CN101158599A

CN101158599A - 一种光谱仪器的波长标定方法

Info

Publication number: CN101158599A
Application number: CNA2007101772428A
Authority: CN
Inventors: 杨怀栋; 黄星月; 何庆声
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2008-04-09

Abstract

一种光谱仪器的波长标定方法，主要涉及采用阵列探测器的光谱仪器的波长标定方法，属于光谱仪器波长标定技术领域。本方法光谱仪器采用阵列探测器，采用具有线状光谱的光源，从仪器输出的光谱图上获得该光源各谱线峰值所在的空间位置，并用这些谱线的峰值波长及其对应空间位置来拟合谱面上的“空间位置－波长”关系，从而确定探测器每个像元所对应的波长，光源各谱线峰值所在的空间位置通过以下步骤获得：亚像元探测；亚像元重建；获取谱线峰值空间位置。本发明亚像元探测提高了光谱图采样率，获得了分辨率提高的光谱图；亚像元探测、亚像元重建、谱线轮廓拟合的综合应用层层递进的提高了采用阵列探测器的光谱仪器的波长准确度。本发明的效果显著。

Description

一种光谱仪器的波长标定方法

技术领域

本发明涉及的是采用阵列探测器的光谱仪器的波长标定方法，属于光谱仪器波长标定技术领域。

背景技术

采用阵列探测器的光谱仪器可抽象为附图1所示的模型。光源(1)发出的光经入射孔径(2)限制，被准直镜(3)准直，投射到光栅(4)上，色散后被成像镜(5)会聚为谱面上的光谱像，再由探测器(6)探测，输出光谱图。由探测器原理知，光谱图是由探测器像元对光谱像进行积分区间为像元光敏面宽度、采样间隔为像元间隔的空间积分抽样后得到的。附图2所示为一根谱线在探测器上积分抽样的示意图，投射到探测器上的光谱(7)在像元(9)的抽样积分下成为离散的光谱数据(8)。这些光谱数据对应的是每个像元上光强的积分值，而其相应的波长是未知的。波长标定就是确定探测器各像元所对应的实际波长的过程，标定结果直接影响着仪器的波长准确度。

波长标定过程是，采用具有线状光谱的光源，从仪器输出的光谱图上获得该光源各谱线峰值所在的空间位置(11)，并用这些谱线的峰值波长(10)及其对应空间位置(11)来拟合整个谱面上的“空间位置-波长”关系，从而确定探测器每个像元所对应的波长，其示意图如附图3。为获得良好的拟合结果，用于拟合的数据(即光源谱线峰值的波长及其所在空间位置)必须具有足够的精度。谱线峰值波长的精度可以靠采用具有一系列稳定的特征谱线的标准光源来保证。谱线峰值空间位置的精度则由仪器决定。在采用阵列探测器的光谱仪器中，因存在以下问题而导致用于拟合的谱峰空间位置的精度受限，从而限制了标定结果的波长准确度。

首先，探测器像元间隔(即对光谱像的采样间隔)不可能无限小，故对光谱像的采样率受限，而较低的采样率将导致每根谱线探测到的数据点过于稀疏，所获得的光谱图无法准确再现谱线轮廓，影响谱峰空间位置的准确判定。

其次，探测器像元宽度(即采样点处的积分区间)不可能无限小，而过大的积分区间会给光谱图带来严重模糊，使光谱图上谱线轮廓展宽，也会影响谱峰空间位置的准确判定。

再有，受限于光路结构尺寸和光学元件制造，仪器的光学系统无法完全消除像差，而这些像差会导致谱像歪斜，这可能使标定过程中在判断某谱线中心波长位置时出现偏移。

在现有的波长标定方法中，谱峰空间位置是在上述条件的制约下获得的，而标定结果的波长准确度也会受到限制。

发明内容

本发明的目的是综合考虑以上各项主要影响因素，在现有波长标定方法上更进一步提高波长准确度。

本发明的内容要点是针对上述三个因素分别采用亚像元探测、亚像元重建、谱峰位置求解来减小或消除它们对波长标定的不良影响，以获得精度较高的谱峰空间位置用来拟合谱面上的“空间位置-波长”对应关系。

方法的具体实施过程是：给光谱仪器输入有已知线状光谱的标定光源，由以下步骤获得光源谱线峰值所在空间位置，并用这些谱线的峰值波长及其对应空间位置来拟合谱面上的“空间位置-波长”关系。

