光谱分析仪误差校正方法及系统与流程

本公开涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种光谱分析仪误差校正方法及系统。

背景技术：

光谱分析技术作为一种重要的光探测感知手段，可应用于材料检测、生物医学、传感分析等多个应用领域。通用的光谱仪基于分立的光机元器件，体积重量庞大，造价昂贵，灵活性差，限制了其应用领域。为了满足集成化的应用需求，提出了芯片级光谱分光技术，利用微纳加工的手段将光谱仪的体制缩小至芯片级别的大小，使其可直接被集成在智能手机和设计好的移动产品等微小平台上，直接服务于消费者。

硅基光谱分析技术为芯片级光谱仪的实现提供了一种有效的解决手段。硅基芯片光谱仪主要有色散型和干涉型两种类型，干涉型硅基片上光谱仪主要实现方式有基于迈克尔逊干涉仪结构和马赫-曾德尔干涉仪结构，该种类型光谱仪光谱分辨率较易提升，抗干扰能力强，应用前景好。其中基于马赫-曾德尔干涉仪结构的硅基片上光谱仪为空间型光谱仪，分辨率的提升取决于可实现的最大光程差，主要通过增加马赫-曾德尔干涉仪臂长差来实现。臂长差的增加可以通过增加马赫-曾德尔干涉仪的个数来实现，但这样势必会增加版图面积。因此，考虑引入热光调相，通过热光的方式来动态调整马赫-曾德尔干涉仪的臂长差，可在不增加版图面积的前提下提升光谱仪的光谱分辨率。

基于热光调相的硅基片上光谱仪，在工作过程中需要对马赫-曾德尔干涉仪的臂进行加热，因此会由于加热引入误差，包括非线性误差、加热引起的芯片膨胀带来的臂长差误差，以及光谱仪的色散误差也会随着加热而增大。在各种误差中，非线性误差和色散误差是不可忽略的，需要通过校正来消除其影响，为后续光谱的复原奠定基础。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种光谱分析仪误差校正方法及系统，以对光谱分析仪中由热光引起的误差进行校正，提高光谱复原的准确率。

本公开第一方面实施例提供一种光谱分析仪误差校正方法，所述光谱分析仪为硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型，所述方法包括：

向所述光谱分析仪输入预设波长的输入光，对所述光谱分析仪的目标干涉臂施加预设范围内的热功率；

获取所述光谱分析仪的光功率输出信号，所述光功率输出信号是指所述光谱分析仪的输出光功率随热功率变化曲线；

对所述光功率输出信号进行预处理，所述预处理包括平滑、去直流和归一化处理；

根据预设的光功率输出信号表达式，利用预设的非线性拟合函数对预处理后的光功率输出信号进行拟合，得到误差数据；

向所述光谱分析仪输入至少3个不同波长的输入光，针对每个波长的输入光重复上述步骤，以得到至少3个不同波长的输入光对应的误差数据；

根据预设的误差表达式，对所述至少3个不同波长的输入光对应的误差数据进行线性拟合，得到拟合结果，该拟合结果包括目标干涉臂对应的热效率系数、色散系数和非线性系数；

根据所述拟合结果对所述光谱分析仪的色散及非线性误差进行校正。

根据本公开的一些实施方式中，所述预处理中的去直流和归一化均采用取包络的方法进行数据处理。

根据本公开的一些实施方式中，所述非线性拟合函数采用模拟退火优化算法。

本公开第二方面实施例提供一种光谱分析仪误差校正系统，所述光谱分析仪为硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型，所述系统包括：

