CN101413884B - 近红外光谱分析仪及其分辨率的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，包括以下步骤：a、设定步骤，设定光谱仪的目标分辨率及分辨率公差范围；b、调节和处理步骤，使用光谱仪扫描得到标准光源光谱，调节光谱仪使其分辨率处在分辨率公差范围内；依据目标分辨率处理标准光源的光谱，得到分辨率校正信息并储存，校正信息可将标准光源光谱的分辨率校正至目标分辨率；c、分辨率校正步骤，利用分辨率校正信息处理样本吸收光谱，将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率；从而将不同近红外光谱分析仪的分辨率校正至相同。本发明还公开了一种近红外光谱分析仪。本发明具有工作量小、稳健可靠、方便实用等优点，可广泛应用在近红外光谱分析中。

Description

近红外光谱分析仪及其分辨率的校正方法

技术领域

本发明涉及近红外光谱分析，特别涉及一种近红外光谱分析仪及校正方法。

背景技术

采用近红外光谱定量(定性)分析样本需要先建立分析模型，然后利用该模型对样本的近红外光谱进行分析来获得样本的组分或含量。由于近红外光谱分析仪之间的横向波长差异、纵向吸光度差异和分析仪分辨率带宽等差异，造成一台近红外光谱分析仪上建立的模型通常不能直接应用于另一台近红外光谱分析仪，而建立模型在许多应用领域中都是一项极其繁琐的工作，重复性的建模工作会造成人力、物力等资源巨大浪费，而且在某些情况下，样品可能不易得到或不易保存，此时则难于重新建模。

模型传递正是解决上述问题的方法之一，其本质是克服样品在不同分析仪上的输出信号间的不一致性。分析仪之间的横向波长差异、纵向吸光度差异较易通过校准方法解决，模型传递方法的难点在于克服分析仪分辨率差异导致的光谱不一致。

模型传递的首要方法是提高分析仪的制造水平，使得同一类型号的各分析仪测量同一样本时的输出信号保持一致。但是在一定时期内，分析仪制造水平达不到上述要求，可对各分析仪间的量测信号进行软处理，消除其差别，从而实现模型传递。

如图1所示，模型传递的信号处理主要有两个方面：对光谱信号和对模型信号进行处理。目前应用比较多的方法有分段直接标准化(PDS)方法、Shenk方法和斜率/偏差(slope/bias)校正方法。

PDS和Shenk方法均需要在不同近红外光谱分析仪上扫描同一批标准样本光谱，其中一台为主机，其他作为从机，通过主机和从机的标准样本光谱获得分析仪之间信号校正转换因子，通过转换因子将从机光谱校正到与主机一致，从而实现模型传递。该模型传递方法需要一台标准主机，如果标准主机损坏，则模型传递过程将变得极为复杂；同时该方法需要获得一批性质稳定且能够长期保存的标准样本，因此在实际应用中难度较大。

斜率/偏差分析模型传递方法虽然不需要保存一批标准样本，但在预测未知样本时需数个到数十个样本的参考值进行对照，在某些应用场合，获得该参考值非常困难，或者操作繁琐；同时该方法不适用于模型开发和维护阶段，因此该模型传递方法的实用性不强。

在近红外模型传递研究上，有人利用神经网络算法校正两台分析仪的光谱信号，从而完成模型传递；也有人将近红外光谱进行小波分解，然后在小波域上进行模型传递并获得较好结果；还有学者对近红外光谱进行预处理，如采用正交投影算法、附加背景校正等方法建立更加稳健的模型以完成模型传递。这些方法如同PDS和Shenk方法一样，需要多个标准样本，因此，在模型传递的实际应用工作中，工作量仍然比较大、应用难度较大。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种对相同样本的输出信号完全一致、可实现分析模型无缝传递的近红外光谱分析仪，还提供了一种工作量小、稳健可靠、方便实用的近红外光谱分析仪分辨率的校正方法。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，包括以下步骤：

a、设定步骤

设定近红外光谱分析仪中光谱仪的目标分辨率及分辨率公差范围；

b、调节步骤

使用标准光源连接所述光谱仪，扫描得到标准光源光谱，调节光谱仪使其分辨率处在所述分辨率公差范围内；

使用所述光谱仪扫描得到标准光源光谱，依据目标分辨率处理标准光源光谱，得到分辨率校正信息并储存，分辨率校正信息可将标准光源光谱的分辨率校正至目标分辨率：

c、分辨率校正步骤

测量光源发出的光照射样本，使用所述光谱仪扫描得到样本吸收光谱，利用分辨率校正信息处理样本吸收光谱，将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率；