步骤1：通过亚像元探测读取由n(n为正整数)幅光谱图组成的光谱图序列，这些光谱图沿色散方向彼此间有大小为探测器像元间隔1/n的微位移。这些微位移即光谱像和探测器原点间的微位移，据此，序列光谱图的获取方法可以是光谱像不动，沿色散方向移动探测器，使探测器原点相对于光谱像依次有1/n像元间隔的微位移；也可以是探测器(6)不动，转动光栅(4)，或改变入射孔径(2)的位置，或采用分束器件，使光谱像相对于探测器依次有1/n像元间隔的微位移。以n＝3为例，光谱图序列示意图如附图4。微位移(12)大小为1/3像元间隔，(13)、(14)、(15)是获得的光谱图序列。

步骤2：亚像元重建：将步骤(1)中获得的序列光谱图融合为采样率提高至原来的n倍的高分辨率光谱图。融合方法可以是直接将原n副光谱图中的全部数据点按各自所对应的空间抽样位置重新排列，此时获得的光谱图采样率提高至原来的n倍，而每个采样点处的积分区间不变；也可以是由原n副光谱图中的数据递推出实际像元细分后的亚像元探测值，此时获得的光谱图不仅采样率提高至原来的n倍，每个采样点处的积分区间也缩小为原来的1/n。仍以n＝3为例，如附图5所示，直接重新排列的光谱图数据即S₀(0)，S₁(0)，S₂(0)，S₀(1)，S₁(1)，S₂(1)，S₀(2)，S₁(2)，S₂(2)，……。若递推出亚像元探测值s，即每个采样点处积分区间缩小为原来的1/3的光度积分值，则光谱图数据为s(0)，s(1)，s(2)，s(3)，s(4)，s(5)，s(6)，s(7)，s(8)，s(9)，s(10)，……。

步骤3：获取谱线峰值空间位置：由步骤(2)中得到的光谱图获取用于标定的谱线的峰值所在的空间位置。获取谱峰空间位置的方法可以是以每根谱线的数据中的强度最大值点的亚像元位置作为峰值的空间位置；也可以是以每根谱线的数据经插值得到的谱线峰值的空间位置作为峰值的空间位置；也可以是以每根谱线的数据经谱线轮廓拟合得到的谱线峰值的空间位置作为峰值的空间位置。但只有当采用谱线轮廓拟合并选用了合适的模型时可以纠正像差造成的谱峰歪斜。

本发明的效果显著。亚像元探测提高了光谱图采样率，获得了分辨率提高的光谱图。由附图4可以看出，由于提高了采样率，采用直接重排进行亚像元重建获得的光谱图(16)已经比原来的任一光谱图(13)、(14)、(15)更好的再现了谱线轮廓。而在此基础上若递推出亚像元探测值更能把每个采样点处的探测值重建为1/3像元宽度上的光度积分值，从而更精确地复原谱线轮廓。由附图4还可以看出，在亚像元探测与亚像元重建的基础上，若直接以此时谱线数据中强度最大值点的亚像元位置作为谱峰位置已经比原来要精确。而更精细的谱峰位置可通过对峰值附近的数据插值得到。更进一步，如附图6所示，当因光学系统影响导致谱线峰值(19)歪斜明显时，选用适宜的谱线模型(18)可以拟合出更贴近谱线真实情况(17)的轮廓。在附图6所示情况中，每个像元的中心点以正整数顺序编号作为空间位置的表示。由图中可以看出，实际谱线的峰值位置为4.27。若直接由一幅光谱图中谱线数据最大值点的位置作为谱峰位置，得到其位置为5.00；若经亚像元探测和重建，得到的谱峰位置为4.67；若再经谱线轮廓拟合，得到的谱峰位置为4.48。可见，亚像元探测、亚像元重建、谱线轮廓拟合的综合应用层层递进的提高了采用阵列探测器的光谱仪器的波长准确度。

附图说明

图1.采用阵列探测器的光谱仪器模型。

图2.一根谱线在探测器上的积分抽样示意图。

图3.波长标定中谱峰波长及其空间位置对应关系示意图。

图4.亚像元探测示意图。

图5.亚像元重建示意图。

图6.谱线轮廓拟合纠正谱峰歪斜的示意图。

图7.实施例一的流程图。

图8.实施例二的流程图。

具体实施方式

现通过两个具体实施例说明本方法的具体实施方式。

系统为同一光谱仪器实验平台，波长探测范围200nm-800nm，光源为汞氩灯，光栅为凹面平场光栅，采用具有1024个像元的探测器且像元间隔为24μm。分别实施现有波长标定方法和依照本专利的新波长标定方法，并通过标定谱线的波长准确度来评判标定结果。

