一种高分辨率光性能监测装置和方法与流程

本发明涉及光性能监测技术领域，特别是涉及一种高分辨率光性能监测装置和方法。

【背景技术】

随着网络数据流量需求的增加，光网络带宽要求越来越高。谱效率的提高，带来的是越来越窄的通道波长间隔，对光性能监测模块的光谱分辨率带宽提出更高的要求。比如12.5ghz的通道间隔，要求光性能监测模块的分辨率至少要达到6.25ghz。传统的基于光栅的光性能监测模块，受限于探测器像元大小，光谱分辨率难以做到很高。如果采用类似于光谱仪的光路设计可以达到很高的分辨率，但是模块的尺寸和成本又会大大增加。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例要解决的技术问题在不显著增加尺寸和成本的前提下，实现一种高分辨率的光性能监控。

本发明实施例进一步要解决的技术问题是对于光谱中经过光栅照射到光电探测器阵列中的光斑发生部分重叠时，如何有效的完成监测和识别。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种高分辨率光性能监测装置，装置包括光学输入端1，准直透镜2，光栅3，聚焦透镜4，光电探测器阵列5，伺服电机6、电机驱动控制电路7和数据处理电路8，其中，所述光电探测器阵列5固定在可实现高精度旋转的伺服电机6上，所述伺服电机6的转轴与所述光电探测器阵列5垂直，并和所述光栅3分光后中心波长的光轴重合，所述伺服电机6绕自身转轴旋转和/或平移，能使所述光电探测器阵列相对于光栅3分光方向发生转动和/或平移；

其中，所述光电探测器阵列5的信号输出端口还与所述数据处理电路8连接；所述伺服电机6连接所述电机驱动控制电路7；并且，所述电机驱动控制电路7还连接所述数据处理电路8，用于获取数据处理电路8发送的针对所述伺服电机6的驱动指令。

优选的，光栅3分光后在所述光电探测器阵列5上成像的3-5db带宽成像大小，小于光电探测器阵列5中两个像元间距。

优选的，所述监测装置包括平移电机61和旋转电机62，所述平移电机61和旋转电机62各自分别与所述电机驱动控制电路7相连，用于在所述电机驱动控制电路7的驱动电流下完成相应平移和/或旋转光电就探测器阵列的动作。

优选的，所述光栅3具有双层光栅结构，其中，第一层光栅和第二层光栅之间平行设置，分别制作在光栅3的入光面侧和出光面侧。

优选的，光电探的1530nm～1565nm，l波段的1565nm～1625nm。

第二方面，本发明还提供了一种高分辨率光性能监测方法，使用如第一方面所述的高分辨率光性能监测装置，方法包括：

在所述光电探测器阵列5的初始位置上，通过所述光电探测器阵列5采集得到第一成像光谱，所述第一成像光谱由所述光电探测器阵列5传递给所述数据处理电路8；

所述数据处理电路8向所述电机驱动控制电路7发送驱动指令，所述电机驱动控制电路7控制所述伺服电机6完成预设的n-1个转动角度的旋转，以便所述数据处理电路8获取所述光电探测器阵列采集到的第二至第n成像光谱；

所述数据处理电路8将所述n个成像光谱代入第一计算表达式，完成光谱图像的像元读数值的计算。

优选的，所述第一计算表达式，具体为：

其中，dⁿ(j)表示第n个光谱的第j个像元的光谱读数值，k是旋转后一个ccd像元上覆盖的待求光谱的区域数，f(i)表示待求光谱图像的第i个像元的读数值，所述待求光谱一共有m×n个像元，表示f(i)落在dⁿ(j)上的部分占f(i)的比例，以上方程一共可以列m×n个；

求取以上m×n个方程组成的方程组，可以求得所述高分辨率光谱图像的m×n个像元读数值f(i)。

优选的，转动角度θ角满足每一次转动后，电探测器边上的转动距离小于一个像元点的大小。

优选的，在所述转动角度θ还与监测的精度要求有关，其中，监测的精度越高所述转动的次数越多。

优选的，所述数据处理电路8根据所述光谱图像的像元读数值的计算结果，分析出第一阶段下光谱的频率分布，以及光谱中各光斑在光电探测器阵列5中的分布位置和光斑大小，所述监测方法还包括：

