CN100470216C - 不同类型光谱仪的对比方法 - Google Patents

Abstract

一种不同类型光谱仪的对比方法，其从等波长光谱分辨率光谱仪数据获取最短波长处的光谱分辨率，从等波数分辨率光谱仪数据获取干涉数据的最大光程差，进行傅氏变换，以最大光程差作为等波长光谱分辨率光谱仪数据傅立叶变换后干涉图的切趾函数参数，进行矩形切趾、傅立叶反变换，在重叠谱段范围内对等波长光谱分辨率光谱仪的修正光谱图与待比对的等波数光谱分辨率光谱仪的光谱图进行谱强度、谱线位置或光谱分辨率等参数的对比。本发明解决了技术背景中用不同类型的光谱仪进行校核与标定较困难且成本高的技术问题。本发明可用一台辐射准确度较高的棱镜或光栅光谱仪来定量核对和标定各种类型的干涉型光谱仪或干涉型成像光谱仪的辐射度。

Description

不同类型光谱仪的对比方法

技术领域

本发明涉及一种将不同类型光谱仪之间测量光谱的结果统一起来，使之可以相互对比的方法，尤其涉及一种色散型光谱仪与干涉型光谱仪的对比方法。

技术背景

光谱仪原理主要分为两种：一种是以棱镜和光栅为色散元件的色散型光谱仪，可直接获取目标的光谱。另一种是以迈氏或Sagnac干涉仪为核心的干涉型光谱仪，可直接获取目标的干涉强度分布，需要经过傅氏变换才能获取目标光谱。

色散型光谱仪的光谱分辨率以波长λ表示，基本上是以波长等间隔，这种特征称为“等波长分辨率”，干涉型光谱仪的光谱分辨率则以波数σ表示，是以波数等间隔，称之为“等波数分辨率”。波数换算成波长时，其分辨率总是短波高，长波低，变成不等间隔。所以，色散型光谱仪、干涉型光谱仪这两类不同原理的仪器获取的光谱无法直接核对比较。

特殊用途的光谱仪及成像光谱仪，特别是用于航天遥感的干涉型成像光谱仪，生产后期都要进行校核与标定。便携式具有较高光谱分辨率(～2nm)的宽谱段，主要是光栅色散型光谱仪，如ASD公司的便携式光谱辐射度计(FieldSpec@pro)。采用不同类型的光谱仪进行校核与标定，即直接把色散型光谱仪和干涉型光谱仪获得的光谱进行比对，由于差异较大，不但无法进行定量的核对，就连定性的比对都很困难。若采用同类型的光谱仪进行校核与标定，则需要一套专用的精度更高的同类型校核与标定设备，成本高，且设计、制作难度大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同类型光谱仪的对比方法，其解决了技术背景中用不同类型的光谱仪进行校核与标定，定性比对困难，无法进行定量的核对；用同类型的光谱仪进行校核与标定，成本高，且设计、制作难度大的技术问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种不同类型光谱仪的对比方法，该方法包括以下实现步骤：

(1.1)从等波长光谱分辨率光谱仪数据获取最短波长处的光谱分辨率δσ₀，从等波数分辨率光谱仪数据获取干涉数据的最大光程差Δ_max；

(1.2)进行傅氏变换：对等波长光谱分辨率光谱仪数据依次进行傅立叶变换，获得等波长光谱分辨率光谱仪的数据处理的中间结果即干涉图；

(1.3)选取切趾参数：将最大光程差Δ_max作为等波长光谱分辨率光谱仪数据傅立叶变换后干涉图的切趾函数参数；

(1.4)进行矩形切趾：在等波长光谱分辨率光谱仪数据傅立叶变换得到的干涉图上点乘宽度为Δ_max的矩形切趾函数；

(1.5)进行傅立叶反变换：对经矩形切趾的干涉图进行傅立叶反变换，得到等波长光谱分辨率光谱仪光谱数据的修正光谱图；

(1.6)进行对比：在重叠谱段范围内，对等波长光谱分辨率光谱仪的修正光谱图与待比对的等波数光谱分辨率光谱仪的光谱图进行谱强度、谱线位置、光谱分辨率等主要参数的对比。

以上所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪在短波段的光谱分辨率δσ₀以满足 ${\mathrm{\δ\σ}}_0\≤\frac{1}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}$ 为宜。

以上所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪傅立叶变换后进行切趾的函数为矩形函数，该矩形函数的参数以采用待比对的等波数光谱分辨率光谱仪的最大光程差为佳。