实施例一：

在依照本专利的新波长标定方法中，采用固定光谱像、以步距1/3像元间隔移动探测器实现1/3亚像元探测；采用数据直接重排重建光谱图；谱峰空间位置以重建光谱图中每根谱线数据的最大值点的亚像元位置表示。具体流程图如附图7所示。

表1所示为一组实验结果下部分谱线处的波长准确度与现有方法下的波长准确度对比。与现有方法的波长准确度相比，新方法的波长准确度平均提高了约30％。

表1.实施例一的现有方法与新方法标定结果波长准确度对比(单位：nm)

检测谱线波长		296.728	313.155	365.015	435.833	546.074	696.543	763.511
检测谱线波长		296.728	313.155	365.015	435.833	546.074	696.543	763.511	波长准确度	现有方法	0.718	-0.397	0.401	-0.363	0.174	0.415	-0.204
新方法	0.597	-0.166	0.181	-0.213	0.134	0.406	-0.196			现有方法	0.718	-0.397	0.401	-0.363	0.174	0.415	-0.204

实施例二：

在依照本专利的新波长标定方法中，采用固定探测器、转动光栅使光谱像相对探测器移动1/3像元间隔实现1/3亚像元探测；采用平均带限递推获得亚像元探测值重建光谱图；谱峰空间位置以对谱线轮廓进行高斯拟合后最大值对应的空间位置表示。具体流程图如附图8所示。

表2所示为一组实验结果下部分谱线处的波长准确度与现有方法下的波长准确度对比。与现有方法的波长准确度相比，新方法的波长准确度提高了约80％。

表2.实施例二的现有方法与新方法标定结果波长准确度对比(单位：nm)

检测谱线波长		296.728	313.155	365.015	435.833	546.074	696.543	763.511
检测谱线波长		296.728	313.155	365.015	435.833	546.074	696.543	763.511	波长准确度	现有方法	0.718	-0.397	0.401	-0.363	0.174	0.415	-0.204
新方法	0.156	0.042	0.007	0.137	-0.063	0.050	-0.031			现有方法	0.718	-0.397	0.401	-0.363	0.174	0.415	-0.204

Claims

1.一种光谱仪器的波长标定方法，所述光谱仪器采用阵列探测器，所述方法采用具有线状光谱的光源，从仪器输出的光谱图上获得该光源各谱线峰值所在的空间位置，并用这些谱线的峰值波长及其对应空间位置来拟合谱面上的“空间位置-波长”关系，从而确定探测器每个像元所对应的波长，其特征在于，光源各谱线峰值所在的空间位置是通过以下步骤获得的：

(1)亚像元探测：读取由n幅光谱图组成的光谱图序列，n为正整数，这些光谱图沿色散方向彼此间有大小为探测器像元间隔1/n的微位移；

(2)亚像元重建：将步骤(1)中获得的序列光谱图融合为采样率提高至原来的n倍的高分辨率光谱图；

(3)获取谱线峰值空间位置：由步骤(2)中获得的光谱图获取用于标定的谱线的峰值所在的空间位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，亚像元探测的方法是如下任意一种：光谱像不动，沿色散方向移动探测器，使探测器原点相对于光谱像依次有1/n像元间隔的微位移；探测器不动，转动光栅，或改变入射孔径位置，或采用分束器件，使光谱像相对于探测器依次有1/n像元间隔的微位移。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，亚像元重建的方法是如下任意一种：将原n副光谱图中的全部数据点按各自所对应的空间抽样位置重新排列，成为采样率提高至原来的n倍，而单像元对应的空间积分区间不变的光谱图；由原n副光谱图中的数据递推出实际像元细分后的亚像元探测值，成为采样率提高至原来的n倍，且单像元对应的积分区间缩小为原来的1/n的光谱图。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取谱线峰值空间位置的方法是如下任意一种：以每根谱线的数据中的强度最大值点的空间位置作为峰值的空间位置；以每根谱线的数据经插值得到的谱线峰值的空间位置作为峰值的空间位置；以每根谱线的数据经谱线轮廓拟合得到的谱线峰值的空间位置作为峰值的空间位置。