一種計算機輔助的全波段光譜儀波長標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是工作在光學(xué)波段的陣列式探測器光譜儀的波長標(biāo)定方法，屬于光譜儀器波長標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1為采用陣列式探測器光譜儀的基本結(jié)構(gòu)示意圖。光源1發(fā)出的光經(jīng)入射縫或孔2和準(zhǔn)直鏡3被準(zhǔn)直，照射到光柵4上，光柵色散后不同波長的光束經(jīng)成像鏡5會聚在探測器6上不同位置形成光譜像。探測器像素將光譜像光強進行獲取并轉(zhuǎn)換成電信號輸出，即為光譜像的譜線數(shù)據(jù)。圖2所示為一條特征譜線在探測器上積分抽樣的示意圖，譜線像7照射在探測器9上，探測器的每個像素對投射在其上面的光進行光強積分并轉(zhuǎn)換成電信號8，該電信號被換算成相應(yīng)的光強信號后輸出為一組離散數(shù)據(jù)點10，這些數(shù)值是譜線光強在每個對應(yīng)像素上的積分值，數(shù)據(jù)采樣間隔等于探測器相鄰像素的間距。在光譜儀出廠時探測器各像素對應(yīng)的波長值是未知的，另外在光譜儀使用過程中像素和波長之間的對應(yīng)關(guān)系有時候發(fā)生變化，這兩種情況都需要對光譜儀找出像素位置與波長之間的準(zhǔn)確關(guān)系。通過波長標(biāo)定過程能夠確定探測器上所有像素所對應(yīng)的波長值。光譜儀像素與波長值對應(yīng)的關(guān)系能決定其波長測量的結(jié)果，故波長標(biāo)定過程至關(guān)重要，標(biāo)定結(jié)果將會直接影響到光譜儀的波長精度。
[0003]波長標(biāo)定過程的思路是，采用含有已知波長的線狀特征譜線的標(biāo)準(zhǔn)光源作為依據(jù)，將該光源的光信號輸入到光譜儀中后獲取從儀器輸出的譜線數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行處理并找出所有特征譜線的峰值所對應(yīng)的像素位置11，結(jié)合于相應(yīng)特征譜線的峰值波長真值12得出譜線的“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)組，譜線數(shù)據(jù)如圖3所示。用多項式函數(shù)擬合所述數(shù)據(jù)獲得該光譜儀輸出波長與像素位置之間的關(guān)系函數(shù)，依此就可以推出每個像素對應(yīng)的波長值，達到波長標(biāo)定的目的。另外，波長標(biāo)定過程還具有標(biāo)定結(jié)果校驗步驟，為了檢查結(jié)果的波長準(zhǔn)確度。
[0004]進行波長標(biāo)定過程首先要在光譜儀的工作波段上選擇出滿足標(biāo)定過程所需要的已知特征譜線，所述的已知特征譜線是峰值波長為固定值并且已給定的譜線。其次是搭建標(biāo)定系統(tǒng)并進行波長標(biāo)定實驗，獲取譜線數(shù)據(jù)，通過處理數(shù)據(jù)后可得出標(biāo)定結(jié)果。目前，波長標(biāo)定方法及標(biāo)定實驗過程中還存在以下需要克服和改進的問題:
[0005]問題一:由于波長標(biāo)定結(jié)果是由擬合“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)得到，譜線數(shù)據(jù)取決于所選的標(biāo)定譜線，為了能夠?qū)?shù)據(jù)進行擬合并且能夠提高標(biāo)定結(jié)果的精度，在選擇標(biāo)定譜線時必須保證足夠多的譜線數(shù)目。由于目前用于波長標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)光源數(shù)量有限，對于一些工作波段較窄的光譜儀很難選出合適的標(biāo)準(zhǔn)光源對其進行波長標(biāo)定。
[0006]問題二:標(biāo)定實驗中，從探測器讀出的每組數(shù)據(jù)都是一幅包含整個工作波段的譜線數(shù)據(jù)圖。由于特征譜線本身的原因，探測到的譜線圖中可能出現(xiàn)這樣一種情況:當(dāng)有些譜線因為強度大于探測器光強探測上限導(dǎo)致譜線數(shù)據(jù)發(fā)生飽和的同時也有些譜線因為強度小于探測器光強探測下限引起譜線數(shù)據(jù)混雜于噪聲信號中或者不能被識別出來。這些譜線數(shù)據(jù)不能被獲取甚至不能對其處理，即當(dāng)出現(xiàn)這種情況時譜線數(shù)據(jù)是不滿足測量條件的。
