阿达玛双增益光谱仪核心编码器件研究

In order to meet the high resolution, high SNR(signal-to-noise ratio) requirements of the weak spectrum analysis technology such as the Raman spectral analysis technology on spectrometer, we are going to make research on the key encoding device of the Hadamard spectrometer based on the improvement of the Hadamard Transform theory with the help of MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) technology. First, we make research on the influence of the different encoding matrix on the spatial frequency distribution of the 2-D encoded slits. With the help of the modulation transfer function of the optical system of the Hadamard spectrometer, an analysis is made on the effect of the encoding matrix on the device’s encoding precision, spectral resolution and signal-to-noise ratio from the spatial frequency. Then the sub-pixel technology is introduced into the Hadamard Transform. To enhance the spectral resolution of the Hadamard spectrometer, a high precision sub-pixel reconstruction method is implemented on the decoded spectra with sub-pixel shift whose SNR is enhanced by the Hadamard transform. This can make up for the shortcomings of the existing Hadamard Transform theory of decoded spectral signal processing ability. Furthermore, this research will realize the double gain of the signal-to-noise ratio and resolution of the Hadamard spectrometer at the same time.

为满足拉曼光谱等微弱光谱分析技术对光谱仪高分辨率、高信噪比的要求，本申请拟在完善传统阿达玛编码理论的基础上，基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术，对阿达玛光谱仪的核心编码器件展开研究。通过研究不同编码矩阵对二维阵列狭缝空间频率分布的影响，结合光学系统的调制传递函数，从空间频率的角度衡量不同编码矩阵对编码器件编码准确度、分辨率、信噪比等参数的影响，进而确定阿达玛编码系统的最佳编码矩阵；将亚像元技术引入阿达玛编码理论，经阿达玛编码获得具有亚像元偏移量的高信噪比低分辨率光谱，通过高精度亚像元重建使光谱仪获得光谱超分辨能力，从而弥补现有编码理论对解码光谱信号处理能力的不足，使基于该编码器件的阿达玛双增益光谱仪能够同时实现高分辨率和高信噪比探测。

为满足拉曼光谱等微弱光谱分析技术对光谱仪高分辨率、高信噪比的需求，本项目在完善阿达玛编码理论的基础上，基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术，对阿达玛光谱仪的核心编码器件展开研究。通过分析阿达玛S矩阵、循环S矩阵等不同编码矩阵对二维阵列狭缝空间频率分布的影响，结合光学系统的光学传递函数，可以得到编码矩阵对阿达玛光谱分析系统光通量以及信噪比的影响，进而进行最佳编码矩阵的优化设计；成功将亚像元技术引入阿达玛编码理论，经阿达玛变换获得具有精确亚像元偏移量的多道高信噪比、低分辨率解码光谱，经过亚像元超分辨重建，相对于传统的单狭缝光谱仪，成功获得了四倍的分辨率增益，突破了探测器像元尺寸对光谱仪分辨率的限制，弥补了现有阿达玛编码理论的不足，使基于该编码器件的阿达玛光光谱仪可以同时获得信噪比和分辨率的增益。本项目中，通过将具有高信噪比、多通道探测优势的阿达玛编码探测技术与可以实现超分辨探测的亚像元技术相结合，充分发挥阵列狭缝阿达玛编码全固态编码、无可动部件，精度高,编码速度快的技术优势，突破探测器像元尺寸对分辨率的限制，在不增加系统尺寸的情况下大幅提高系统像元分辨率，实现对光谱信号信噪比、分辨率的双增益探测。这些技术优势是现有光谱分析技术所不具有，通过本研究为高性能光谱仪的微小型化提供了一种新的发展思路，在高性能便携化光谱仪领域具有重要的实际应用价值与发展潜力。