以上所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪可以是色散型光谱仪、光楔滤光片型光谱仪或声光调制型光谱仪，也可以是色散型成像光谱仪、光楔滤光片型成像光谱仪或声光调制型成像光谱仪；所述待比对的等波数光谱分辨率光谱仪可以是干涉型光谱仪或干涉型成像光谱仪。

以上所述的色散型光谱仪可以是棱镜分光方式或光栅分光方式的色散型光谱仪，所述的色散型成像光谱仪可以是棱镜分光方式或光栅分光方式的色散型成像光谱仪。

本发明具有下列优点：

1.采用本发明方法处理后，不同类型光谱仪得到的两张光谱图具有相同的光谱分辨率，可对光谱强度、谱线位置等特征作出定量化比对结果。

2.本发明适用于等波长光谱分辨率光谱仪与等波数光谱分辨率光谱仪之间的比对。获取等波长光谱分辨率光谱仪包括色散型光谱仪、光楔滤光片型光谱仪、声光调制型光谱仪以及以上几种形式的成像光谱仪；获取等波数光谱分辨率光谱仪指各种形式的干涉型光谱仪、干涉型成像光谱仪。

3.可以用一台辐射准确度较高的棱镜或光栅光谱仪来定量核对和标定各种类型的干涉型光谱仪或干涉型成像光谱仪的辐射度。

4.干涉型光谱仪与其他类型的光谱仪相比具有较高的谱线位置准确度，可以用来核对和标定色散型、光楔滤光片型以及声光调制型等各种形式的等波长光谱分辨率光谱仪的谱线位置。

5.本发明无需增加硬件投入，成本低。

6.比对实现简单、方便，省时省力。

附图说明

图1为本发明的处理流程示意图。

具体实施方式

本发明原理分析：

1.以准单色光为例，波长为λ，波数为σ。设光谱仪的波长分辨率为δλ，对该准单色光波数分辨率为δσ₀。

(1.1)采用色散型光谱仪，则在波数域，色散型光谱仪获得的测试光谱B_s(σ)与原始光谱B(σ)的关系如下：

$B_s\left(\mathrm{\σ}\right)=B\left(\mathrm{\σ}\right)*[\frac{1}{{\mathrm{\δ\σ}}_0}\·\mathrm{\Π}\left(\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\δ\σ}}_0}\right)]$ ------①

其中，“*”为卷积运算符，“·”为点乘运算符。

(1.2)对于同一光谱，由于干涉型光谱仪干涉图采样的局限性，存在一个最大光程差Δ_max，致使干涉型光谱仪获得的测试光谱B_g(σ)与原始光谱B(σ)的关系如下：

$B_g\left(\mathrm{\σ}\right)={\mathrm{FT}}^{-1}\{\mathrm{FT}\left[B\left(\mathrm{\σ}\right)\right]\·\mathrm{\Π}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}\right)\}$ ------②

(1.3)二者比较时，将色散型光谱仪获得的光谱以干涉型原理进行变换，并以干涉光谱仪的最大光程差Δ_max为参数的矩形函数进行截趾，即在傅立叶变换后的干涉光谱上点乘一个矩形函数

则测试变换光谱B_s-g(σ)与原始光谱B(σ)的关系如下：

$B_{s-g}\left(\mathrm{\σ}\right)={\mathrm{FT}}^{-1}\{\mathrm{FT}[B\left(\mathrm{\σ}\right)*[\frac{1}{{\mathrm{\δ\σ}}_0}\·\mathrm{\Π}\left(\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\δ\σ}}_0}\right)]]\·\mathrm{\Π}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}\right)\}$

$={\mathrm{FT}}^{-1}\{\mathrm{FT}\left[B\left(\mathrm{\σ}\right)\right]\·[\sin c({\mathrm{\δ\σ}}_0\·\mathrm{\Δ})\·\mathrm{\Π}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}\right)]\}$        ------③

与干涉型光谱仪获得的测试光谱B_g(σ)相比，由于色散型光谱仪本身分辨率的限制，在测试变换光谱B_s-g(σ)中引入Sinc切趾函数，将对测试变换光谱B_s-g(σ)的光谱分辨率产生影响。

根据由Sinc切趾函数和矩形函数所共同确定的切趾函数的性质，可以得到：

当 ${\mathrm{\δ\σ}}_0\≤\frac{1}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}$ 时，对测试变换光谱B_s-g(6)的光谱分辨率不产生影响。

