宽谱可编程滤波装置、标定装置及方法、光谱重构方法

本发明主要涉及到光谱测量，尤其是一种宽谱可编程滤波装置、标定装置及方法、光谱重构方法。

背景技术：

1、光谱仪在环境监测、生物化学、天文、医疗以及国防安全等领域被广泛应用，但传统的光谱仪面临分辨率与体积、工作带宽、扫描时长等方面的矛盾，不能满足一些特殊场景的需求。

2、窄带滤波型光谱仪通过选择性地透射特定波长的光，实现对光谱的检测。这种光谱检测机制对光路尺寸要求不高，更容易实现集成化和轻质化。而且通过设计窄线宽的滤波器，可以实现高分辨率的光谱测量。但是随着滤波的线宽变窄，系统的光利用率将下降，从而导致光谱测量的信噪比降低。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种宽谱可编程滤波装置、标定装置及方法、光谱重构方法。本发明通过宽谱可编程滤波技术，结合计算重构算法实现光谱探测，可以在保持高分辨率的同时，大大提升光谱测量带宽。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种宽谱可编程滤波装置，包括液晶空间光调制器、光纤兼容散射介质和单模光纤，入射光垂直入射到液晶空间光调制器上，通过在液晶空间光调制器上加载不同的随机相位图案，对耦合进入光纤兼容散射介质的光场进行相位调制；光纤兼容散射介质的末端光场分布为其入射端波前的函数，在光纤兼容散射介质后熔接一段单模光纤，利用单模光纤的小模场进行空域采样辅助的频域滤波，使得只有耦合进入单模光纤的光谱成分才能透过，每改变一次液晶空间光调制器上加载的随机相位图案，即可实现一次滤波状态。

4、进一步地，宽谱可编程滤波装置还包括扩束器、第一偏振片、第二偏振片、第一凸透镜、第二凸透镜以及物镜，入射光入射到扩束器，经扩束器扩束后的光通过第一偏振片后斜入射到液晶空间光调制器，经液晶空间光调制器进行相位调制后的光经第二偏振片，再经第一凸透镜、第二凸透镜缩束，缩束后的光被物镜耦合进入光纤兼容散射介质，经光纤兼容散射介质后熔接的单模光纤输出。

5、进一步地，所述光纤兼容散射介质为积分球或多模光纤。

6、另一方面，提供一种宽谱可编程滤波装置的标定装置，包括可调谐标定光源、宽谱可编程滤波装置以及光电探测器。宽谱可编程滤波装置即上述任一种宽谱可编程滤波装置。

7、另一方面，提供一种宽谱可编程滤波装置的标定方法，包括：

8、(1.1)将可调谐标定光源连接到宽谱可编程滤波装置，宽谱可编程滤波装置输出光强被光电探测器接收；

9、(1.2)设置宽谱可编程滤波装置为第i个滤波状态，其中i＝1,2,…,n；

10、(1.3)在第i个滤波状态下，设定可调谐标定光源输出为第j个波长光，j＝1,2,…,m；计算在第j个波长下，光电探测器接收的光强值与可调谐标定光源的输出光强值之比tij；

11、(1.4)在第i个滤波状态下，通过改变可调谐标定光源输出光的波长，遍历第1～m个波长，获得第i个滤波状态下的宽带可编程滤波谱ti，其中：

12、

13、(1.5)更新宽谱可编程滤波装置的滤波状态，令i＝i+1，重复步骤(1.3)和(1.4)，直至遍历宽谱可编程滤波装置的第1～n个滤波状态，获得宽带可编程滤波矩阵tn×m，其中：

14、

15、在对宽谱可编程滤波装置完成标定，获得宽带可编程滤波矩阵tn×m后，可以利用宽谱可编程滤波装置以及标定得到的宽带可编程滤波矩阵tn×m实现待测光谱的重构。具体地，提供一种基于宽谱可编程滤波的光谱计算重构方法，包括：

16、(1)采用上述宽谱可编程滤波装置的标定方法对宽谱可编程滤波装置完成标定；

17、(2)通过测量及标定得到的宽带可编程滤波矩阵重构待测光谱；

18、(2.1)待测光耦合至宽谱可编程滤波装置，宽谱可编程滤波装置输出光强被光电探测器接收；

19、(2.2)设置宽谱可编程滤波装置为第i个滤波状态，其中i＝1,2,…,n；

20、(2.3)在第i个滤波状态下，记录光电探测器接收光强值ii；

21、(2.4)更新宽谱可编程滤波装置的滤波状态，令i＝i+1，重复步骤(2.3)，直至遍历宽谱可编程滤波装置的第1～n个滤波状态，获得观测强度矢量in，其中：

22、

23、(2.5)根据标定得到的宽带可编程滤波矩阵tn×m和观测强度矢量in重构待测光谱sm。

24、为了实现高光谱分辨率的同时提升信噪比，光谱计算重构是一种有效的技术手段。其利用高速计算技术从一组探测器内编码的预校准信息中近似或“重建”入射光谱，部分替代物理分光元件的工作负荷，是未来高分辨率光谱探测的一大趋势。通过宽带可编程滤波的方式将原始光谱编码成一系列观测量，而后结合重构算法从观测量中解码出原始光谱，可以大大提升系统的光通量，从而提升了光谱测量的信噪比。