所述数据处理电路8为每一光斑确定一个与其中轴线距离小于预设阈值的一个或者多个第二阶段监测像元；其中，所述中轴线与伺服电机6平移的方向平行；

所述数据处理电路8向所述电机驱动控制电路7发送控制指令，以便所述电机驱动控制电路7驱动所述伺服电机6针对每一个光斑完成各自与相应第二阶段监测像元的平移操作，其中所述平移操作包括光斑由照射到对应第二阶段监测像元的一侧的状态逐渐平移到照射到对应第二阶段监测像元的另一侧的状态；

所述数据处理电路8根据各第二阶段监测像元返回的连续光强波形，确定第一阶段下光谱的频率分布中涉及光斑部分重叠而未被有效识别的光斑。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：

本发明在不显著增加尺寸和成本的前提下，利用伺服电机带动光电探测器阵列完成预设的旋转/平移动作，从而采集并存储对应某一成像的一系列的象元分布结果，并通过预设在数据处理电路中的计算程序，实现高分辨率的光性能监测。即对于现有技术中12.5ghz的通道间隔，要求光性能监测模块的分辨率至少要达到6.25ghz，以及更高频率通道例如25ghz或者50ghz频率的通道，均可采用本发明实施例所提出的方法来实现光源中携带不同频率光信号的区分和识别。

进一步，在本发明优选的实现方案中，还提供了针对光谱中有部分光斑发生重叠的情况下的检测方式。扩展了本发明所提出的解决方案的适用复杂环境的鲁棒性，同样也可以依据相应扩展功能检验第一阶段的分析结果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高分辨率光性能监测装置的架构示意图；

图2为本发明实施例中光电探测器阵列的像元数量示意图；

图3为本发明实施例中椭圆光斑在光电探测器阵列成像的示意图；

图4为本发明实施例中光电传感器阵列上单波长光成像的光谱数据图；

图5为本发明实施例提供的另一种高分辨率光性能监测装置的架构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种具有双面光栅层结构的光栅结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种高分辨率光性能监测方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的光电传感器阵列上的高低分辨率像元对比图；

图9为本发明实施例提供的光电传感器阵列旋转坐标变换示意图；

图10为本发明实施例提供的光电传感器阵列旋转像元变换关系示意图；

图11为本发明实施例提供的椭圆光斑经过计算处理得到的提高一倍分辨率的光谱图；

图12为本发明实施例提供的原始光电传感器阵列采集光谱效果示意图；

图13为本发明实施例提供的分辨率提高后的光电传感器阵列采集光谱效果示意图；

图14是本发明实施例提供的扩展方案进一步识别发生光斑部分重叠的方法流程图；

图15是本发明实施例提供的借鉴图3所示的光电探测器阵列5布局方式展现的中轴线与伺服电机平移方向，以及相对于被选中第二阶段监测像元结构关系示意图；

图16是将图15所示初始状态的光电探测器阵列5按照步骤302所述的操作内容执行后的效果示意图；

图17是第二阶段监测像元通过步骤302-303监测得到的两种光强波形示意图；

图18是第二阶段监测像元通过步骤302-303监测得到的两种光强波形示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种高分辨率光性能监测装置，如图1所示，装置包括光学输入端1，准直透镜2，光栅3，聚焦透镜4，光电探测器阵列5，伺服电机6、电机驱动控制电路7和数据处理电路8，所述光电探测器阵列5固定在可实现高精度旋转的伺服电机6上，所述伺服电机6的转轴与所述光电探测器阵列5垂直，并和所述光栅3分光后中心波长的光轴重合，所述伺服电机6绕自身转轴旋转和/或平移，能使所述光电探测器阵列相对于光栅3分光方向发生转动和/或平移；

其中，所述光电探测器阵列5的信号输出端口还与所述数据处理电路8连接；所述伺服电机6连接所述电机驱动控制电路7；并且，所述电机驱动控制电路7还连接所述数据处理电路8，用于获取数据处理电路8发送的针对所述伺服电机6的驱动指令。