从而将不同近红外光谱分析仪的分辨率校正至相同。

每次测量新样本时重复所述步骤c。

作为优选，在所述步骤a中，将光谱仪的工作波段划分为若干子波段，分别在若干子波段内设定目标分辨率和分辨率公差范围；在所述步骤b中，所述标准光源的光谱在各子波段内有特征峰。

作为优选，在所述步骤b中，通过以下方式得到分辨率校正信息：

使用光谱仪扫描得到标准光源光谱，获得所述标准光源光谱的特征峰；

选取若干个特征峰，采用如下高斯公式拟合选取的特征峰，从而得到各个特征峰的峰宽δ_1i，i＝1，2，3…n；

$y=A+B\·e^{-0.5\·{\left(\frac{x-C}{{\mathrm{\δ}}_1}\right)}^2}$

C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；；

得到高斯滤波函数： $y=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\δ}}_2}\·e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\δ}}_2^2}},$ 其中， ${\mathrm{\δ}}_2^2={\mathrm{\δ}}_3^2-{\mathrm{\δ}}_1^2,$

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{1i}}{n},$ i＝1，2，3…n；以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ₂到x＝k·δ₂的高斯序列，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

在所述步骤c中，采用如下方式处理样本吸收光谱；

所述高斯序列与样本吸收光谱进行卷积；

输出卷积后的样本吸收光谱，将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率。

作为优选，在所述步骤b中，通过以下方式得到分辨率校正信息：

使用光谱仪扫描得到标准光源光谱，获得所述标准光源光谱的特征峰；

选取若干个特征峰，根据选取的特征峰所处位置，将标准光源光谱分成若干段L_i，i＝1，2，3…n，每一段均包含一个特征峰；

采用如下高斯公式拟合选取的特征峰，从而得到各个特征峰的峰宽δ_1i，i＝1，2，3…n；

$y=A+B\·e^{-0.5\·{\left(\frac{x-C}{{\mathrm{\δ}}_1}\right)}^2}$

C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；

得到与每一段L_i对应的高斯滤波函数 $y_i=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\δ}}_{2i}}\·e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\δ}}_{2i}^2}},$ ${\mathrm{\δ}}_{2i}^2={\mathrm{\δ}}_3^2-{\mathrm{\δ}}_{1i}^2,$

以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ_2i到x＝k·δ_2i的与每一段L_i对应的高斯序列，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

在所述步骤c中，采用如下方式处理样本吸收光谱：

按照所述选取的特征峰所处位置，将样本吸收光谱分为若干段M_i，i＝1，2，3…n；

将与同一特征峰对应的分段M_i和分段L_i所对应的高斯序列卷积，得到每一段卷积后的光谱；

组合每一段卷积后的样本吸收光谱并输出，将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率。

作为优选，在所述步骤c中，按照与所述一定间隔相同的间隔对所述样本的吸收光谱进行插值处理，从而使样本吸收光谱与所述高斯序列相匹配；

所述高斯序列与插值后的样本吸收光谱卷积。

为了实现上述方法，本发明还提出了这样一种近红外光谱分析仪，包括测量光源、光谱仪和分析单元，所述分析单元包括分析装置；所述分析仪还包括标准光源，分析单元还包括以下装置：

