一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配系统及方法与流程

本发明涉及光谱测量，特别涉及一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配系统及方法。

背景技术：

1、计算型光谱仪（亦称计算式光谱仪、计算重构光谱仪）通过编码采样与数值重建相结合的方式，以较少次数的采样获取较多波长点的光谱信息，是实现光谱仪小型化、集成化的重要技术路径。然而，在宽波段光谱测量场景下，现有计算型光谱仪的光学前端方案主要存在以下技术缺陷。

2、（一）单通道宽波段滤波方案：采用单个可调谐滤波器通过大范围调谐实现全波段扫描。受限于自由光谱范围与品质因子之间的固有折中，该类方案在覆盖宽波段时不得不牺牲光谱分辨率，导致滤波对比度劣化、采样矩阵条件数恶化。

3、（二）多通道并行滤波方案：在芯片上集成多个设计在不同中心波长的滤波器阵列，各滤波器分别覆盖一段子波段。该类方案通常采用分束器将输入光等分至各通道，但未考虑各子波段的实际光功率分布和滤波器响应差异，导致全波段重建质量不均衡。

4、（三）波分复用前端方案：采用阵列波导光栅等波分复用器件将不同波长成分预先分离后送入对应通道。该类方案的通道划分由器件物理结构固定，无法根据测量需求动态调整波段边界和采样策略。

5、（四）光开关在计算型光谱仪中的应用探索：已有方案利用多级光开关阵列选通不同宽谱整形单元进行级联组合，以获得一系列传输函数各不相同的宽谱整形器件进行全局采样（如cn114563086a）。但该类方案中每个整形器件仍覆盖全波段，其核心在于增强传输函数的随机性以改善采样矩阵的正交性，并未从物理上对宽波段进行降维分割，宽波段覆盖与高分辨率之间的固有矛盾未得到实质性化解。

6、（五）光传输链路的偏振管理缺失：现有方案多采用标准石英单模光纤，光开关和滤波单元通常具有偏振敏感特性，传输过程中偏振态的随机变化会导致采样矩阵不稳定，影响光谱重建精度。

7、针对上述问题，现有技术中尚缺乏一种能够在计算型光谱仪光学前端实现宽波段有效降维分割，同时兼顾传输链路偏振稳定性与通道切换长期可靠性的系统性解决方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配系统及方法，以达到在计算型光谱仪光学前端对宽波段进行有效降维分割，使各子通道在较窄波段内实现高分辨率探测，同时通过全链路保偏传输和闭环位置校准保障采样矩阵稳定性和通道切换长期可靠性，从而实现宽波段覆盖与高光谱分辨率兼顾、系统测量精度与长期稳定性协同提升的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配系统，包括：

4、输入耦合模块，用于接收宽谱待测光信号并将其耦合至保偏光纤中；

5、光开关模块，具有一个公共输入端口和n个输出端口，用于将经由所述输入耦合模块输入的宽谱待测光信号分时切换至所述n个输出端口中的任一输出端口输出，其中n为大于等于2的整数；所述光开关模块包括微透镜以及分别设置于所述微透镜入射光路侧和出射光路侧的输入准直器和n个输出准直器；

6、n条独立的保偏光纤传输链路，每条所述保偏光纤传输链路的一端与所述光开关模块的一个输出端口连接，用于将所述光开关模块输出的光信号保偏传输；

7、n个输出耦合模块，每个所述输出耦合模块设置于一条所述保偏光纤传输链路的另一端，用于将所述保偏光纤传输链路输出的光信号耦合至计算型光谱仪的一个片上光谱分析通道；

8、光功率监测模块，设置于各所述保偏光纤传输链路上，用于实时监测对应传输链路的耦合光功率；

9、控制与校准模块，分别与所述光开关模块和所述光功率监测模块信号连接，用于控制所述光开关模块的通道切换，并根据所述光功率监测模块的监测信号对所述光开关模块进行闭环位置校准。