其中，所述光学输入端可以是传输光纤、也可以是某一具有多频段光信号输出功能的光模块等。

本发明实施例在不显著增加尺寸和成本的前提下，利用伺服电机带动光电探测器阵列完成预设的旋转/平移动作，从而采集并存储对应某一成像的一系列的象元分布结果，并通过预设在数据处理电路中的计算程序，实现高分辨率的光性能监测。即对于现有技术中12.5ghz的通道间隔，要求光性能监测模块的分辨率至少要达到6.25ghz，以及更高频率通道例如25ghz或者50ghz频率的通道，均可采用本发明实施例所提出的方法来实现光源中携带不同频率光信号的区分和识别。

在本发明实施例中，所述光电探测器阵列5为工作在通信波段内的电荷耦合元件ccd；例如：ccd的像素点为图2所示640×512，每个像素点的大小为20μm×20μm，光衍射方向为长轴。光斑为椭圆形光斑(如图3所示)，在衍射方向的大小为20μm，垂直于衍射方向的大小为40μm,这样能在波长衍射方向采640个点。其中，通信波段包括c波段的1530nm～1565nm，l波段的1565nm～1625nm。在通信波段随着标准的演变出现更短或者更长波长区间时，新增的波长区间同样适用于本发明实施例所提出的解决方案。

光电探测器阵列5将探测到的数据矩阵输入到数据处理电路8中存储。该数据矩阵的大小等于光电探测器的像元数量，即一个像元会输出一个探测的值。通过电机驱动控制电路7控制电机6旋转θ(其中，θ角满足转动后边上的转动距离小于一个像素点的大小)，光电探测器阵列5也随着电机旋转θ，经过聚焦透镜4后在光电探测器阵列5上的光斑分布也会旋转θ。光电探测器阵列5将该旋转了θ角的光斑分布的数据输入到数据处理电路8中存储。重复上述步骤以获得n组数据。如图4为单波长的光入射时，将ccd上各点的数据处理后得到的各个波长所对应的光功率大小。

为了达到一种更优的监测结果，结合本发明实施例还存在一种更优的实现方式，所述光栅3分光后在所述光电探测器阵列5上成像的3-5db带宽成像大小，小于光电探测器阵列5中两个像元间距。本发明实施例这里需要实现的分辨率的提升，突出优势体现在光斑相对于ccd比较小，且ccd的采样点不够的情况做的提升。当3db带宽大于两个像元的距离的时候，本发明实施例同样可以实现，但是其优势就没有当3db带宽小于两个像元的距离的时候突出了。这里面有几个量，一个是经过所述聚焦透镜4后照射到所述光电探测器阵列5上的光斑的大小，一个是光电探测器阵列5(在本发明实施例中表现为ccd)中像元的大小。如果两个频率的光在ccd上的中心位置的距离小于它们的3db带宽在ccd上的位置，那么这两个频率的光通过现有技术基本上是无法分开的，这也是提出本发明实施例方案的初衷之一。

结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，如图5所示，所述监测装置包括平移电机61和旋转电机62，所述平移电机61和旋转电机62各自分别与所述电机驱动控制电路7相连，用于在所述电机驱动控制电路7的驱动电流下完成相应平移和/或旋转光电就探测器阵列的动作。

结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，如图6所示，所述光栅3具有双层光栅结构，其中，第一层光栅和第二层光栅之间平行设置，分别制作在光栅3的入光面侧和出光面侧。这种设置能够进一步提高不同频率间光斑中心距离，从而提高本发明实施例所提出的高分辨率光性能监测装置的适用频段范围，以及进一步提高其监测精确度。

实施例2：

本发明在提出了如实施例1所述的一种高分辨率光性能监测方法，使用如实施例1所述的高分辨率光性能监测装置，如图7所示，方法包括以下步骤：

在步骤201中，在所述光电探测器阵列5的初始位置上，通过所述光电探测器阵列5采集得到第一成像光谱，所述第一成像光谱由所述光电探测器阵列5传递给所述数据处理电路8。

在步骤202中，所述数据处理电路8向所述电机驱动控制电路7发送驱动指令，所述电机驱动控制电路7控制所述伺服电机6完成预设的n-1个转动角度的旋转，以便所述数据处理电路8获取所述光电探测器阵列采集到的第二至第n成像光谱。其中，n就是想要提升分辨率的倍数，ccd像元的1/n优选的是大于光斑的3db带宽，此时更能凸显本发明实施例所提出的方案相比较现有技术的优越性。