可选择光谱中特征峰的选择装置；

可拟合所述特征峰的拟合装置；

可依据高斯滤波函数进行计算的计算装置；

可依据高斯滤波函数生成高斯序列的生成装置；

可对高斯序列与光谱进行卷积处理的卷积装置；

光谱输出装置。

作为优选，所述分析单元还包括可对光谱进行插值处理的插值装置。

作为优选，所述分析单元还包括可依据特征峰所处位置将光谱分段的分段装置。

作为优选，所述分析单元还包括可将若干段光谱组合在一起的组合装置。

作为优选，所述标准光源为低压汞灯、高压汞灯、波长可调激光器、一组不同波长的激光器、单色仪输出的准单色光中的任一种。

本发明总的技术构思为：本发明提出了一种消除不同近红外光谱分析仪分辨率带宽差异的技术，该技术硬件上首先保证分析仪的分辨率处于某一公差范围内，而此时分析仪的分辨率在整个波长(波数)域不可能处处相等，然后通过高斯卷积滤波方式将不均匀的分辨率大小调整一致。保证了不同的近红外光谱分析仪对于同一样本有相同的输出光谱，从而为分析模型的传递奠定基础，或利用分析仪中已有的分析模型输出相同的测量结果。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

1、实现了分析模型的无缝传递

采用硬件调整结合软件微调方法直接校正近红外光谱分析仪的输出光谱，保证了对于相同样本，不同分析仪之间具有相同的输出光谱，实现分析模型的无缝传递，即同一个分析模型作用于不同的近红外光谱分析仪，针对同一个样本进行测量，所输出的结果完全一致。

该方法消除了近红外模型传递中的主机和从机概念，即避免使用标准近红外分析仪时；避免了使用标准样本，为近红外分析仪开发和用户使用带来极大便利。

2、促进了近红外分析技术的普及

近红外分析技术没有广泛普及的一个重要原因即是模型传递问题没有完全解决，本发明正是创造性地解决了模型传递问题，从而有望使近红外分析技术如同其他光谱技术一样得到普及应用。

3、与用户无关，近红外光谱分析仪出厂之前即完成分辨率校正，实现了分析仪的标准化。

4、可实现资源共享，对于相同样本，近红外光谱分析仪的输出信号一致，因此可实现大范围内的资源共享，即不同分析仪所分析的同类样本的数据和模型可有效地、无差别地积累。

附图说明

图1是现有技术中模型传递方法的示意图；

图2是实施例1中近红外光谱分析仪的结构示意图；

图3是本发明的校正方法的流程示意图；

图4是实施例1中部分步骤的流程示意图；

图5是汞灯光谱的示意图；

图6是实施例1中光谱仪分辨率处于分辨率公差范围内的示意图；

图7是实施例1中不同近红外光谱分析仪校正前测得的柴油光谱示意图；

图8是实施例1中不同近红外光谱分析仪校正后测得的柴油光谱示意图；

图9是实施例2中近红外光谱分析仪的结构示意图；

图10是实施例2中部分步骤的流程示意图；

图11是实施例2中光谱仪分辨率处于分辨率公差范围内的示意图；

图12是实施例2中汞灯光谱和汽油光谱的分段示意图；

图13是实施例2中不同近红外光谱分析仪校正前测得的汽油光谱示意图；

图14是实施例2中不同近红外光谱分析仪校正后测得的汽油光谱示意图；

图15是实施例3中光谱仪分辨率处于分辨率公差范围内的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详尽描述。

实施例1：

如图2所示，一种近红外光谱分析仪，包括测量光源如钨灯、光谱仪、分析单元以及标准光源如低压汞灯。所述光谱仪包括入射狭缝、光栅、出射狭缝和探测器。

所述分析单元包括以下装置(分析单元内部的软件程序模块)：

可选择光谱中特征峰的选择装置；

可拟合所述特征峰的拟合装置；

可依据高斯滤波函数进行计算的计算装置；

可依据高斯滤波函数生成高斯序列的生成装置；

可对光谱进行插值处理的插值装置；

可对高斯序列与光谱进行卷积处理的卷积装置；

光谱输出装置；

分析装置。

本实施例还揭示了一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，如图3所示，包括以下步骤：

a、设定步骤

设定光谱仪的目标分辨率为6.7nm，分辨率公差范围为6.0～6.7nm；

b、调节和处理步骤

使用标准光源如低压汞灯连接所述光谱仪，扫描得到低压汞灯的光谱，利用所述选择装置选取5个特征峰，调节探测器、光栅、入射狭缝的位置，使光谱仪在5个特征峰处的分辨率处在所述分辨率公差范围内，如图6所示，实线表示目标分辨率值，实线与虚线之间为分辨率公差范围；

