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技术领域

本发明涉及一种近红外光谱测量装置，属于光谱检测技术，可用于光通信、石油化工、医疗卫生、军事侦察等领域。

背景技术

光谱仪是一种重要的基础光学分析仪器。 它利用物质不同波长的辐射和吸收特性来分析其分子结构和化学成分。 广泛应用于冶金、地质、石油、化工、生物医药、环保等领域。 以及资源、水文勘探等工农业领域。 近红外波段一般是指波长在780nm至2500nm范围内的光谱。 光纤通信中常用的光源和器件（1520～1610nm）都工作在这个范围内。 经过多年的发展，目前的近红外光谱仪大多是色散光谱仪。 其基本原理是将待测光通过棱镜或衍射光栅分光，然后接收光信号，通过线阵或面阵CCD进行光谱分析。 例如，中国发明专利CN101672695A提出的一种衍射光栅光谱仪，采用反射光栅作为分光元件。 被测光经反射光栅反射形成多级衍射光。 非零衍射光经镜头成像，再由线阵CCD接收并转换成电信号。 最后由单片机或计算机采集CCD的信号，处理后显示。 对于频谱。 虽然光栅分辨率高，校准校正方便，但这种光谱仪的衍射效率低，衍射光谱容易重叠，会出现假谱线。 此外，还有以棱镜为分光元件的近红外光谱仪。 载《应超富,金宏振,李勇.线阵CCD棱镜光谱仪及其误差分析[J].光学仪器,2001(01):26-30.] 该方法中，被测光先经透镜会聚后照射到棱镜上，经棱镜分光后通过棱镜摄谱仪，最后用线阵CCD采集光信号。

被测光经棱镜分光后的光谱是连续的，透过率较高，因此基于棱镜的光谱仪灵敏度较好。 然而，棱镜光谱仪是根据色散效应进行光谱检测，因此其性能受到棱镜尺寸的限制，分辨率低至5nm，无法满足高精度测量的要求。 例如，在光纤通信中，ITU波长之间的间隔只有0.4nm左右，使用上述光谱仪完全无法区分相邻的ITU波长。 综上所述，目前的近红外光谱仪主要是根据光谱原理，利用线阵或面阵CCD接收光信号，对光谱进行分析。 但仍存在以下需要改进的地方： 第一，它不能有效平衡高分辨率、体积、成本和灵敏度。 如果追求高光谱分辨率，就必须付出体积、成本和灵敏度的代价； 相反，如果您需要高灵敏度和低成本，那么光谱分辨率就不会很令人满意。 其次，需要使用面阵或线阵CCD来接收光信号。 目前在近红外波段探测效率最好的光电材料是InGaAs，但InGaAs面阵或线阵CCD的价格极其昂贵，动辄几万到几十万，使得近红外光谱仪的价格居高不下. 第三，受制造原理的限制，线阵或面阵CCD的电信号只能顺序读出。 即使 InGaAs 单像素接收器的光电响应速度可以达到数百兆甚至 GHz，但所有的光谱信息也只能在依次读取像素后才能获得。 这大大降低了光谱仪的检测率。 目前最著名的线阵CCD光谱仪的光谱刷新率只有20~30kHz。 对于上述近红外光谱仪的性能不足，相关研究或报道均未给出解决方案。

发明内容

本发明提出了一种基于新型光谱采集结构的近红外光纤光谱仪，利用不同波长的光通过多模光纤后产生的散斑特性差异来重构光谱。 散斑一般是指相干光照射粗糙表面时产生的具有大量明暗交替的细小颗粒状图案。 它源于这样一个事实，即照明光束包含大量具有独立相位的光分量。 当它们混合和干涉时，会产生不规则的光强度斑块，这些斑块会相互扩展和抵消。 光经过一段多模光纤后，输出端传输模式不同，导致相位差不同，容易产生散斑。 可见，多模光纤的散斑形成与其传输模式的分布密切相关。 不同波长的光沿不同的模式传播，因此出射时会产生不同的干涉散斑。 通过获取这些散斑信息，可以对原始光谱进行反演。 为了使光在多模光纤传输中产生更明显的色散效应，保偏光纤与多模光纤之间通过错位融合激发出更多的高阶传输模式，从而使传输模式分布更宽。

近红外光谱仪包括光纤接口(1)、保偏光纤(2)、位错融合点(3)、多模光纤(4)、透镜(5)、单模光纤束（6）、光电二极管阵列（7）、印刷电路板（8）、电缆（9）、信号处理单元（10）、信号传输线（11）、结果显示单元（12）、单-模光纤(13)、电缆插座(14)。

