应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法技术

本发明专利技术提供了一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法。该光谱分辨率增强方法包括：给电光调制器施加随时问单调变化的调制电压，同步同频记录调制电压和光电探测器输出的电信号，得到电光调制器输出光强随调制电压变化的干涉图数据序列；基于白回归模型对干涉图数据序列进行双边线性拓展，得到延长后的数据序列干涉图；对延长后的数据序列干涉图进行离散傅立叶变换，得到半波电压一光功率谱图；利用半波电压与波长的单调函数关系，将半波电压一光功率谱图转化为波长一光功率谱图，获取待测光信号的光谱。本发明专利技术利用信号处理方法，而非硬件来增强光谱分辨率，避免了器件结构的复杂化，降低了光谱仪制作成本。

【技术实现步骤摘要】
应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法
本专利技术涉及光谱测量
，尤其涉及一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法。
技术介绍
商业化傅立叶变换光谱仪具有光谱分辨率高，信噪比大的优点，被广泛用于鉴别物质成分，测定物质浓度和分析分子结构。但是，商业化的傅立叶变换光谱仪由分离光学元件构成，体积大，重量大，抗震动和抗冲击能力弱，一般置于实验室用于取样分析测试，不适合携带和现场快速检测。为了满足现场实时光谱检测和在线提供光谱数据的现实需求，微小型傅立叶变换光谱仪在国际上获得了高度重视和广泛研究。研究最多的是基于微型化动镜迈克尔逊干涉仪系统的傅立叶光谱仪。这种傅立叶光谱仪仍含运动部件，因此仍然没有彻底消除震动对其性能的影响；而且由于尺寸限制，动镜迈克尔逊干涉仪的最大光程差较小，直接导致这种光谱仪的光谱分辨率不高；此外，动镜在运动过程中容易产生侧倾，从而影响干涉图，造成测量误差。另一种微小型傅立叶光谱仪是基于电光效应，它不含运动部件，抗震动和抗冲击，属于静态低功耗傅立叶光谱仪。由于电光调制速度比动镜机械运动速度快的多，因此电光调制型傅立叶光谱仪具有高时间分辨本领。基于集成光波导电光调制器的微小型傅立叶光谱仪是傅里叶光谱仪最有前景的发展方向之一。目前集成光波导电光调制型傅立叶光谱仪已经能够用于准确确定激光波长和物质的近红外吸收光谱。但是，由于用于制备集成光波导电光调制器的LiNbO3晶片电光系数较小，在满足器件小尺寸的条件下调制器的最大光程差较小，使得光谱仪分辨率较低，远远达不到实际应用要求。为了在不增大器件尺寸的情况下增强傅立叶光谱仪的光谱分辨率，本申请的专利技术人于2013年提出了基于波导端面反射结构的分辨率增强傅立叶微光谱仪(专利申请号：201310053568.5)和基于端面斜反射结构的折叠波导傅立叶光谱仪(申请号：201510063542.8)。但是，这些结构不仅增加了器件制作的工艺难度和制作成本，而且增大了光信号在波导内的传播损失，从而影响了光谱仪的稳定性和可靠性。因此有必要寻找更为有效的光谱分辨率增强方法来发展高分辨静态傅立叶光谱仪。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法，以利用更小的代价提高光谱分辨率。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法。该傅里叶光谱仪包括：电光调制器3和光探测器5，其中，电光调制器3接收待测光并对其进行电光调制；光电探测器5对电光调制器3输出光进行光电转换，产生电信号。