一种频域鬼成像光谱检测方法及装置与流程

1.本发明涉及一种光谱检测方法，尤其涉及一种频域鬼成像光谱检测方法。


背景技术：

2.鬼成像技术是一种通过光场强度的关联测量非局域地获得物体目标的新型成像手段。通过对区别于有无经过目标的两束光路得到的光场分布和积分结果进行互相关计算，可以以超出系统带宽限制的频率传输信号，具有可成像波段范围广，能抵抗恶劣环境干扰，实现超高分辨成像等优点。由于时空频之间的对偶关系，近年来鬼成像逐渐扩展到时频域，能够在单臂架构中，通过预设对应域的结构光场编码，经过探测目标之后，利用单个慢速探测器的积分测量结果与编码光场之间的互相关计算实现对应域目标信号恢复，为实现时频域目标的低成本高分辨探测成像提供了全新、可行的解决方案。
3.频域鬼成像通过对光场频谱强度进行关联测量实现目标频谱信息的获取。其中，对光场的频谱强度分布进行高分辨的编码是实现频域鬼成像光谱检测的关键。目前已提出的频域鬼成像编码方案包括：(1)利用超连续谱光源自身的光谱随机强度波动作为编码信息；(2)通过可编程光滤波器对宽谱光源进行频谱强度的伪随机调制编码。然而，前者的编码信息未知，需要设立单独的参考臂，通过高速探测同步获取对应频谱的强度波动，再与积分得到的强度作互相关运算实现目标频谱的检测；而后者受限于可编程光滤波器的分辨率和调制速度，不仅难以实现快速、高精度的频谱强度编码，也难以降低系统检测成本，限制了频域鬼成像光谱检测方案的发展与应用。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种频域鬼成像光谱检测方法，采用色散拉伸傅里叶变换技术以低成本的方式实现频域鬼成像中光场频谱强度的伪随机编码，从而实现对频域目标的低成本高分辨率探测。
5.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
6.一种频域鬼成像光谱检测方法，采集待测目标在频域预编码结构光场中的光强信息，然后通过将采集到的光强信息与所述频域预编码结构光场作互相关运算以重建出待测目标频谱；所述频域预编码结构光场的生成方法如下：利用色散傅里叶变换对光脉冲进行时域拉伸，然后用预设的伪随机编码对时域拉伸后的光脉冲进行强度调制。
7.优选地，通过大色散啁啾光纤光栅实现所述时域拉伸。
8.优选地，使用马赫曾德尔调制器实现所述强度调制。
9.优选地，使用锁模激光器生成所述光脉冲。
10.优选地，时域拉伸后的相邻光脉冲之间互不重叠。
11.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
12.一种频域鬼成像光谱检测装置，包括：用于生成频域预编码结构光场的结构光生成模块，用于采集待测目标在所述频域预编码结构光场中的光强信息的光强采集模块，用
于通过将采集到的光强信息与所述频域预编码结构光场作互相关运算以重建出待测目标频谱的互相关运算模块；所述结构光生成模块包括：
13.色散拉伸模块，用于利用色散傅里叶变换对光脉冲进行时域拉伸；
14.强度调制器，用于用预设的伪随机编码对时域拉伸后的光脉冲进行强度调制。
15.优选地，所述色散拉伸模块为大色散啁啾光纤光栅。
16.优选地，所述强度调制器为马赫曾德尔调制器。
17.优选地，使用锁模激光器生成所述光脉冲。
18.优选地，时域拉伸后的相邻光脉冲之间互不重叠。
19.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
20.本发明通过色散拉伸结合强度调制的方式，以低成本手段实现对光场频谱强度的伪随机编码，无需使用可编程光滤波器，从而在频域鬼成像无需高成本探测器的基础上，进一步降低系统的调制成本，实现对频谱目标的高分辨低成本探测。
附图说明
21.图1是本发明频域鬼成像光谱检测装置的一种具体结构示意图；
22.图2为光脉冲经过色散拉伸模块前后的时间波形以及脉冲频谱波形对比；
23.图3为强度调制后得到的对应编码变化的频谱形状示意图；
24.图4为基于hadamard矩阵的伪随机编码波形，其中的(a)表示64*64的hadamard矩阵形式，(b)为hadamard矩阵做自相关的结果，表示为h
t
h，其中上标t表示转置。
具体实施方式
25.现有的频域鬼成像光谱检测架构通过可编程光滤波器实现对宽谱光源的强度调制，由于调制信息可控，作用到频谱目标上的光场分布i(λ)已知，因此通过积分探测器采集总光强的响应为：
26.s
i
＝∫i
i
(λ)t(λ)dλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
27.式中i
i
(λ)为第i次采样的光场分布，t(λ)为目标对光场的调制系数。通过编码的不同模式所对应的n次采样后，重建的频谱目标可由二阶关联算法给出：
[0028][0029]
将该方程表示为矩阵的形式，h代表编码矩阵，t代表目标的矢量形式，g代表重建目标。则可以得到二阶关联算法的矩阵表示形式
[0030][0031]
然而现有的这种频域鬼成像光谱检测架构需要使用可编程光滤波器对光场频谱强度进行伪随机滤波调制，一方面导致系统成本过高，另一方面系统性能会受到可编程光滤波器的分辨率和模式切换速度限制。
[0032]
为解决这一问题，本发明的思路是通过色散拉伸的方式利用色散傅里叶技术实现脉冲信号频谱到时域的映射，通过对时域波形强度的伪随机调制，实现对应频谱强度分布的伪随机编码，从而解决频域鬼成像中高精度频谱编码分辨率受限、调制速度受限的难题，
