一种退卷积的超高光谱分辨率增强方法与流程

本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种退卷积的超高光谱分辨率增强方法。

背景技术：

光谱分析是诸如通信、传感、分子光谱仪、微波生成等光学应用中的关键诊断工具。例如使用光学方法对光纤通信系统中传输的超高速率信号进行光谱测量得到调制频率近似值，是诊断和监视传输信号的一种有效手段；激光光谱包含辐射特性大部分信息，因此激光光谱测量对于光学网络的设计和实现具有重要作用。

目前，常用的是基于光栅衍射的光谱分析仪，它具有宽光谱范围和高扫描速度等优点，通常其最好的仪器分辨率被限制在～2ghz。需要更高分辨率时，通常采用基于均差或外差技术的光谱分析仪。均差技术需要一个频率很接近待测源的本地振荡器，通常难以实现，特别是对于超高分辨率(<10mhz)。外差技术可克服这一缺陷，虽然该技术较为主流，但其缺点也很明显，它需要诸如声光调制器和rf或微波源等昂贵光学元件驱动；需要很长的光纤，例如5khz分辨率需要40km光纤，此时光纤的损耗和非线性效应不能忽略，这会影响最终的信号。

随着新一代光网络发展，特别是各种先进调制格式的应用，以及新型光学器件的发展，他们通常需要mhz量级或更好的光谱分辨能力，以上光谱分析技术显然难以满足应用需求。针对这一现状，出现了一种很有前途的超高光谱分析原理--基于光纤受激布里渊效应。该光谱分析技术的基本原理是，受激布里渊散射允许选择待测光学信号的特定光谱成分放大以进行分析。即待测信号与特性波长的窄带泵浦信号按相向传播方向注入光纤，当泵浦信号强度足够大，并且满足所需的空间相干性时，会在光纤中发生受激布里渊效应，产生一个与泵浦信号传播方向相反的后向散射信号，该信号频率等于泵浦信号频率加上与泵浦信号频率相关的受激布里渊频移，后向散射信号强度由泵浦信号和待测信号强度决定，同时也与相互作用的光纤类型、长度、偏振特性等因素有关。因此通过不断改变入射泵浦信号频率，就可实现对待测信号对应频率范围的光谱成分测量。

对于光谱分析系统，其测量得到的光谱通常是仪器线型函数与真实光谱卷积的结果，也就是光谱分析系统的最好光谱分辨率受到仪器线型函数的限制。基于受激布里渊效应的光谱分析技术，它的仪器线型函数即为受激布里渊增益谱，他们的最好光谱分辨率能力受到受激布里渊增益谱宽的限制，最好水平只能到数十mhz，虽然已有的几个基于受激布里渊效应的光谱分析技术，如专利号为zl201610323536.6的中国专利采用了诸如受激布里渊增益谱叠加损耗谱等方法实现光谱分辨率增强，但随之带来光谱信噪比降低等问题，并且光谱分辨率改善有限，目前现有的方法仍然不能突破受激布里渊增益谱宽对于光谱分辨率的限制，难以进一步提高。因此，受限于受激布里渊增益谱宽的限制，基于受激布里渊效应的光谱分析系统在某些场合已不能满足对更高光谱分辨率的需求，存在光谱分辨能力瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种可突破受激布里渊增益谱宽引入的光谱分辨率限制，实现超高光谱的分辨率增强的退卷积的超高光谱分辨率增强方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种退卷积的超高光谱分辨率增强方法，包括以下步骤：

步骤1：首先根据式(1)建立基于受激布里渊效应的光谱分析系统中单模保偏光纤链路中产生的受激布里渊增益谱的数学模型：

其中，gb(ν)为受激布里渊增益谱，g0为受激布里渊谱峰值，c和1-c为常数分别表示洛伦兹线型和高斯线型所占权重，p＝(n²-1)(n+2)/3为光纤的电致伸缩系数，ρ为光纤纤芯材料密度，c为真空中的光速，νb为布里渊增益谱频率(单位为hz)，△νp为泵浦信号谱宽，νb＝1/(2πtb)为布里渊增益谱宽，tb为光纤中的声子寿命，gesp(ν)表示光纤自发布里渊散射等引入的光谱分量，通常用高斯函数线型表示；

步骤2：光谱分析系统测量得到的光谱采用式(2)中sm(ν)表示，在光谱分析系统的每一光谱采样点，基于受激布里渊增益谱数学模型，对测量得到的超高光谱进行退卷积，

sm(ν)＝sr(ν)×gb(ν)(2)

光谱分析系统测量得到的光谱sm(ν)通常可表示为真实光谱sr(ν)与受激布里渊增益谱gb(ν)的卷积，对测量得到的光谱sm(ν)移除光谱分析系统的仪器线型函数，即移除受激布里渊增益谱gb(ν)对于测量光谱的影响，即可得到测量目标的真实光谱，得到的分辨率增强的目标光谱sp(ν)，如式(3)所示：

sp(ν)＝ifft{fft(sm(ν))./fft(gb(ν))}(3)

