一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，属于测量、测试的技术领域。该装置包含1个温度传感器、1个1xM多路功率分束器、M个具有不同光谱响应的宽带光谱整形器和M个光电探测器。温度传感器用来感知该装置工作的环境温度，功率分束器用来将待测信号分成M份，每一份待测信号经过1个宽带光谱整形器然后被1个光电探测器转化为电流，这M个探测器输出的电流经后期算法处理后即可重建光谱。该光谱测量装置投入使用前即事先记录不同温度下的M个宽带光谱整形器响应，在工作中通过读取实时的工作温度并将相应温度下M个宽带光谱整形器响应带入至处理算法中，即可实现在不同温度下的光谱重建，使该光谱测量装置工作于超宽的温度范围。宽的温度范围。宽的温度范围。

【技术实现步骤摘要】
一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置


[0001]本专利技术涉及光谱测量技术，尤其公开一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，属于测量、测试的


技术介绍

[0002]为了检测目标光谱的信息，光谱仪应运而生，它能够恢复出所输入的任意未知光谱。光谱仪广泛应用于通信、材料学、天文学、地理科学、遥感等领域。随着物联网和智能设备的发展，迫切需要能够单次测量即可重建光谱的集成光谱仪，如智能可穿戴设备、便携式医疗设备、无人机遥感等等。现有的集成光谱仪多采用窄带分光式，结构如图1所示，即利用一系列工作在不同波长范围内的窄带光谱器件(除了较窄的光谱范围内，其余工作波长的传输函数均为0)，将待测信号光谱不同波长成分提取出来单独测量。通过将这些测量结果进行简单的拼接即可实现光谱重建。常用的窄带光谱器件包括色散光栅、窄带滤波器等等。但是集成光谱仪普遍存在着温度敏感的问题，即外界温度的变化会导致集成光子器件光谱传输函数发生漂移，而这种漂移现象对窄带光谱器件来说，会导致其正常的工作波长范围传输函数变为0，从而造成这一波段的光谱信息丢失。因此，集成光谱仪通常需要额外的温度控制装置以使其工作温度恒定，但额外的温度控制装置会导致额外的硬件成本和系统功耗，并且增加光谱测量时长。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，采用一系列宽带光谱器件作为核心器件，实现无需额外温控装置的集成光谱测量装置也可工作于超宽温度范围的专利技术目的，解决现有集成光谱仪引入额外温度控制装置克服传输函数温漂缺陷的同时增加系统硬件成本和功耗的技术问题。
[0004]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0005]一种集成光谱测量装置，包括1个温度传感器、1个1xM功率分束器、M个宽带光谱整形器、M个光电探测器和1个信号处理单元。其中，温度传感器用来获取外界温度并反馈给信号处理单元；1xM功率分束器用来将待测信号均匀分成M份，并一一对应的通过M个宽带光谱整形器，每个宽带光谱整形器的传输系数在较宽的光谱范围内均不为0且具有较高的随机性，所有宽带光谱整形器的传输函数覆盖待侧光信号的光谱范围，任意两个宽带光谱整形器的传输函数也不相同即具有较低的线性相关性，并预先记录下宽带光谱整形器阵列在10
°‑
80
°
范围内所有温度下的传输函数，每个宽带光谱整形器对一份待测信号进行采样后输出对应带宽的光谱采样信号；M个宽带光谱整形器的输出端连接M个光电探测器，各光电探测器将接收的光谱采样信号转换为电流后输出至信号处理单元，信号处理单元结合实测的工作温度提取对应工作温度下的宽带光谱整形器阵列的传输函数，经过算法处理宽带光谱整形器件阵列在工作温度下的响应后即可重建待测信号光谱。
[0006]相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：本专利技术所提出的基于M个宽带
光谱整形器的集成光谱测量装置，通过单次测量即可重建信号未知光谱，且可工作于超宽的温度范围内，无需额外的温度控制器，不产生额外的功耗和硬件成本，大幅扩展集成光谱仪的使用场景。
附图说明
[0007]图1为现有基于窄带分光式集成光谱测量装置的结构原理示意图。
[0008]图2为本专利技术提出的可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置的结构原理示意图。
[0009]图3为不同温度下宽带光谱整形器的传输函数仿真结果。
[0010]图4为不同温度下本专利技术所提出的集成光谱测量装置重建光谱的仿真结果。
