[发明专利]光谱重建方法及光谱仪

说明书

本公开提供了一种光谱重建方法，包括：沿时间维度生成二维哈达玛掩膜序列，其中每个二维哈达玛掩膜包含波长维度和系数维度；检测通过所述二维哈达玛掩膜序列的光学信号；以及分析所述光学信号来重建待测光谱，其中，所述二维哈达玛掩膜包括波长维度的多个列，每列对应于不同的哈达玛系数，并且在所述时间维度中具有不同的列率值。本公开还提供了一种光谱仪。

技术领域

本公开涉及一种光谱重建方法及光谱仪。

背景技术

光谱仪是一种能够通过分析材料与一定波长范围内的光的相互作用来检测材料性质的重要技术。作为材料分析中不可缺少的工具，根据其工作原理，目前的光谱仪主要可以分为四大类。

第一类色散型光谱仪，其中色散光栅将不同波长的光映射在空间不同角度，并由点探测器依次测量或由一维探测器同时测量。第二类基于窄带可调谐滤波器，如法布里-珀罗光谱仪、声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器等，通常这种光谱仪每次仅测量很窄的波长范围。这两类光谱技术有较低的信噪比。第三类基于各种干涉仪，其需要对测量数据再处理，如通过傅立叶变换来重构待测光谱。这类方法利用单像素探测器同时测量多个波长的信号，具有较高的信噪比。第四类是使用数字微镜阵列或液晶空间光调制器等光调制器的实现波长复用以提高信噪比。

在第四类基于波长复用技术的光谱方法中，哈达玛变换光谱法通过在传统光栅光谱仪的出射平面放置哈达玛掩膜，并且使用单像素探测器替代二维探测器，成功地实现了从可见光到近红外光的光谱范围的波长复用。

目前所有的哈达玛变换光谱技术都采取了直流测量方式获得哈达玛系数，这种方式常常受到噪声和信号漂移的影响，需要采取延长测量时间来降低测量误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种光谱重建方法及光谱仪。

根据本公开的一个方面，一种光谱重建方法，包括：沿时间维度生成二维哈达玛掩膜序列，其中每个二维哈达玛掩膜包含波长维度和系数维度；检测通过所述二维哈达玛掩膜序列的光学信号；以及分析所述光学信号来重建待测光谱，其中，所述二维哈达玛掩膜包括波长维度的多个列，每列对应于不同的哈达玛系数，并且在所述时间维度中具有不同的列率值。

根据本公开的至少一个实施方式，基于列率有序哈达玛矩阵来生成所述二维哈达玛掩膜序列。

根据本公开的至少一个实施方式，所述二维哈达玛掩膜的波长维度的不同列在时域遵循互补变化原则，以增强待检测光学信号的信噪比。

根据本公开的至少一个实施方式，所述光学信号由单像素探测器进行检测。

根据本公开的至少一个实施方式，分析所述光学信号的步骤包括：对所述光学信号执行快速沃尔什哈达玛变换，获得哈达玛系数。

根据本公开的至少一个实施方式，重建所述待测光谱的步骤包括：求解方程组其中y_i(λ)为所述哈达玛系数，x_ij(λ)为沿所述波长维度的第j个通道以及沿所述系数维度的第i个通道的光谱元素，x_1j(λ)为沿所述波长维度的第j个通道及沿所述系数维度的第1个通道的光谱元素，s_ij为沿所述波长维度的第j个通道以及沿所述系数维度的第i个通道的光谱对应的哈达玛矩阵元素，N为沿所述波长维度的通道的数量，a_ij为光谱强度归一化系数。

根据本公开的至少一个实施方式，重建所述待测光谱的步骤包括校准步骤以获得x_1j(λ)的值，在所述校准步骤中，使用预校准的光谱仪作为探测器以检测所述光学信号。