在步骤203中，所述数据处理电路8将所述n个成像光谱代入第一计算表达式，完成光谱图像的像元读数值的计算。

本发明实施例在不显著增加尺寸和成本的前提下，利用伺服电机带动光电探测器阵列完成预设的旋转/平移动作，从而采集并存储对应某一成像的一系列的象元分布结果，并通过预设在数据处理电路中的计算程序，实现高分辨率的光性能监测。即对于现有技术中12.5ghz的通道间隔，要求光性能监测模块的分辨率至少要达到6.25ghz，以及更高频率通道例如25ghz或者50ghz频率的通道，均可采用本发明实施例所提出的方法来实现光源中携带不同频率光信号的区分和识别。

在本发明实施例中，所述第一计算表达式，具体为：

其中，dⁿ(j)表示第n个光谱的第j个像元的光谱读数值，k是旋转后一个ccd像元上覆盖的待求光谱的区域数，如图10所示，其中k的值表现为6，f(i)表示待求光谱图像的第i个像元的读数值，所述待求光谱一共有m×n个像元(例如图2中m具体为640，n具体为512)，表示f(i)落在dⁿ(j)上的部分占f(i)的比例，以上方程一共可以列m×n个；

求取以上m×n个方程组成的方程组，可以求得所述高分辨率光谱图像的m×n个像元读数值f(i)。如图12和图13所示的两个频率的光入射到ccd上的效果示意图。图12是原始ccd采的，从左到右各象元所采集得到的光强大小值表现为(0,5,0,5,0)这5个值(即图12中下方每一个方格代表一个光电探测器阵列5的像元)。图13是做了相对图12所示的ccd采集精度3倍提升后的效果示意图，那么得到各象元所采集得到的光强大小值表现为15个值，具体包括：(0,0,0,1,3,1,0,0,0,1,3,1,0,0,0)。通过图12所示的ccd结构获得的5个光强度大小值只能恢复出两个点，而提升后就可以得到一个大致的形状。这个是针对离得较远的情况，实际上可以理解成单个光斑的提升。

在本发明实施例中，所述第一计算表达式，转动角度θ角满足每一次转动后，电探测器边上的转动距离小于一个像元点的大小。由于边上的弧线轨迹不一致的，优选的，这里描述的是最边上的点。其中，通过θ角确定rj(i)的大小，范围就是边上的小于一个像元，这个是为了方便计算。

实施例3：

在介绍了如实施例1所述的高分辨率光性能监测装置和如实施例2所述的高性能监测方法后，本发明实施例将结合具体的ccd结构应用场景，阐述本发明实施例如何利用第一计算表达式完成监测结果的计算。如图3所示，背景中的小矩形(为了便于识别，还特意在所述小矩形阵列中挑选了第一个小矩形用带阴影的方式标注出来了)是本发明实施例所需要达到的高采样率数据f每个值f(j)对应在探测器阵列上的区域；粗线的大块是光电探测阵列d的每个单元d(i)的大小，示意性的在图3中用另一种网格的阴影进行了d(i)的标注。并且，将所述背景和光电探测器阵列分别用各自序号标注后的示意图如图8所示。

其中，探测器阵列得到的像素点的值可以表示为：

d(1)＝f(1)+f(2)

d(2)＝f(3)+f(4)

……

d(n)f(2n-1)+f(2n)

……

d(36)＝f(71)+f(72)

在光衍射方向上就有640×n个采样点。将ccd上的点的值按列加起来就是各波长对应的光功率值。图4是单波长入射时，通过处理ccd上的数据得到的光谱分布图。

图9所示的坐标旋转关系：

如图10所示，在旋转前a、b、c、d的坐标为：a＝(-60，40)，b＝(-60，20)，c＝(-40，20)，d＝(-40，40)旋转角度θ＝5°时：a＝(-56.285，45.077)，b＝(-58.028，25.153)，c＝(-36.361，23.334)，d＝(-38.105，43.410)。线ab和线cd的斜率kab＝kcd＝11.43，线ac和线bd的斜率kac＝kbd＝-0.087。lab：y＝11.43x+688.4228，lcd:y＝11.43x+458.9485，lbc:y＝-0.087x+20.764，lad:y＝-0.087x+40.1528。