低压汞灯的光谱具有一定的特征峰，且特征峰具有很窄的带宽，对近红外光谱分析仪分辨率的准确性没有影响，因此可以作为标准光源。

如图4所示，使用光谱仪扫描汞灯光谱，并由分析装置输出汞灯光谱，获得像素域下汞灯光谱的特征峰，如图5所示；

由于所述特征峰符合高斯分布，因此利用所述拟合装置并采用高斯公式拟合选取的5个特征峰：

$y=A+B\·e^{-0.5\·{\left(\frac{x-C}{{\mathrm{\δ}}_1}\right)}^2}$

C表示高斯峰的中心位点，δ₁表示特征峰的峰宽，A、B为常数；

从而得到与各个特征峰分别对应的δ_1i，i＝1，2，3，4，5，如表1所示；

                         表1

 

特征峰	1	2	3	4	5
						δ<sub>1i</sub>	δ<sub>11</sub>＝2.63	δ<sub>12</sub>＝2.56	δ<sub>13</sub>＝2.70	δ<sub>14</sub>＝2.65	δ<sub>15</sub>＝2.63

利用计算装置得到高斯滤波函数： $y=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\δ}}_2}\·e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\δ}}_2^2}},$ 其中，

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_{1i}}{5}=2.63,$ ${\mathrm{\δ}}_2=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_3^2-{\mathrm{\δ}}_1^2}=1.10;$ 并以x＝0为中心，利用生成装置并按照所述高斯滤波函数以0.1nm的步长生成从x＝-3δ₂到x＝3δ₂的高斯序列，归一化得到的高斯序列并储存；

c、分辨率校正步骤

使用测量光源如钨灯替换所述低压汞灯，使用光谱仪扫描样本如柴油的吸收光谱(简称柴油光谱，下同)，如图7所示，不同的近红外光谱分析仪得到不同的柴油光谱，且差异较大；

利用插值装置并按照0.1nm的步长对所述柴油的吸收光谱进行插值处理，与所述高斯序列匹配；

利用卷积装置将所述高斯序列与插值处理后的柴油光谱作卷积处理；

利用光谱输出装置输出卷积后的吸收光谱，通过分析装置得到与目标分辨率相同的柴油光谱。

上述步骤a、b是在分析仪制造调试过程中完成，在测量使用过程中重复操作所述步骤c。

通过上述方法，可以使不同近红外光谱分析仪的分辨率保持相同，从而使不同分析仪获得相同的光谱，如图8所示，使同一分析模型得以应用在不同的近红外光谱分析仪上。

实施例2：

如图9所示，一种近红外光谱分析仪，与实施例1不同的是，所述分析仪还包括：

1、可依据特征峰所处位置将光谱分段的分段装置。

2、可将若干段光谱组合在一起的组合装置。

本实施例还揭示了一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，如图3所示，包括以下步骤：

a、设定步骤

设定光谱仪的目标分辨率为7.0nm，分辨率公差范围为6.5～7.0nm；

b、调节和处理步骤

使用标准光源如低压汞灯连接所述光谱仪，扫描得到汞灯光谱，利用选择装置在光谱中选取5个特征峰，调节探测器、光栅、入射狭缝的位置，使光谱仪在5个特征峰处的分辨率处在所述分辨率公差范围内，如图11所示，实线表示目标分辨率值，实线与虚线之间为分辨率公差范围；

