辨率的提升難以達到理論預期。

可見，現有的解決光柵光譜儀分辨率和信噪比之間矛盾的方法都有著各自的局限性。因此，發展一種使用簡便、成本低廉且無需標定光學傳遞函數的光譜分辨率增強方法來解決這一矛盾具有實用價值。

發明內容

本發明提供一種基于狹縫寬度調制的光柵光譜儀分辨率增強方法，該方法能夠解決光柵光譜儀分辨率和信噪比之間的矛盾，在不降低光譜儀信噪比的情況下，增強光譜儀分辨率。本方法操作簡單、成本低廉且無需標定光學傳遞函數，僅需調節光譜儀入射狹縫寬度，即可獲得高分辨率高信噪比的光譜。本發明還涉及提供這種光譜分辨率增強方法所使用的設備系統。

為實現上述目的，本發明提出如下技術方案：

基于狹縫寬度調制的光柵光譜儀分辨率增強方法，包括如下步驟：

S1：調節光譜儀狹縫寬度，使其幾何像的寬度從最大寬度T₁縮小到最小寬度T_N，在每一個不同的T下采集光譜數據，得到光譜數據序列{s(x，T₁)，s(x，T₂)，...，s(x，T_N)}；