[0007]對于波長標(biāo)定過程提高標(biāo)定結(jié)果的精度是非常重要的。影響標(biāo)定結(jié)果精度的因素有很多，可以歸類為以下3種是:光譜儀本身誤差造成的影響、實驗設(shè)備造成的影響以及計算方法和近似公式的影響。各種原因的具體影響機理如下:
[0008]光譜儀本身誤差造成的影響:探測器的像素間距決定其信號采樣頻率，如果采樣頻率過低則得到的譜線數(shù)據(jù)過于稀疏無法準(zhǔn)確地重建譜線輪廓，直接影響到判定峰值像素位置;像素寬度是導(dǎo)致譜線展寬和譜線輪廓光滑的一個原因，這樣也會影響到判定峰值像素位置;探測器的響應(yīng)曲線，即工作波段上的光電轉(zhuǎn)換效率曲線，其使得探測器讀取的譜線輪廓形狀和真值存在偏差，從而導(dǎo)致峰值像素位置的誤差；由于光譜儀內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)和光學(xué)元件本身帶有的制造誤差，輸出譜線存在像差，這些像差會造成光譜圖像歪斜，使譜線峰值位置偏移。
[0009]實驗設(shè)備造成的影響，如上所述，實驗中常用光纖來實現(xiàn)光路耦合，在光路上也可能添加了濾光片。所有光學(xué)元件本身都具有其光譜響應(yīng)特征，即這些設(shè)備的光信號傳遞函數(shù)對不同波長是不同的，這將導(dǎo)致輸入到光譜儀的譜線圖像與光源輸出時產(chǎn)生差異，其體現(xiàn)在譜線峰值位置發(fā)生偏移，相對譜線光強變化等現(xiàn)象。所選的實驗設(shè)備的光譜響應(yīng)曲線越平滑則所述誤差就越小。
[0010]計算方法和近似公式的誤差主要出現(xiàn)在兩個階段:第一，確定譜線峰值的像素位置時，如上所述光譜儀輸出的譜線數(shù)據(jù)由于受到影響，譜線輪廓變得很復(fù)雜，當(dāng)使用福特函數(shù)、高斯函數(shù)、洛倫茲函數(shù)或者多項式函數(shù)對其進行擬合重建時將會造成一些誤差;第二，使用多項式函數(shù)來擬合“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)得到波長和像素位置之間的關(guān)系函數(shù)時也會帶來一定誤差。
[0011]由于上述問題的存在，波長標(biāo)定結(jié)果的精度將受到限制。通過采取新穎的方法結(jié)合傳統(tǒng)波長標(biāo)定理念將可以解決所述標(biāo)定過程中出現(xiàn)的問題從而改進波長標(biāo)定過程并提尚標(biāo)定結(jié)果的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是綜合考慮以上各項主要影響因素，在已有的波長標(biāo)定方法中解決存在的問題并采取措施進一步提高波長標(biāo)定準(zhǔn)確度。其特征在于，所述方法包括以下步驟:
[0013]步驟(1)構(gòu)建一個為所述光譜儀用的計算機輔助波長標(biāo)定系統(tǒng)，圖4為該系統(tǒng)的示意圖。系統(tǒng)由組合光源和計算機通過數(shù)據(jù)線和耦合光路與光譜儀連接而成，其中:
[0014]組合光源:由多個單一標(biāo)準(zhǔn)光源通過耦合光路組成，各標(biāo)準(zhǔn)光源的輸出信號經(jīng)過親合光路成為一束輸出光信號并輸入到光譜儀。在各標(biāo)準(zhǔn)光源的輸出端添加合適的濾光片為了實現(xiàn)如下兩個功能:第一調(diào)節(jié)各標(biāo)準(zhǔn)光源的總體譜線強度之間的差距，使各光源譜線強度在耦合光束中達到均勻，有利于譜線數(shù)據(jù)獲取和處理;第二，如果各標(biāo)準(zhǔn)光源的特征譜線之間出現(xiàn)間距小于儀器分辨率的譜線則通過濾光片截止掉其中的譜線而僅保留一條為使用，這樣該譜線在輸出端將不會受到其余譜線的干擾然而可用于標(biāo)定。通過上述組合方法，如圖5所示的光源組合原理，組合光源輸出信號將含有所述各標(biāo)準(zhǔn)光源的所有特征譜線，這些譜線間隔都大于儀器分辨率并且覆蓋整個光學(xué)波長范圍。因此組合光源可以對工作在任意光學(xué)波段的光譜儀提供能夠用于波長標(biāo)定的特征譜線。
[0015]通過上述的光源組合過程可以將不同標(biāo)準(zhǔn)光源的特征譜線組合，這樣能增加一個波長范圍上的特征譜線數(shù)據(jù)，合理的組合標(biāo)準(zhǔn)光源可以對不同工作波段的光譜儀提供足夠用于標(biāo)定的特征譜線。