光源，用于向所述光谱分析仪输入预设波长的输入光；

加热模块，用于对所述光谱分析仪的目标干涉臂施加预设范围内的热功率；

控制模块，用于实现以下步骤：

获取所述光谱分析仪的光功率输出信号，所述光功率输出信号是指所述光谱分析仪的输出光功率随热功率变化曲线；

对所述光功率输出信号进行预处理，所述预处理包括平滑、去直流和归一化处理；

根据预设的光功率输出信号表达式，利用预设的非线性拟合函数对预处理后的光功率输出信号进行拟合，得到误差数据；

控制所述光源向所述光谱分析仪输入至少3个不同波长的输入光，针对每个波长的输入光重复上述步骤，以得到至少3个不同波长的输入光对应的误差数据；

根据预设的误差表达式，对所述至少3个不同波长的输入光对应的误差数据进行线性拟合，得到拟合结果，该拟合结果包括目标干涉臂对应的热效率系数、色散系数和非线性系数；

根据所述拟合结果对所述光谱分析仪的色散及非线性误差进行校正。

根据本公开的一些实施方式中，所述预处理中的去直流和归一化均采用取包络的方法进行数据处理。

根据本公开的一些实施方式中，所述非线性拟合函数采用模拟退火优化算法。

根据本公开的一些实施方式中，所述光源为可调谐激光器。

本公开与现有技术相比的优点在于：

（1）本公开对大臂长硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪非线性误差和色散误差校正，建立误差校正模型，对热光引起的误差进行标定，提高了光谱复原的准确率。

（2）本公开提出的光谱分析仪误差校正方法，可拓展应用至同类光谱分析仪的误差校正中。

（3）本公开提出的误差校正方法可以降低热光调相引入误差的影响，提升硅基热光调相光谱分析仪中温度调节范围，提升光谱分析仪的分辨率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本公开所提供的一种光谱分析仪误差校正方法的示意图；

图2示出了一种硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分光仪结构示意图；

图3示出了图2所示光谱分析仪中上干涉臂受热时光谱分析仪输出光功率随热功率变化曲线图；

图4示出了取包络和归一化后单波长输入光的输出光功率随热功率变化曲线示意图；

图5示出了4个不同输入光频率下马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪两臂误差系数k线性拟合结果；

图6示出了4个不同输入光频率下不同光入射频率下马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪两臂误差系数分布结果。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

为了解决现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种光谱分析仪误差校正方法及系统，下面结合附图进行说明。

图1示出了本公开所提供的一种光谱分析仪误差校正方法的示意图；本实施例中的光谱分析仪为硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪（简称mzi），图2示出了一种硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分光仪结构示意图，热光调相mzi一般包括两个干涉臂，分别为上干涉臂和下干涉臂，每个干涉臂周围都覆盖加热器（或者加热电极），通过加热器进行加热，使得干涉臂周围温度发生变化，进而改变干涉臂的折射率，使上下两干涉臂产生光程差，对输入光进行干涉分光。实际工作中，为了确保测试的准确性，可以针对上下干涉臂采用如图1所示的误差校正方法分别标定出色散误差、非线性误差以及热效率。

如图1所示，本公开提供的上述光谱分析仪误差校正方法，包括：

步骤s101：向所述光谱分析仪输入预设波长的输入光，对所述光谱分析仪的目标干涉臂施加预设范围内的热功率；

步骤s102：获取所述光谱分析仪的光功率输出信号，所述光功率输出信号是指所述光谱分析仪的输出光功率随热功率变化曲线，如图3所示；

图3示出了图2所示光谱分析仪中上干涉臂受热时光谱分析仪输出光功率随热功率变化曲线图，光谱分析仪输入端连接可调谐激光器，输入光波长为1550nm，对光谱分析仪上干涉臂施加热功率范围为0-4w。图3所示的输出光功率随热功率变化曲线中，可以看到随着热功率的增加，平均输出光功率减小，输出光功率的幅度也减小，这主要是由于在对干涉臂加热过程中，输入/输出端光纤的对准和振动误差引起的，在误差校正的过程中，需要首先对输出光功率进行预处理以消除此部分误差的影响。

步骤s103：对所述光功率输出信号进行预处理，所述预处理包括平滑、去直流和归一化处理；

具体的，平滑处理是为了消除测量仪器的测量精度误差等造成的小抖动误差影响；去直流和归一化则是为了消除输入/输出端光纤的对准和振动误差，其中去直流和归一化都采用了取包络的方法进行数据处理。如图4示出了取包络和归一化后单波长输入光的输出光功率随热功率变化曲线。