通过计算可得e、f、g、h、i、j的坐标如下：

e＝(-56.730，40)

f＝(-50，24.451)

g＝(-40，23.576)

h＝(-36.653，40)

i＝(-40，43.652)

j＝(-50，44.527)

aekj为f(1)在d(7)内的面积：saekj＝31.3115；

jkli为f(2)在d(7)内的面积：sjkli＝40.8978；

ilhd为f(3)在d(7)内的面积：silhd＝12.2235；

ebfk为f(13)在d(7)内的面积：sebfk＝112.3755；

kfgl为f(14)在d(7)内的面积：skfgl＝159.8661；

lgch为f(15)在d(7)内的面积：slgch＝43.3256；

根据以上几何关系可以得到：

d(7)＝0.1566f(1)+0.2045f(2)+0.0611f(3)+0.5619f(13)+0.7993f(14)+0.2166f(15)

同理可以求得旋转后其他d²(i)和f的关系，将此关系内置到数据处理单元，求解线性方程组既可计算出f(i)，图11是将旋转得到的多组数据处理后得到的光谱分布，其采样率变成了原来的两倍。旋转的角度更多，可以得到更高分辨率的光谱图。

实施例4：

本发明实施例是基于实施例3基础上，进一步用于解决复杂环境下，可能涉及光谱照射到所述光电探测器阵列5发生部分重叠时，利用实施例3所述的方法无法有效的发现和应对上述情况下，可以使用本发明实施例所提出的扩展方案进一步识别发生光斑部分重叠情况，如图14所示，在分析出第一阶段下光谱的频率分布，以及光谱中各光斑在光电探测器阵列5中的分布位置和光斑大小，所述监测方法还包括：

在步骤301中，所述数据处理电路8为每一光斑确定一个与其中轴线距离小于预设阈值的一个或者多个第二阶段监测像元；其中，所述中轴线与伺服电机6平移的方向平行。如图15所示为借鉴图3所示的光电探测器阵列5布局方式展现的中轴线与伺服电机平移方向，以及相对于图15中被选中第二阶段监测像元结构关系示意图。

从图15中不难发现，对于图中发生的光斑部分重叠情况，只有沿着两个光斑的中心连接线作为中轴线，才能通过本发明实施例所述步骤301-303有效的识别出是否发生重叠。因此，在实际操作过程中，通常根据所述中轴线来控制平移电机61的平移方向，使其两者关系满足所述中轴线与伺服电机平移方向相同。而图15中所示的现对于图中光斑所选择的第二阶段监测像元也是诸多备选对象中的一个，以图15所示，所述中轴线先上的象元都可以作为所述第二阶段监测像元，而之所以选择图15中所标注的是为了尽可能减少的调整光斑到当前图15所示初始位置的时间，提高检测效率。

在步骤302中，所述数据处理电路8向所述电机驱动控制电路7发送控制指令，以便所述电机驱动控制电路7驱动所述伺服电机6针对每一个光斑完成各自与相应第二阶段监测像元的平移操作，其中所述平移操作包括光斑由照射到对应第二阶段监测像元的一侧的状态逐渐平移到照射到对应第二阶段监测像元的另一侧的状态。

如图16所示，为将图15所示初始状态的光电探测器阵列5按照步骤302所述的操作内容执行后的效果示意图。

在步骤303中，所述数据处理电路8根据各第二阶段监测像元返回的连续光强波形，确定第一阶段下光谱的频率分布中涉及光斑部分重叠而未被有效识别的光斑。

如图17和图18所示，为第二阶段监测像元通过步骤302-303监测得到的两种光强波形示意图。其中，图17为典型的两个发生重叠光斑之间光强强度有一定差距，从而出现了图17所示的不平缓的单峰；而图18则是典型的两个发生重叠光斑之间光强强度相似的，并且光斑中心还比较靠近的情形，因此，重叠区域的光强度相对于各自光斑中心的强度没有表现出过多的衰减，并且，还出现了如图18中间区域所示的小波峰(位于两侧波峰之间)。在得到如图17或者18所示的检测结果，都可以推断发生了两个光斑局部区域重叠的情况。

通过上述对于本发明扩展实现方案的阐述，可以发现实施例2对于本发明实施例实现的必要性，即通过实施例2可以确定光斑的大体形状(如实施例2中所述)，而相应形状的确认则可以在本实施例中具体被应用于光斑中轴线的确认，其对于最终得到准确的判断结果至关重要。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。