光纤接口（1）与保偏光纤（2）连接在一起；

保偏光纤(2)与多模光纤(4)采用错位熔接连接,在错位熔接点(3)处,保偏光纤(2)的纤芯与多模光纤（4）纤芯没有严格对齐，在熔接截面上有一定偏移；

透镜（5）对多模光纤（4）出射的发散光进行准直聚焦；

单模光纤束（6）由多根单模光纤（13）组成，所有光纤沿轴向紧密平行排列，用胶水或夹具固定，端面接受散斑光的一端齐平；

光电二极管阵列（7）由多个光电二极管焊接在印刷电路板（8）上组成光信号采集模块；

单模光纤束（6）的每根单模光纤（13）与光电二极管阵列（7）的每个光电二极管（14）一一对应连接；

电缆（9）连接参考电路板（8）与信号处理单元（10）；

信号传输线（11）连接信号处理单元（10）和结果显示单元（12）；

优选地，所述光纤接口（1）为FC/APC接口；

优选地，所述保偏光纤（2）为外径为125微米、长度为30厘米的熊猫型保偏光纤；

优选地，所述多模光纤（4）的数值孔径（NA）为0.22，外径为125微米，芯径为62.5微米，长度为1m；

优选地，所述透镜（5）的材料为PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；

优选地，所述光纤束（6）由多根单模光纤（13）组成，其形状为接近干涉散斑轮廓的多边形，例如六边形；

优选地，所述光电二极管阵列（7）中，每个光电二极管的感光面为300μm，响应波长为800-1700nm，带宽为100MHz；

优选地，所述信号处理单元（10）由数模采集部分和DSP处理部分组成。

本发明的有益效果是：

利用光纤束（6）代替传统光谱仪的线阵或面阵CCD获取多模光纤（4）的干涉散斑信息并恢复光谱，可大大降低设备成本，提高测量速度. 另外近红外光纤光谱仪，只要相邻波长的散斑不同，就可以将两者区分开来，不受传统分光装置衍射极限的限制，理论上可以有更高的光谱分辨率。

图纸说明

图1所示为所述新型近红外光谱仪系统结构图；

图2为新型近红外光谱仪光束聚焦部分示意图；

[0018] 图3示出所述新型近红外光谱仪光电二极管阵列示意图；

图4为新型近红外光谱仪多模光纤输出端不同波长的干涉散斑图。

详细方法

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是新型近红外光谱仪的结构示意图。 主要包括FC/APC接口（1）、保偏光纤（2）、错位熔接点（3）、多模光纤（4）、透镜（5）、单模光纤束（6）、光电二极管阵列（7）、印刷电路板（8）、线缆（9）、信号处理单元（10）、信号传输线（11）、结果显示单元（12）、单模光纤（13）、插座 (14)。

待测光首先通过FC/APC接口（1）进入系统，首先通过保偏光纤（2）传输保持偏振态，保偏光纤（2）的输出端)与多模光纤(4)错位拼接； 待测光通过多模光纤(4)在其输出端形成干涉散斑。 干涉散斑通过透镜（5）会聚后直接投射到单模光纤束（6）上。 单模光纤束（6）由多根单模光纤（13）组成，与光电二极管阵列（7）一根接一根连接，接收待测光后，将电信号传输到信号处理单元（10）通过电缆（9），经过信号处理单元（10）计算，最终通过信号传输线（11），最终还原的谱图和数据显示在结果显示单元上(12).

其中，FC/APC接口（1）与保偏光纤（2）融合在一起，保偏光纤（2）可以解决偏振态变化的问题。 通过光纤几何形状的设计，产生更强的双折射效应，消除应力对入射光偏振态的影响，从而减少外界因素对被测光源的影响，提高光谱仪的精度。 位错熔点(3)用于放大光纤传输的色散现象，使多模光纤(4)末端的待测光的干涉散斑对波长的变化更加敏感，进一步提高了光谱仪的分辨率。

如图2所示，待测光通过多模光纤（4）后，通过一个透镜（5），透镜（5）用于会聚并投射末端的干涉散斑多模光纤（4），在此过程中，多模光纤（4）输出端的中心要与透镜（5）的中心对齐，以保证成像质量。 其中，多模光纤（4）的长度要合适，要小到足以受外界影响。 会聚后的干涉散斑图案通过多根单模光纤（13），被单模光纤（13）对应的光电二极管阵列（7）中的光电二极管采集； 光斑外轮廓如图4所示为圆形，因此为保证光谱信息的完整性，采集部分单模光纤束（6）的形状应为接近于a的多边形圆圈; 同理，为了保持光点之间的相对位置关系，光电二极管阵列（7）中感光面的轮廓应与单模光纤束（6）的轮廓保持一致，均为多边形接近圆形，如图3所示。 信号处理单元（10）包括模数转换器和单片机，可以对光电二极管阵列（7）采集的数据进行采集和计算。 光电二极管阵列（7）和信号处理单元（10）之间有一根电缆。 9) 建立联系。 单片机计算出的结果通过信号线连接，最后将测量结果显示在结果显示单元（12）上。

下面解释如何通过散斑重构光谱，如图4所示，是单色光通过多模光纤（4）聚焦后在远场形成的圆形散斑图。 假设单模光纤束（6）捕获的多模光纤（4）出射端面的光强分布可表示为：

在实际应用中，待测光的光谱信息通道之间的距离为

在，

最后计算使用

下面通过具体实施例详细说明本发明提供的基于光电二极管阵列(7)的新型光谱仪的工作原理：

第一步，通过光电二极管阵列（7）记录已知光谱的数字信号：

使用可调谐激光器产生单色性较好的光源通过FC/APC接口（1）进入光谱仪，调节透镜（5）使每个光电二极管都能接收到光信号，光信号经过转换后通过光电二极管转换成模拟信号近红外光纤光谱仪，再由数模转换器转换成数字信号存储在单片机中。 通过改变光源的波长，将不同波长对应的数字信号以矩阵的形式记录下来并归一化。

第二步，采集待测光谱并进行校准

将待测光的接口（1）与光谱仪的FC/APC接口（1）相连，待测光通过保偏光纤（2）、错位熔接（3），多模光纤（4）、透镜（5）、单模光纤束（6）被光电二极管阵列（7）接收，最后电信号经数模转换器转换并存储在单片机中组成一个矩阵传输矩阵。

第三步，对待测光的光谱进行处理还原

待测光的数字信号与已知波长的数字信号在单片机中进行预处理，消除光强不同带来的误差，然后根据关系