10、上述方案中，所述光开关模块为基于微机电系统的1×n型光开关，通过电驱动所述微透镜的二维角度偏转实现输入光斑在不同输出端口间的切换。

11、上述方案中，所述保偏光纤传输链路采用硫化物玻璃保偏光纤或氟化物玻璃保偏光纤。

12、上述方案中，所述输入耦合模块的输入光纤为保偏光纤，且其慢轴与所述光开关模块的输入端保偏尾纤的慢轴对准。

13、上述方案中，所述输入准直器与所述微透镜之间以及所述微透镜与各所述输出准直器之间的光路中分别设置有偏振补偿元件。

14、上述方案中，各所述片上光谱分析通道分别包含针对对应子波段进行优化设计的滤波单元。

15、上述方案中，各所述保偏光纤传输链路靠近所述光开关模块的一端设置有所述光功率监测模块，所述光功率监测模块包括分光器和光电探测器，所述分光器用于将对应传输链路中的部分光信号分出并引导至所述光电探测器。

16、一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配方法，包括以下步骤：

17、步骤1：根据宽谱待测光信号的波长范围，将全波段划分为n个子波段，每个子波段分配至一个独立的探测通道，n为大于等于2的整数；

18、步骤2：驱动所述光开关模块依次切换至各探测通道，记录各探测通道的光功率基准值和对应的驱动电压；

19、步骤3：按照预设的通道切换序列，控制所述光开关模块依次将输入的宽谱待测光信号切换至各探测通道，经各探测通道对应的保偏光纤传输链路传输及输出耦合模块耦合后，输出至对应的片上光谱分析通道；

20、步骤4：在每次切换至目标探测通道后，实时监测该探测通道的耦合光功率，将监测值与所述步骤2中记录的该探测通道的光功率基准值进行比较，若偏差超出预设容差范围，则自动调整所述光开关模块的驱动电压，直至所述监测值恢复至所述光功率基准值范围内。

21、上述方案中，所述步骤1中，各相邻子波段之间预留有重叠区。

22、上述方案中，所述步骤4中，所述自动调整所述光开关模块的驱动电压采用梯度搜索方式，沿光功率梯度上升方向逐步调整驱动电压，直至耦合光功率恢复至所述光功率基准值范围内。

23、通过上述技术方案，本发明提供的一种面向计算型光谱仪的宽波段光开关通道分配系统及方法具有如下有益效果：

24、（一）有效化解宽波段覆盖与高光谱分辨率的固有矛盾

25、本发明通过光开关通道分配机制，在光学前端将宽谱待测光信号按波段需求依次分配至多个独立的探测通道，各通道仅需在对应的窄子波段内进行滤波探测，等效光谱带宽压缩为全波段的1/n，将一个高难度的全波段高分辨率探测问题转化为多个在较窄波段内容易实现高分辨率的子问题，在系统层面实现了宽波段覆盖与高光谱分辨率的兼顾。

26、（二）波段划分灵活可配置

27、本发明采用光开关模块作为通道选择核心器件，其通道切换顺序和切换序列可由控制与校准模块根据测量任务灵活配置，克服了现有波分复用器件通道划分由物理结构固定、无法动态调整的局限；同时各相邻子波段之间预留重叠区，为后续光谱拼接提供了强度匹配校准的冗余空间。

28、（三）实现宽波段低损耗保偏传输，保障采样矩阵确定性

29、本发明采用硫化物玻璃保偏光纤或氟化物玻璃保偏光纤作为传输介质，在短波红外波段实现低损耗传输的同时保持偏振态稳定；全链路保偏设计确保偏振态无旋转传递至片上光谱分析通道，使采样矩阵成为确定矩阵，消除了偏振随机变化引入的矩阵时变性，保障了编码采样的一致性和光谱重建精度。

30、（四）闭环位置校准确保通道切换长期稳定性

31、本发明引入基于光功率实时监测的闭环位置反馈校准机制，在每次通道切换后将监测光功率与标定基准值比较，偏差超出容差时自动微调驱动电压直至恢复最佳耦合效率，确保光开关模块在全生命周期和宽温度范围内的高重复性，为多通道光谱数据拼接提供了物理一致性保障。

32、（五）系统模块化，扩展性强

33、本发明中光开关通道分配系统作为独立前端模块，与后续片上分析模块之间通过标准化保偏光纤接口连接，增加测量波段仅需扩展光开关模块的输出端口数量和对应链路，无需改动已有模块，系统扩展性强。