[0016]計算機，設(shè)有:控制模塊、波長標(biāo)定模塊和記錄顯示驅(qū)動模塊以及各單一標(biāo)準(zhǔn)光源的開關(guān)控制信號輸出端、光譜儀探測器控制信號輸出端、光譜儀輸出光譜信號輸入端。計算機程序執(zhí)行大部分標(biāo)定步驟，包括:獲取儀器初始參數(shù)、選擇標(biāo)準(zhǔn)光源并控制光源的開關(guān)、控制光譜儀的探測器并從光譜儀獲取譜線數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行譜線尋峰、“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)擬合、校驗標(biāo)定結(jié)果、比較不同尋峰方法之間結(jié)果的誤差最后是標(biāo)定結(jié)果的記錄和顯不。
[0017]所述系統(tǒng)實現(xiàn)波長標(biāo)定過程所有步驟的【具體實施方式】如下:
[0018]步驟(2)計算機初始化，輸入初始參數(shù)及條件:
[0019]在構(gòu)建波長標(biāo)定系統(tǒng)時，組合光源中所選的標(biāo)準(zhǔn)光源的特征譜線波長值是已知的，將這些波長值存入計算機作為一個標(biāo)定用的特征譜線庫。
[0020]光譜儀連接到標(biāo)定裝置后，計算機程序?qū)@取相關(guān)的儀器參數(shù)，包括:工作波長范圍、探測器分辨率、探測器的積分時間范圍及積分時間調(diào)節(jié)步長;探測器的光強探測范圍，探測范圍下限大于噪聲信號值，上限小于探測器光強飽和值。
[0021 ]另外，在標(biāo)定之前需要設(shè)定選擇標(biāo)定譜線的條件，包括:譜線的最小間隔，間隔不能小于光譜儀分辨率;標(biāo)定譜線數(shù)目要大于等于5條。
[0022]步驟(3)計算機程序從組合光源所包含的特征譜線庫中篩選出處于光譜儀工作波長范圍的譜線以及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光源，計算機通過控制光源開關(guān)將所選標(biāo)準(zhǔn)光源點開，各光源輸出信號經(jīng)過光路耦合輸入到光譜儀，從已選標(biāo)準(zhǔn)光源的所有特征譜線選出符合步驟
(2)中所述的標(biāo)定譜線選擇條件的譜線，并將所選標(biāo)定譜線分為兩組:第一組是用來擬合得出標(biāo)定結(jié)果，以下稱為擬合標(biāo)定譜線組λ,，譜線數(shù)目i大于等于4;第二組是用來檢驗標(biāo)定結(jié)果的誤差程度，以下稱為校驗譜線組
[0023]步驟(4)在光譜儀輸出的譜線數(shù)據(jù)圖中，對所選的標(biāo)定譜線從左到右依次進行掃描獲取數(shù)據(jù)，具體獲取譜線數(shù)據(jù)的方法是:計算機對譜線光強信號進行判定，當(dāng)譜線光強處于探測器光強探測范圍則保持探測器探測條件不變;若譜線光強信號超過探測器光強探測范圍上限值則通過探測器控制端減小探測器的積分時間或增益使譜線輸出信號減弱直至處于探測器光強探測范圍；若譜線光強信號小于探測器光強探測范圍下限值則又通過探測器控制端增大探測器的積分時間或增益使譜線輸出信號增強直至處于探測器光強探測范圍。
[0024]傳統(tǒng)的譜線數(shù)據(jù)獲取方法是一次性獲取整個工作波長范圍上的特征譜線，而上述的方法是依次對每條譜線進行獲取。其優(yōu)點在于，所獲取到的特征譜線數(shù)據(jù)都滿足探測條件，不會出現(xiàn)飽和或者無法辨別的現(xiàn)象。
[0025]步驟(5)采用福特函數(shù)擬合步驟(4)中每條譜線的數(shù)據(jù)重建譜線輪廓并確定譜線峰值所對應(yīng)的像素位置X，譜線的擬合重建過程如圖6所示。將譜線像素位置X結(jié)合譜線的峰值波長λ得到“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)組(λ-χ)。
[0026]步驟(6)從步驟(5)中的數(shù)據(jù)組選出擬合標(biāo)定譜線組λ,所對應(yīng)的“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)組(λ,-χΟ，用三階多項式擬合該數(shù)據(jù)組得出峰值波長與像素位置之間的關(guān)系函數(shù):λ = ?.(χ)，該函數(shù)即波長標(biāo)定的結(jié)果。圖7為擬合“峰值波長一一像素位置”數(shù)據(jù)過程的示意圖。
[0027]步驟(7)從步驟(5)中的數(shù)據(jù)組選擇出校驗譜線組\所對應(yīng)的峰值像素位置代入到步驟(6)中波長標(biāo)定結(jié)果，得出峰值標(biāo)定波長λ/ =f (xj)，同一譜線的峰值波長與標(biāo)定波長之差的絕對值為對應(yīng)該譜線的波長標(biāo)定誤差Α λ」=I λ/-λ」I，所有校驗譜線對應(yīng)的波長標(biāo)定誤差的最大值為該標(biāo)定過程的最大波長誤差Α λ，圖8為校驗過程原理圖。
[0028]步驟(8)將步驟(5)中擬合重建譜線輪廓所用的福特函數(shù)換成多項式函數(shù)，并