具体实施方式
[0011]针对现有基于窄带分光式集成光谱仪存在的只能工作于特定温度的问题，本专利技术的思路在于采用在较宽光谱范围内具有非0传输系数的宽带光谱整形器阵列，对待测信号进行光谱全范围采样。预先记录下宽带光谱整形器阵列在一定温度范围内的所有温度下的传输函数，并通过温度传感器感知实时工作温度，提取对应工作温度下的宽带光谱整形器传输函数，采用特定算法进行光谱重建。
[0012]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0013]一种集成光谱测量装置，包括1个温度传感器、1个1xM功率分束器、M个宽带光谱整形器、M个光电探测器和1个信号处理单元。其中，温度传感器用来获取外界温度并反馈给信号处理单元；1xM功率分束器用来将待测信号均匀分成M份，并一一对应的通过M个宽带光谱整形器，每个宽带光谱整形器的传输系数在较宽的光谱范围内均不为0且具有较高的随机性，任意两个宽带光谱整形器的传输函数也不相同即具有较低的线性相关性，宽带光谱整形器阵列在一定温度范围内所有温度下的传输函数被预先记录下来；M个宽带光谱整形器的输出端连接M个光电探测器，光电探测器的输出送至信号处理单元，结合现有的工作温度提取该温度下对应的宽带光谱整形器阵列传输函数，经过算法处理后即可重建待测信号光谱。
[0014]优选地，所采用的宽带光谱整形器可基于多级非对称马赫曾德尔干涉仪串联的结构。
[0015]为了便于公众理解，下面对本专利技术的技术方案进行详细说明：
[0016]本专利技术所提出的集成光谱测量装置结构如图2所示，包括1个温度传感器、1个1xM功率分束器、M个宽带光谱整形器、M个光电探测器和1个信号处理单元。在进行光谱测量时，待测光信号经1xM功率分束器均匀分配至M个宽谱整形器件，产生M个光信号输出，然后用M个光电探测器对这M个输出的光信号进行一一对应地光电探测，则转换为电信号的表达式为：
[0017]I1×
M
＝φ1×
N
T
N
×
M
/n
[0018]其中，I1×
M
＝[I1，I2，
……
，I
M
]，I1，I2，
…
，I
M
分别表示第1个～第M个光电探测器的检测结果；n为经过校准得到的归一化系数；φ1×
N
＝[φ
λ1
，φ
λ2
，
……
，φ
λN
]为待测光信号的光谱，N为光谱仪带宽和精度的比值，可视为N个未知数；T
N
×
M
＝[T1(λ)，T2(λ)，
……
，T
M
(入)]为
所述M个宽带光谱整形器的传输函数，T
i
(λ)＝[T
i_λ1
，T
i_λ2
，
……
，T
i_λN
]T
为第i个宽带光谱整形器的光谱传输函数，i＝1，2，
……
，M，可提前测得。由于M个宽带光谱整形器的传输函数高度不同，通过特定算法可求解此方程组，从而得到N个未知数的值，实现光谱重建。
[0019]当环境温度变化时，会导致集成光子器件传输函数漂移。传统的集成光谱测量装置基于窄带分光器件，每个器件的传输函数尽在较窄的特定波长附近本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，其特征在于，包括：具有M路输出的功率分束器，用于将待测量光信号分束为M路光信号；由M个宽带光谱整形器组成的宽带光谱整形器阵列，每个宽带光谱整形器接收所述功率分束器输出的一路光信号并依据自身的传输函数进行采样，各宽带光谱整形器输出采样后的光谱信号；M个光电探测器，每一个光电探测器接收一个宽带光谱整形器输出的一个光谱信号，各光电探测器将接收的光谱信号转换为电流信号后输出；及，信号处理单元，接收M个光电探测器输出的电流信号，根据实际工作温度提取所述宽带光谱整形器阵列的传输函数，重建待测光信号的光谱。2.根据权利要求1所述一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，其特征在于，所述宽带光谱整形器阵列中，各宽带光谱整形器的传输函数在各自工作波长的光谱区间内不为0，任意两个宽带光谱整形器的传输函数不相同，所有宽带光谱整形器的传输函数覆盖待侧光信号的光谱范围。3.根据权利要求1所述一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，其特征在于，所述信号处理单元中预存有宽带光谱整形器阵列的传输函数在预设温度范围内所有温度下的传输函数。4.根据权利要求1所述一种可工作于超宽温度范围的集成光谱测量装置，其特征在于，所述信号处理单元通过求解方程组I1×
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：