当 ${\mathrm{\δ\σ}}_0>\frac{1}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}$ 时，对测试变换光谱B_s-g(σ)的光谱分辨率会产生影响，出现信噪比非常差的伪分辨。

2.以复色光为例。

色散型光谱仪获得的每个谱段的波数分辨率δσ是不同的，只有在满足条件的谱段，将色散型光谱仪获得的光谱以干涉型原理进行变换后，其光谱分辨率才与要求的波数分辨率δσ一致。

故在待比较谱段，只需最低波数分辨率即短波处满足 ${\mathrm{\δ\σ}}_0\≤\frac{1}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}$ 条件即可。

参见图1，以色散型光谱仪与干涉型光谱仪之间的校核与标定为例，本发明的实现步骤如下：

(1.1)获取色散型光谱仪的光谱数据的短波光谱分辨率δσ₀，从等波数分辨率光谱数据获取最大光程差Δ_max；

(1.2)进行傅氏变换：对等波长分辨率光谱数据依次进行傅立叶变换，获得色散型光谱仪的干涉图；

(1.3)选取切趾参数：即将最大光程差Δ_max作为色散型光谱仪数据傅立叶变换后的切趾函数的参数；

(1.4)进行矩形切趾：在色散型光谱仪傅立叶变换得到的干涉图上点乘一个宽度为Δ_max矩形切趾函数；

(1.5)进行傅立叶反变换：对经矩形切趾的干涉图进行傅立叶反变换，得到色散型光谱仪的光谱图；

(1.6)进行直接对比：在重叠谱段范围内，对色散型光谱仪的光谱图与待比对的干涉型光谱仪的光谱图进行谱强度、谱线位置、光谱分辨率等主要参数的对比。即校核与标定。

具有较高光谱分辨率的色散型光谱仪获得的光谱图变成干涉图后，可以根据待比对干涉型光谱仪的最大光程差自由地选择相同的最大光程差进行截断，亦即同一台色散型光谱仪可以对各种不同光谱范围与不同光谱分辨率的干涉型成像光谱仪进行校核，只是被比对两者的光谱范围应相同。

Claims (5)

1.一种不同类型光谱仪的对比方法，该方法包括以下实现步骤：

(1.1)从等波长光谱分辨率光谱仪数据获取最短波长处的光谱分辨率δσ₀，从等波数分辨率光谱仪数据获取干涉数据的最大光程差Δ_max；

(1.2)进行傅氏变换：对等波长光谱分辨率光谱仪数据依次进行傅立叶变换，获得等波长光谱分辨率光谱仪的数据处理的干涉图；

(1.3)选取切趾参数：将最大光程差Δ_max作为等波长光谱分辨率光谱仪数据傅立叶变换后干涉图的切趾函数参数；

(1.4)进行矩形切趾：在等波长光谱分辨率光谱仪数据傅立叶变换得到的干涉图上点乘宽度为Δ_max的矩形切趾函数；

(1.5)进行傅立叶反变换：对经矩形切趾的干涉图进行傅立叶反变换，得到等波长光谱分辨率光谱仪光谱数据的修正光谱图；

(1.6)进行对比：在重叠谱段范围内，对等波长光谱分辨率光谱仪的修正光谱图与待比对的等波数光谱分辨率光谱仪的光谱图进行谱强度、谱线位置或光谱分辨率的对比。

2.根据权利要求1所述的不同类型光谱仪的对比方法，其特征在于：所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪在短波段的光谱分辨率δσ₀满足 ${\mathrm{\δ\σ}}_0\≤\frac{1}{{2\mathrm{\Δ}}_{\max }}.$

3.根据权利要求1或2所述的不同类型光谱仪的对比方法，其特征在于：所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪傅立叶变换后进行切趾的函数为矩形函数，该矩形函数的参数为待比对的等波数光谱分辨率光谱仪的最大光程差。

4.根据权利要求3所述的不同类型光谱仪的对比方法，其特征在于：所述待比对的等波长光谱分辨率光谱仪为色散型光谱仪、色散型成像光谱仪、光楔滤光片型光谱仪、光楔滤光片型成像光谱仪、声光调制型光谱仪或声光调制型成像光谱仪；所述待比对的等波数光谱分辨率光谱仪为干涉型光谱仪或干涉型成像光谱仪。

5.根据权利要求4所述的不同类型光谱仪的对比方法，其特征在于：所述的色散型光谱仪为棱镜分光方式或光栅分光方式的色散型光谱仪，所述的色散型成像光谱仪为棱镜分光方式或光栅分光方式的色散型成像光谱仪。

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