步骤s104：根据预设的光功率输出信号表达式，利用预设的非线性拟合函数对预处理后的光功率输出信号进行拟合，得到误差数据；

实际应用中，可以利用模拟退火优化算法方法实现数据非线性拟合，算出待定系数的数值。模拟退火算法是在利用预设的非线性拟合函数对预处理后的光功率输出信号进行拟合，以得到误差数据的过程中采用的方法。且，对3个不同波长输入光对应预处理后光功率输出信号拟合过程中，均采用了此算法。本申请中采用模拟退火优化算法进行拟合，相较于nlinfit函数，此方法速度更快，更易得到参数最优值。

具体的，所述预设的光功率输出信号表达式如下：

其中，k(ν)和为所述误差数据；

u表示引入色散系数后的输入光频率；κ表示热效率系数；γ表示非线性系数；w表示热功率；ν表示输入光频率；a为常数，表示输出光功率的幅度值；表示初始相位。

下面对所述光功率输出信号表达式（也可以称为误差理论分析模型）的构建过程进行介绍，具体过程如下：

针对硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪，理想情况下，输出光功率表达式为：

；

；

其中，i为光谱分析仪输出光功率；

a为常数，输出光功率的幅度值；ν为输入光频率；τ为由于热功率变化引起的光谱分析仪两臂的时间延迟；为常数，初始相位；

l为光谱分析仪的臂长；

c为光速；为热功率引起的干涉臂折射率的变化。

理想情况下，对光谱分析仪一干涉臂施加热功率时，硅波导的折射率会随着温度的变化而变化，变化量为；进而引起马赫-曾德尔干涉仪等效臂长的变化，变化量为；此时马赫-曾德尔干涉仪两臂之间的臂长差为，由此引起的马赫-曾德尔干涉仪两臂间的相位延迟为，其中为入射光波长，。因此，马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪输出光功率可表示为。

热光调相的过程中，会引入各种各样的误差。如硅波导的模式色散会导致不同波长输入光对应的由于加热引起的折射率的变化不同；较大的温度变化，会引起热光的非线性，同时加热带来的芯片热膨胀也会导致马赫-曾德尔干涉仪臂长的变化；工艺误差也会带来马赫-曾德尔干涉仪两臂之间的差异。

综合考虑以上误差，引入色散系数和非线性系数γ，此时展宽后的光频率u和校正后的时延t为：

；

；

引入误差后，光谱分析仪的输出光功率为：

；

针对硅基热光调相光谱分析仪误差的校正和标定，需要确定上述引入的误差系数和γ。采用线宽较窄的可调谐激光器进行校正，在校正的过程中，除了可以确定上述误差系数外，还可标定出热光马赫-曾德尔型光谱分析仪干涉臂的热效率κ，κ表征施加在加热器上的热功率（w）与干涉臂时延（τ）之间的关系，τ=κw。引入热效率后，光谱分析仪输出光功率可以表示为：

；

设定：

则光谱分析仪输出光功率可以表示为：

单波长光入射，热功率发生变化时，由实验可以测量得到光谱分析仪的上下两臂的输出光功率随热功率变化曲线，根据上式可以通过非线性拟合得到上下两臂的k(ν)和。改变输入光的频率（或者波长），可以得到不同频率下的k(ν)和；根据，对不同光入射频率下的k(ν)进行线性拟合，可以得到κ和；由κ和，根据，可以计算得到γ。至此，通过实验校正，可以得到马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪上下两臂由于加热引入的色散误差系数和非线性误差系数γ，同时还可标定得到上下两臂的热效率系数κ。

所谓“拟合”，指的是在已有一组实验数据的前提下，研究这组数据有怎样的函数关系——最终结果是从这一组看似漫无规律的数据点中“找出”能用数学表达式表示的规律。

步骤s105：向所述光谱分析仪输入至少3个不同波长的输入光，针对每个波长的输入光重复上述步骤，以得到至少3个不同波长的输入光对应的误差数据；

步骤s106：根据预设的误差表达式，对所述至少3个不同波长的输入光对应的误差数据进行线性拟合，得到拟合结果，该拟合结果包括目标干涉臂对应的热效率系数、色散系数和非线性系数；