对测量得到的光谱sm(ν)移除光谱分析系统的仪器线型函数，即移除受激布里渊增益谱对于测量光谱的影响，即可得到测量目标的真实光谱，从而可实现光谱分析系统的光谱分辨率增强，此过程即为退卷积，得到的分辨率增强的目标光谱sp(ν)可由下式给出：

sp(ν)＝ifft{fft(sm(ν))./fft(gb(ν))}(4)

其中，fft表示傅里叶变换，ifft表示逆傅里叶变换；

步骤3：采用帕德逼近光谱拟合方法消除退卷积得到的超高光谱中存在的光谱缺陷，对目标光谱sp(ν)进行光谱拟合，并与拟合结果进行比较，如果两者偏差超过20％，则用拟合值代替光谱sp(ν)的对应光谱采样点，从而最终得到分辨率增强的目标光谱suh(ν)。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提出的超高光谱分辨率增强方法，无需对硬件进行更新，仅需要在光谱数据处理环节，增加基于退卷积的超高光谱分辨率增强算法，即可突破受激布里渊增益谱宽引入的光谱分辨率限制，实现超高光谱的分辨率增强，具有简单、高效的特点；

(2)本发明可方便的应用到现有的基于受激布里渊效应的超高光谱分析系统，并将光谱分辨率提高到1mhz以下。

附图说明

图1为基于受激布里渊效应的超高光谱分析系统原理图。

其中，1为待测信号光，2为单模保偏光纤链路；3为光学环行器，4为可调谐激光光源，5为受激布里渊增益谱，6为探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，为基于受激布里渊效应的超高光谱分析系统原理图，待测信号光1与经光学环行器3的可调谐激光光源4输出的泵浦光，在单模光纤链路2中产生受激布里渊效应，产生的选频放大光谱信号经光学环行器3被探测器6接收，通过连续改变可调谐激光光源4输出的泵浦光的波长，便可实现待测信号光1的光谱分析。一种退卷积的超高光谱分辨率增强方法，包括以下步骤：

步骤1：首先根据式(1)建立基于受激布里渊效应的光谱分析系统中单模保偏光纤链路中产生的受激布里渊增益谱的数学模型：

其中，gb(ν)为受激布里渊增益谱，g0为受激布里渊谱峰值，c和1-c为常数分别表示洛伦兹线型和高斯线型所占权重，p＝(n²-1)(n+2)/3为光纤的电致伸缩系数，ρ为光纤纤芯材料密度，c为真空中的光速，νb为布里渊增益谱频率(单位为hz)，△νp为泵浦信号谱宽，νb＝1/(2πtb)为布里渊增益谱宽，tb为光纤中的声子寿命，gesp(ν)表示光纤自发布里渊散射等引入的光谱分量，通常用高斯函数线型表示；

步骤2：光谱分析系统测量得到的光谱sm(ν)通常可表示为真实光谱sr(ν)与受激布里渊增益谱gb(ν)的卷积，这显然会引起测量光谱的展宽，导致光谱分析系统的光谱分辨率变差，这也是限制光谱分析系统最好光谱分辨率的主要来源；光谱分析系统测量得到的光谱采用式(2)中sm(ν)表示，在光谱分析系统的每一光谱采样点，基于受激布里渊增益谱数学模型，对测量得到的超高光谱进行退卷积，

sm(ν)＝sr(ν)×gb(ν)(2)

光谱分析系统测量得到的光谱sm(ν)通常可表示为真实光谱sr(ν)与受激布里渊增益谱gb(ν)的卷积，对测量得到的光谱sm(ν)移除光谱分析系统的仪器线型函数，即移除受激布里渊增益谱gb(ν)对于测量光谱的影响，即可得到测量目标的真实光谱，得到分辨率增强的目标光谱sp(ν)，如式(3)所示：

sp(ν)＝ifft{fft(sm(ν))./fft(gb(ν))}(3)

对测量得到的光谱sm(ν)移除光谱分析系统的仪器线型函数，即移除受激布里渊增益谱对于测量光谱的影响，即可得到测量目标的真实光谱，从而可实现光谱分析系统的光谱分辨率增强。此过程即为退卷积，得到的分辨率增强的目标光谱sp(ν)可由下式给出：

sp(ν)＝ifft{fft(sm(ν))./fft(gb(ν))}(4)

其中，fft表示傅里叶变换，ifft表示逆傅里叶变换；

步骤3：考虑到光谱分析系统可能存在缺陷、测量过程的噪声等引入误差、受激布里渊增益谱数学模型可能存在的误差等因素，可能导致退卷积得到的分辨率增强的目标光谱sp(ν)中存在鬼线等光谱缺陷，采用帕德逼近光谱拟合方法消除退卷积得到的超高光谱中存在的光谱缺陷，对目标光谱sp(ν)进行光谱拟合，并与拟合结果进行比较，如果两者偏差超过20％，则用拟合值代替光谱sp(ν)的对应光谱采样点，从而最终得到分辨率增强的目标光谱suh(ν)。结合基于受激布里渊效应的光谱分析原理，经对比分析，帕德逼近拟合方法效果最佳。因此本发明采用帕德逼近拟合方法实现退卷积光谱的修正，最终得到分辨率增强的目标光谱suh(ν)。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。