以低成本方式实现对频谱目标的高精度检测。
[0033]
本发明的解决方案具体如下：
[0034]
一种频域鬼成像光谱检测方法，采集待测目标在频域预编码结构光场中的光强信息，然后通过将采集到的光强信息与所述频域预编码结构光场作互相关运算以重建出待测目标频谱；所述频域预编码结构光场的生成方法如下：利用色散傅里叶变换对光脉冲进行时域拉伸，然后用预设的伪随机编码对时域拉伸后的光脉冲进行强度调制。
[0035]
一种频域鬼成像光谱检测装置，包括：用于生成频域预编码结构光场的结构光生成模块，用于采集待测目标在所述频域预编码结构光场中的光强信息的光强采集模块，用于通过将采集到的光强信息与所述频域预编码结构光场作互相关运算以重建出待测目标频谱的互相关运算模块；所述结构光生成模块包括：
[0036]
色散拉伸模块，用于利用色散傅里叶变换对光脉冲进行时域拉伸；
[0037]
强度调制器，用于用预设的伪随机编码对时域拉伸后的光脉冲进行强度调制。
[0038]
所述色散拉伸模块优选为色散光纤或大色散啁啾光纤光栅；此外，为实现脉冲光谱与时域映射波形一致，最好保证时域拉伸后的相邻光脉冲之间互不重叠。
[0039]
优选地，所述强度调制器为马赫曾德尔调制器。
[0040]
优选地，使用锁模激光器生成所述光脉冲。
[0041]
为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例，并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
[0042]
如图1所示，本实施例采用锁模激光器作为激光源产生重频稳定的光脉冲，然后通过大色散啁啾光纤光栅实现光脉冲在时域上的色散拉伸，同时将光脉冲频谱形状映射到时域上；随后利用马赫曾德尔调制器将微波源产生的一系列伪随机编码波形强度调制到拉伸后的时域光脉冲上，得到对应强度编码的脉冲频谱；将一系列强度编码的脉冲频谱通过频谱目标，通过光功率计实现对应光信号强度的探测；最终通过对探测得到的光强度与编码光谱之间做互相关运算，实现对待测目标频谱的高分辨还原。
[0043]
图2为光脉冲经过色散拉伸模块前后时间波形以及脉冲频谱波形的对比。如图2所示：当光脉冲经过色散拉伸模块时，大色散啁啾光纤光栅为光脉冲的频谱引入二阶相位调制，输出光谱与输入光谱之间的关系满足：
[0044][0045]
而利用傅里叶逆变换可以得到输出光脉冲的时域表达式：
[0046][0047]
其中，z为光传播距离，β2为群速度色散系数。当公式满足时域远场衍射条件时(β2z
→
∞)，积分仅在ω＝t/(β2z) ω0处取非零值，因此输出光脉冲在t时刻的振幅只与输入光谱中ω＝t/(β2z) ω0的频谱分量有关，输出光功率表示为：
[0048]
[0049]
由此可知，色散傅里叶变换会使得输出光脉冲时域与输入光脉冲光谱之间呈现一一对应关系，且色散量越大，相邻波长分量在时间上分得越开。因此能够实现光脉冲“频域
‑
时间”映射。
[0050]
图3为利用马赫曾德尔调制器对色散拉伸的光脉冲进行时域调制后，得到的对应编码变化的频谱形状示意图。由于经过色散拉伸后的光脉冲实现了频谱到时域的映射，因此，对时间波形强度进行时域上的伪随机调制，将会一一映射到对应的频谱位置，从而实现对脉冲频谱的伪随机编码。使马赫
‑
曾德尔调制器工作在推挽模式，偏置在正交点，则电信号会改变内部折射率从而影响光信号的相位分布，进而影响强度分布，实现电光强度调制。需要注意的是，由于时域光脉冲呈周期排列，因此色散拉伸后的频谱也会时间映射到时域波形的多个周期。在进行强度调制时，伪随机信号的时钟周期需要和光脉冲保持一致，可以通过时钟同步产生伪随机信号的微波源与锁模激光器实现，调制速度能够达到μs级别。
[0051]
所述预设伪随机编码可使用现有技术所使用的各种编码方案，优选采用基于hadamard矩阵、傅里叶基、小波基等正交编码方案，相比非正交的伪随机编码方式，能够以更少的调制次数和数据量级实现对信号的高精度还原。图4即显示了基于hadamrd矩阵的伪随机编码波形。如其中的(a)所示，该64*64的hadamard矩阵由 1，
‑
1构成，其中浅色的像素点代表“ 1”，深色的像素点代表
“‑
1”。为了用更适合于实际物理模型的1，0来表示对时间强度波形的调制，优化后的hadamard矩阵可以表示为
[0052][0053]
其中的(b)是为了验证hadamard矩阵调制的正交性给出的hadamard矩阵自相关结果，从图中可以看出，h
t
h是一个标量矩阵，因此代入回式(3)中可以得到
[0054][0055]
从而能够以最小调制次数和数据量级恢复时域信号。
[0056]
而考虑到光脉冲频谱自身强度起伏对目标探测造成影响，设脉冲频谱在频域上的分布可用矢量a表示，则只需要通过光谱仪预先获取光脉冲功率谱的包络形状，在目标的恢复重建过程中乘上a
‑1，表示为：
[0057][0058]
即可消除脉冲频谱自身强度起伏对目标探测的影响。
[0059]
综上所述，通过本发明技术方案，可在现有频域鬼成像技术的基础上突破可编程光滤波器对频谱编码分辨率和调制速度的限制，通过频时映射的方式实现对脉冲光谱强度的高精度编码。具有成本低、结构简单，高分辨率、高速采集的优势，解决了频域高精度调制探测的难题，可实现光谱的高精度检测。