该光谱分辨率增强方法包括：步骤A：给电光调制器3施加随时间单调变化的调制电压，同步同频记录调制电压和光电探测器5输出的电信号，得到电光调制器3输出光强随调制电压变化的干涉图数据序列；步骤B：基于自回归模型对干涉图数据序列进行双边线性拓展，得到延长后的数据序列干涉图；步骤C：对延长后的数据序列干涉图进行离散傅立叶变换，得到半波电压-光功率谱图；以及步骤D：利用半波电压与波长的单调函数关系，将半波电压-光功率谱图转化为波长-光功率谱图，获取待测光信号的光谱。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法具有以下有益效果：(1)利用信号处理方法，而非硬件来增强光谱分辨率，避免了器件结构的复杂化，降低了光谱仪制作成本；(2)不需要测定电光调制器的各种光学参数和几何参数就能够准确确定光源光谱，简单易行；(3)容许使用非线性调制电压，只要调制电压在半个周期内随时间单调变化即可，这意味着这种光谱仪具有良好的抗电压波动的能力；(4)采用的截断奇异值分解方法对基于自回归的线性预测模型的参数信息的估计，克服了传统的Burg算法引入的谱线分裂和谱峰漂移的缺点，以及Marple算法运算量大的劣势；(5)采用的线性预测技术对分辨率增强处理克服了传统的最大熵谱估计技术的功率谱强度信息失真的缺点，并且抗噪声性能也有改善(6)对待探测光信号容许光纤活动连接耦合或光束聚焦透镜耦合，简单灵活、稳定性好、可靠性和实用性强。附图说明图1为电光调制型静态傅立叶光谱仪的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法的流程图；图3为本专利技术实施例利用不同波长的激光测得的电光调制器半波电压与波长的标准函数关系曲线(实线)以及修正后的电光调制器半波电压与波长的函数关系曲线(虚线)；图4a为本专利技术实施例选取的波长为1653.7nm光源作为待测光信号，试验测得的随调制电压变化的干涉图；图4b为本专利技术实施例利用图4a的测得的干涉图谱进行光谱重建获得未分辨率增强的波长-光功率谱图；图5a为本专利技术实施例在图4a的基础上使用线性预测模型对测得的干涉图进行双边线性预测得到的拓展后的随调制电压变化的干涉图；图5b为本专利技术实施例利用图5a的拓展后的干涉图进行光谱重建获得的分辨率增强后的波长-光功率谱图；图6为本专利技术实施例利用用于电光调制型静态傅立叶光谱仪的光谱重建方法对双波长光源(1550.3nm，1653.7nm)进行光谱重建后得到的波长-归一化光功率谱；其中，(a)给出了随调制电压变化的原始干涉图谱，(b)中实线和虚线部分分别给出了分辨率增强前后的波长-光功率谱图；图7为本专利技术实施例利用电光调制性傅立叶光谱仪的光谱重建方法对PET材料的吸收光谱测量结果；其中，(a)、(b)、(c)分别给出了干涉图谱拓展前后以及使用商业化光谱测量仪器测量的吸收光谱。【标号说明】0-待测光信号；1-参比光源；2-Y形光纤；3-电光调制器；4-光纤；5-光电探测器；6-信号控制和处理模块；7-电源模块；8-后续设备。具体实施方式本专利技术利用信号处理方法，而非硬件来增强光谱分辨率，避免了器件结构的复杂化，降低了光谱仪制作成本。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术基于一电光调制型傅立叶光谱仪。在介绍本专利技术之前，首先对该电光调制型傅立叶光谱仪进行简单说明。图1为电光调制型静态傅立叶光谱仪的结构示意图。如图1所示，该电光调制型静态傅立叶光谱仪包括：电光调制器3、光探测器5、信号控制与处理模块6、电源模块7和后续设备8。其中，信号控制与处理模块6为光电调制器3提供调制电压。光电探测器5对电光调制器3输出光进行光电转换，产生电信号。信号控制与处理模块6对光电探测器5输出的电信号进行模数转换和数据处理。电源模块7为参比光源1及信号控制及处理模块6提供电能。信号控制与处理模块6通过后续设备8获得相关参数，并且，其获得的结果通过后续设备8输出。