一种光谱探测方法和装置

本发明涉及光谱探测，尤其是涉及一种光谱探测方法和装置。

背景技术：

1、光谱探测技术通过测量材料与激励光源的相互作用来获取关于样品的信息，被广泛认为是科学和工业研究领域中最强大、最常用的表征工具之一。无论是在基础研究中还是在工业应用中，它都为人们提供了深入了解物质的方法。传统的光谱探测技术通常使用光栅或棱镜等色散元件，将不同波长的光分离并记录下来，实现光谱探测。然而，近年来，重建光谱仪的概念变得越来越受欢迎。这种仪器使用传输矩阵来存储不同输入波长产生的空间光强分布。这一创新性的方法允许人们从测得的空间光强分布中还原出原始样品的光谱信息。

2、与传统的光谱仪相比，重建光谱仪的优势之一是其在色散元件选择方面更加灵活。传统光谱仪使用固定的色散元件，而重建光谱仪可以采用多种不同的色散元件，如布拉格光纤阵列和无序光子晶格等，在色散元件的选择上提供了更大的灵活性。值得一提的是，使用多模光纤作为光谱转换模块的重建光谱仪在光谱分辨力和灵敏度方面具有显著优势。多模光纤中的光可以同时传播在多个波导模式中，这种多模传播会导致干涉现象，而干涉现象会随波长的变化而变化。由于多模光纤的传输距离相对较长，导致干涉现象图像与波长之间的快速去相关，这就为实现高空间-光谱多样性创造了条件。因此以多模光纤作为光谱转换模块的光谱仪使得一种轻便、低成本、高分辨率且低信噪比的重建光谱仪成为可能。

3、随着重建光谱仪的不断发展，在设备小型化上已经实现了显著突破，其设备大小已经能控制在厘米甚至微米级别，具有更好的便携性，在必须进行原位测量的应用上产生了显著影响。然而，在长距离测量领域，因多模光纤的具有很强的不稳定性，例如热效应会导致多模光纤中的传导模式随时间发生变化，进而影响光信号的传输；折射率的不稳定性会因为多模光纤传播路径的微小波动而导致折射率的分布不均匀，从而影响信号的传输性能。所以，当人们想通过使用多模光纤远距离传输光信号探测光谱时，会因其不稳定性使得标定失效，无法获得稳定、准确的光谱组成。综上，当前的重建光谱仪缺少一种远距离传输光信息进行光谱探测的方法和设备。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有重建光谱仪的以多模光纤作为光谱转换模块的光谱重建方法由于缺少了对多模光纤不稳定性的约束导致测量稳定性差、测量距离短的缺陷而提供一种光谱探测方法和装置，通过设置匀化模块，为由多模光纤从远端传输至近端的光束施加平均化作用，消除温度和多模光纤形变对标定的传输矩阵的影响，进而高精度的解析出待测光束的光谱构成；大幅的提高以多模光纤为光谱转换模块的重建光谱仪的测量精度与测量距离。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种光谱探测方法，包括以下步骤：

4、通过多模光纤将待测光束从远端传输到近端，将近端输出的光束进行匀化，使得光束变为均匀分布，获得匀化后的平均光束；

5、将匀化后的平均光束的光谱信息转换为特定光谱响应信息；

6、采集特定光谱响应信息，获取对应的传输矩阵；

7、根据获取的传输矩阵，利用光谱解析算法从特定光谱响应信息中解析出待测光束的光谱构成。

8、进一步地，采用基于光谱-空间维度的映射方法将匀化后的平均光束的光谱信息映射为空间特征信息，得到具有特定空间分布的散斑；对散斑进行图像采集，作为所述特定光谱响应信息；

9、所述传输矩阵的获取过程包括：

10、根据采集的散斑图像，计算散斑强度的谱相关函数，从而设定谱相关宽度；

11、根据谱相关宽度、平均光束对应的离散化光谱信息和空间位置信息，设置光谱通道数和空间通道数；

12、以光谱通道数和空间通道数构建传输矩阵，结合离散化光谱信息，获得光强分布公式；通过记录将输入波长调谐后输出的空间光强分布，依次校准传输矩阵的列向量，获得最终的传输矩阵。

13、进一步地，采用基于光谱响应调制的方法将匀化后的平均光束的光谱信息转换为探测器的光谱响应信息，作为所述特定光谱响应信息；

14、所述传输矩阵的获取过程包括：

15、根据探测器阵列数量和探测器光谱响应信息，定义探测器通道数和光谱通道数；

16、以探测器通道数和光谱通道数构建传输矩阵，结合平均光束的离散化光谱信息和探测器的光谱响应信息，获得探测器阵列信号公式；通过记录将输入波长调谐后输出的探测器阵列响应，依次校准传输矩阵的列向量，获得最终的传输矩阵。