25、本发明基于宽谱可编程滤波实现光谱计算重构，与窄带滤波型光谱仪相比，本发明不只是测量某一波长成分的光强值，而是测量不同波长成分以一定权重叠加产生的光强值，并基于可编程滤波的先验知识和计算重构算法重构原始光谱，这增加了系统的光利用率，有利于提升光谱测量信噪比。

技术特征：

1.宽谱可编程滤波装置，其特征在于，包括液晶空间光调制器、光纤兼容散射介质和单模光纤，入射光垂直入射到液晶空间光调制器上，通过在液晶空间光调制器上加载不同的随机相位图案，对耦合进入光纤兼容散射介质的光场进行相位调制；光纤兼容散射介质的末端光场分布为其入射端波前的函数，在光纤兼容散射介质后熔接一段单模光纤，利用单模光纤的小模场进行空域采样辅助的频域滤波，使得只有耦合进入单模光纤的光谱成分才能透过，每改变一次液晶空间光调制器上加载的随机相位图案，即可实现一次滤波状态。

2.根据权利要求1所述的所述的宽谱可编程滤波装置，其特征在于，还包括扩束器、第一偏振片、第二偏振片、第一凸透镜、第二凸透镜以及物镜，入射光入射到扩束器，经扩束器扩束后的光通过第一偏振片后斜入射到液晶空间光调制器，经液晶空间光调制器进行相位调制后的光经第二偏振片，再经第一凸透镜、第二凸透镜缩束，缩束后的光被物镜耦合进入光纤兼容散射介质，经光纤兼容散射介质后熔接的单模光纤输出。

3.根据权利要求1或2所述的所述的宽谱可编程滤波装置，其特征在于，所述光纤兼容散射介质为积分球或多模光纤。

4.如权利要求1所述的宽谱可编程滤波装置的标定装置，其特征在于，包括可调谐标定光源、宽谱可编程滤波装置以及光电探测器。

5.根据权利要求4所述的标定装置，其特征在于，所述宽谱可编程滤波装置还包括扩束器、第一偏振片、第二偏振片、第一凸透镜、第二凸透镜以及物镜，可调谐标定光源发出的光作为入射光入射到扩束器，经扩束器扩束后的光通过第一偏振片后斜入射到液晶空间光调制器，经液晶空间光调制器进行相位调制后的光经第二偏振片，再经第一凸透镜、第二凸透镜缩束，缩束后的光被物镜耦合进入光纤兼容散射介质，经光纤兼容散射介质后熔接的单模光纤输出，宽谱可编程滤波装置输出光强被光电探测器接收。

6.基于如权利要求4或5所述标定装置的宽谱可编程滤波装置标定方法，其特征在于，包括：

7.如权利要求1所述宽谱可编程滤波装置的光谱重构方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的基于宽谱可编程滤波的光谱计算重构方法，其特征在于：通过下式计算重构出待测光谱sm：

9.根据权利要求7所述的基于宽谱可编程滤波的光谱计算重构方法，其特征在于，所述宽谱可编程滤波装置还包括扩束器、第一偏振片、第二偏振片、第一凸透镜、第二凸透镜以及物镜，入射光入射到扩束器，经扩束器扩束后的光通过第一偏振片后斜入射到液晶空间光调制器，经液晶空间光调制器进行相位调制后的光经第二偏振片，再经第一凸透镜、第二凸透镜缩束，缩束后的光被物镜耦合进入光纤兼容散射介质，经光纤兼容散射介质后熔接的单模光纤输出。

10.根据权利要求9所述的基于宽谱可编程滤波的光谱计算重构方法，其特征在于，所述光纤兼容散射介质为积分球或多模光纤。

技术总结
本发明提供一种宽谱可编程滤波装置、标定装置及方法、光谱重构方法，宽谱可编程滤波装置通过结合液晶空间光调制器、光纤兼容散射介质和单模光纤，实现任意形状的光谱滤波效果。对宽谱可编程滤波装置进行标定，获得宽带可编程滤波矩阵后，测量时可以利用宽带滤波后观测光强值矢量以及标定得到的宽带可编程滤波矩阵实现待测光谱的重构。与窄带滤波型光谱仪相比，本发明的观测量不只是某一波长成分的光强值，而是不同波长成分以一定权重叠加产生的光强值，并基于可编程滤波的先验知识和计算重构算法重构原始光谱，这增加了系统的光利用率，有利于提升光谱测量信噪比。

技术研发人员：许将明,梁峻锐,李俊,叶俊,柯延钊,何俊鸿,郭艺东,张扬,马小雅,张雨秋,姜曼,姚天甫,李灿,吴坚,冷进勇,周朴
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/5