步骤s107：根据所述拟合结果对所述光谱分析仪的色散及非线性误差进行校正。

由所述光功率输出信号表达式建立过程可知，预处理后光功率输出信号曲线满足，按照此式对预处理后的光功率输出信号曲线拟合，拟合中根据目标函数的特点，选用模拟退火算法优化进行拟合，得到k(ν)和。实际校正过程中，分别选取可调谐激光器输出波长为1530nm、1540nm、1550nm和1560nm的光作为输入光，得到4个不同波长下光谱仪输出光功率随热功率变化曲线，并分别对其进行预处理和拟合，得到不同输入光频率干涉仪上下臂的k(ν)和。

参见图5，示出了4个不同输入光频率下马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪两臂误差系数k线性拟合结果，根据误差理论分析模型中，可以拟合得到热效率κ和色散系数。

参见图6，示出了4个不同输入光频率下不同光入射频率下马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪两臂误差系数分布结果，根据，结合以拟合得到的热效率κ，可以计算得到非线性系数γ。

按照上述过程，可得到图2所示的光谱分析仪色散系数为43.5×10^-2，非线性系数γ为12.6×10^-3ps^-1，上下两臂的热效率κ分别为103×10^-3ps×w^-1、97×10^-3ps×w^-1。经上述过程得到的色散系数、非线性系数以及热效率系数，可校正图2所示的光谱分析仪色散及非线性误差，同时也标定了两臂热光系数。在利用该光谱分析仪进行测试时，在光谱复原环节根据建立的误差理论分析模型和标定得到的系数，进行误差的校正，可确保复原得到准确的输入光谱，提升了光谱分析仪的测量准确度。

本申请提供的光谱分析仪误差校正方法具有如下优点：

（1）本公开对大臂长硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型光谱分析仪非线性误差和色散误差校正，建立误差校正模型，对热光引起的误差进行标定，提高了光谱复原的准确率。

（2）本公开提出的光谱分析仪误差校正方法，可拓展应用至同类光谱分析仪的误差校正中。

（3）本公开提出的误差校正方法可以降低热光调相引入误差的影响，提升硅基热光调相光谱分析仪中温度调节范围，提升光谱分析仪的分辨率。

本公开还提供了一种光谱分析仪误差校正系统，所述光谱分析仪为硅基热光调相马赫-曾德尔干涉型，所述系统包括：

光源，用于向所述光谱分析仪输入预设波长的输入光；

加热模块，用于对所述光谱分析仪的目标干涉臂施加预设范围内的热功率；

控制模块，用于实现以下步骤：

获取所述光谱分析仪的光功率输出信号，所述光功率输出信号是指所述光谱分析仪的输出光功率随热功率变化曲线；

对所述光功率输出信号进行预处理，所述预处理包括平滑、去直流和归一化处理；

根据预设的光功率输出信号表达式，利用预设的非线性拟合函数对预处理后的光功率输出信号进行拟合，得到误差数据；

控制所述光源向所述光谱分析仪输入至少3个不同波长的输入光，针对每个波长的输入光重复上述步骤，以得到至少3个不同波长的输入光对应的误差数据；

根据预设的误差表达式，对所述至少3个不同波长的输入光对应的误差数据进行线性拟合，得到拟合结果，该拟合结果包括目标干涉臂对应的热效率系数、色散系数和非线性系数；

根据所述拟合结果对所述光谱分析仪的色散及非线性误差进行校正。

具体的，预设的光功率输出信号表达式如上方法实施例所示。

根据本申请的一些实施方式中，所述预处理中的去直流和归一化均采用取包络的方法进行数据处理。

根据本申请的一些实施方式中，所述非线性拟合函数采用模拟退火优化算法。

根据本申请的一些实施方式中，所述光源为可调谐激光器。

本申请实施例提供的光谱分析仪误差校正系统，与本申请前述实施例提供的光谱分析仪误差校正方法出于相同的发明构思，具有相同的有益效果。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。