17、进一步地，所述光谱解析算法为基于svd算法的求逆矩阵算法和最优化算法，包括以下步骤：

18、通过svd分解对获取的传输矩阵进行分解，得到分解后的对角矩阵；

19、计算获取的对角矩阵对应的截断误差阈值和截断对角矩阵，所述截断误差阈值定义为对角矩阵中最大元素的分数，所述截断对角矩阵定义为将对角矩阵中所有小于截断误差阈值的元素全部改为0后的矩阵的逆矩阵；

20、根据截断对角矩阵计算输入光谱，获得初步降噪后的输入光谱；

21、基于初步降噪后的输入光谱，采用最优化算法进行光谱重建，得到最终的待测光束的光谱。

22、进一步地，所述最优化算法为模拟退火算法、两步迭代收缩法、线性最小二乘法、最小均方算法、数值算法中的任意一种。

23、进一步地，所述最优化算法为模拟退火算法，包括以下步骤：

24、步骤d1：将光谱重建过程视为能量最小化问题，即输入光谱s的最优解是使得能量e＝||i-ts||2达到最小的解，其中i为散斑的光场强度，t为传输矩阵；

25、步骤d2：将输入光谱s中的一个元素乘以一个介于a和b之间的随机数，获得一个新的光谱s′，计算对应的能量变化δe＝||i-ts′||2-||i-ts||2，并以exp[-δe/t0]的概率保持该变化，其中t0是温度；

26、步骤d3：对输入光谱s中的每个元素执行一次步骤d2；

27、步骤d4：降低温度，重复执行步骤d3直到执行到预设的重复次数或者能量下降到阈值以下后停止，得到最终的待测光束的光谱。

28、进一步地，所述最优化算法为两步迭代收缩法，包括以下步骤：

29、步骤e1：将光谱重建过程视为优化l1范数最小化问题，即输入光谱s的最优解是使得l2范数||i-ts||2达到最小的解，其中i为散斑的光场强度，t为传输矩阵；

30、步骤e2：通过字典学习，获得待测光谱s的稀疏表示：s＝ψs，其中，ψ为稀疏矩阵，s为稀疏向量；

31、步骤e3：将优化l1范数最小化问题进一步提炼为：

32、inimize(||s||1+α×||hψs-i||2)

33、其中，α为尺度因子，与噪声水平有关；

34、步骤e4：对稀疏向量进行迭代更新，迭代表达式为：

35、sn+1＝(1-α)sn-1+(α-β)sn+βψλ[sn+φt(y-φsn)]

36、式中，n为迭代次数，ψλ为软阈值函数，s0＝0；

37、所述软阈值函数ψλ的表达式为：

38、

39、式中，λ为正则化参数，与优化的权重控制有关；

40、步骤e5：重复执行步骤e4直到执行到预设的重复次数或者s的l1范数下降到预设的范数阈值以下后停止，得到最终的待测光束的光谱s＝ψs。

41、本发明还提供一种实现如上所述的一种光谱探测方法的光谱探测装置，包括多模光纤、匀化模块、光谱转换模块、信息采集模块和数据处理模块；

42、所述多模光纤用于将待测光束从远端传输至近端；

43、所述匀化模块包括环形毛玻璃片、轴承、支架和动力装置，所述支架用于支撑环形毛玻璃片和轴承，所述轴承分别连接动力装置和环形毛玻璃片，所述动力装置用于给轴承提供能量，带动环形毛玻璃片转动；所述环形毛玻璃片用于对多模光纤近端输出的光束进行匀化，使得光束变为均匀分布，得到匀化后的平均光束；

44、所述光谱转换模块用于将匀化后平均光束的光谱信息转换为特定光谱响应信息；

45、所述信息采集模块用于采集特定光谱响应信息，将采集的特定光谱响应信息传输至数据处理模块；

46、所述数据处理模块用于根据标定数据，利用光谱解析算法从特定光谱响应信息中解析出待测光束的光谱构成。

47、进一步地，所述匀化模块还包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜用于对多模光纤近端输出的光束进行准直处理后照向环形毛玻璃片，所述第二透镜用于对环形毛玻璃片输出的匀化后的平均光束进行会聚后照向光谱转换模块。

48、进一步地，所述光谱转换模块为基于光谱-空间维度映射的光谱转换模块，为毛玻璃片、多模光纤、宽带衍射光学器件、光子带隙光纤、光子晶体残缺腔和无序芯片中的任意一种；

49、或者，所述光谱转换模块为基于光谱响应调制的光谱转换模块，为纳米线、超表面、量子点、光学薄膜、液晶可调谐滤光片中的任意一种。

50、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

51、(1)本发明通过设置匀化模块，为由多模光纤从远端传输至近端的光束施加平均化作用，提出可以通过绕中心高速旋转的环形毛玻璃片实现，消除温度和多模光纤形变对标定的传输矩阵的影响，显著提高了重建光谱仪的测量精度、稳定性与测量距离。

52、(2)本发明采用基于svd算法的求逆矩阵算法和最优化算法相结合的光谱解析算法，抗噪能力强，测量速度快、精度高。

53、(3)本发明利用多模光纤将待测光束由远端传输至近端进行光谱重建，使得高分辨光谱仪的测量距离显著提高。