此外，后续设备8还对电源模块7进行控制。请参照图1，该电光调制型静态傅立叶光谱仪还包括：Y形光纤2。参比光和待测光分别输入该Y型光纤的两分支，该Y型光纤的输出端连接至电光调制器3的输入端。当然，本专利技术并不以此为限，电光调制器3的输入端可以先后单独输入待测光信号和参比光信号，并且，除了光纤耦合方式之外，还可以采用光束聚焦透镜耦合的方式将光耦合至电光调制器，均能够实现本专利技术。在上述电光调制型静态傅立叶光谱仪的基础上，本专利技术提供了一种增强光谱分辨率的方法。图2为根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法，该傅里叶光谱仪包括：电光调制器(3)和光探测器(5)，其中，电光调制器(3)接收待测光并对其进行电光调制；光电探测器(5)对电光调制器(3)输出光进行光电转换，产生电信号；其特征在于，该光谱分辨率增强方法包括：步骤A：给电光调制器(3)施加随时间单调变化的调制电压，同步同频记录调制电压和光电探测器(5)输出的电信号，得到电光调制器(3)输出光强随调制电压变化的干涉图数据序列；步骤B：基于自回归模型对所述干涉图数据序列进行双边线性拓展，得到延长后的数据序列干涉图；步骤C：对延长后的数据序列干涉图进行离散傅立叶变换，得到半波电压‑光功率谱图；以及步骤D：利用所述电光调制器(3)的半波电压与波长的单调函数关系，将所述半波电压‑光功率谱图转化为波长‑光功率谱图，获取待测光的光谱。

【技术特征摘要】
1.一种应用于电光调制型傅立叶光谱仪的光谱分辨率增强方法，该傅里叶光谱仪包括：电光调制器(3)和光探测器(5)，其中，电光调制器(3)接收待测光并对其进行电光调制；光电探测器(5)对电光调制器(3)输出光进行光电转换，产生电信号；其特征在于，该光谱分辨率增强方法包括：步骤A：给电光调制器(3)施加随时间单调变化的调制电压，同步同频记录调制电压和光电探测器(5)输出的电信号，得到电光调制器(3)输出光强随调制电压变化的干涉图数据序列；步骤B：基于自回归模型对所述干涉图数据序列进行双边线性拓展，得到延长后的数据序列干涉图，包括：子步骤B1：选取自回归模型阶数，其中，自回归模型阶数P根据不产生谱线分裂的前提下，阶数P尽可能大的原则，并结合2≤P≤N/2选取，其中，N为干涉图数据序列长度；子步骤B2：根据干涉图谱的信噪比特征，通过线性预测确定延长后的数据序列长度，其中，延长后的数据序列长度至少是光电探测器(5)测得的干涉图数据序列长度的2倍；子步骤B3：估计自回归模型的参数；以及子步骤B4：将参数估计值代入自回归模型，利用该自回归模型对所述干涉图数据序列进行线性预测，获得延长后的数据序列干涉图，该延长后的数据序列干涉图对应的数据序列长度等于所述延长后的数据序列长度；步骤C：对延长后的数据序列干涉图进行离散傅立叶变换，得到半波电压-光功率谱图；以及步骤D：利用所述电光调制器(3)的半波电压与波长的单调函数关系，将所述半波电压-光功率谱图转化为波长-光功率谱图，获取待测光的光谱；其中，所述步骤B之后，步骤C之前还包括：对数据序列延长的干涉图加窗函数用于消除Gibbs效应。2.根据权利要求1所述的光谱分辨率增强方法，其特征在于，所述子步骤B3中，所述自回归模型的模型参数的估计基于以下方法中的一种：Yuler-walker方程的Levinson方法、Burg最大熵方法、Marple算法、截断奇异值分解法。3.根据权利要求1所述的光谱分辨率增强方法，其特征在于，所述窗函数为以下函数其中之一：汉明窗、汉宁窗、矩形窗、高斯窗和布莱克曼窗。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁志美，王坤，李金洋，逯丹凤，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11