如图10所示，使用光谱仪扫描低压汞灯的光谱，并由分析装置输出汞灯光谱，获得像素域下汞灯光谱的特征峰，如图5所示；

利用分段装置并根据选取的特征峰所处位置，将标准光源光谱分成5段L_i，i＝1，2，3，4，5，每一段均包含一个特征峰，如图12所示；

由于所述特征峰符合高斯分布，因此利用拟合装置并采用高斯公式拟合选取的特征峰：

$y=A+B\·e^{-0.5\·{\left(\frac{x-C}{{\mathrm{\δ}}_1}\right)}^2}$

C表示高斯峰的中心位点，δ₁表示特征峰的峰宽，A、B为常数；

从而得到与各个分段L_i对应的δ_1i，i＝1，2，3，4，5，如表2所示；

利用计算装置得到与每一个分段L_i对应的高斯滤波函数：

$y_i=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\δ}}_{2i}}\·e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\δ}}_{2i}^2}},$ 其中， ${\mathrm{\δ}}_{2i}^2={\mathrm{\δ}}_3^2-{\mathrm{\δ}}_{1i}^2,$ i＝1，2，3，4，5；以x＝0为中心，利用生成装置并按照所述高斯滤波函数以0.1nm步长生成从x＝-4δ_2i到x＝4δ_2i的与每一分段L_i对应的5个高斯序列，归一化得到的高斯序列并储存；

                            表2

 

特征峰	1	2	3	4	5
						分段L<sub>i</sub>	L<sub>1</sub>：1000～1100nm	L<sub>2</sub>：1100～1300nm	L<sub>3</sub>：1300～1500nm	L<sub>4</sub>：1500～1600nm	L<sub>5</sub>：1600～1800nm
δ<sub>3</sub>	2.97	2.97	2.97	2.97	2.97
						δ<sub>1i</sub>	δ<sub>11</sub>＝2.87	δ<sub>12</sub>＝2.83	δ<sub>13</sub>＝2.85	δ<sub>14</sub>＝2.78	δ<sub>15</sub>＝2.90
δ<sub>2i</sub>	δ<sub>21</sub>＝0.76	δ<sub>22</sub>＝0.90	δ<sub>23</sub>＝0.84	δ<sub>24</sub>＝1.05	δ<sub>25</sub>＝0.64

c、分辨率校正步骤

使用测量光源如钨灯替换所述低压汞灯，使用光谱仪扫描样本如汽油的吸收光谱(简称汽油光谱，下同)，如图13所示，不同的近红外光谱分析仪得到不同的汽油光谱，且差异较大；利用分段装置并按照选取的特征峰所处位置，将汽油光谱分为A、B、C、D、E等5段M_i，i＝1，2，3，4，5，如图12所示；

利用插值装置并按照0.1nm的步长对所述汽油光谱进行插值处理，与所述高斯序列匹配；

利用卷积装置将与同一特征峰对应的分段M_i和分段L_i所对应的高斯序列卷积，得到每一段卷积后的光谱；

利用组合装置组合每一段卷积后的光谱，光谱段之间的重复段取平均值；

利用光谱输出装置，输出卷积后的吸收光谱，从而得到与目标分辨率相同的汽油光谱。

上述步骤a、b是在分析仪出厂前完成，而在现场应用时重复操作步骤c。

通过上述方法，可以使不同近红外光谱分析仪的分辨率保持相同，如图14所示，使得对于相同的样本，不同的近红外光谱分析仪可利用相同的分析模型输出相同的测量结果。

实施例3：

一种近红外光谱分析仪，与实施例2相同。

本实施例还揭示了一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，如图3所示，包括以下步骤：

a、设定步骤

将光谱仪的工作波段分为5个子波段，分别在5个子波段内设定目标分辨率及分辨率公差范围，如表3所示；

                        表3

 

子波段	1000～1100nm	1100～1300nm	1300～1500nm	1500～1600nm	1600～1800nm
						目标分辨率	7.0nm	6.0nm	6.5nm	6.5nm	6.7nm

 

分辨率公差范围

6.5～7.0nm

5.3～6.0nm

5.7～6.5nm

5.7～6.5nm

6.2～6.7nm

b、调节和处理步骤

使用标准光源如低压汞灯(所述低压汞灯光谱在所述5个子波段内有特征峰)连接所述光谱仪，扫描得到汞灯光谱，利用选择装置在光谱中选取5个特征峰，使每个子波段内都有特征峰，调节探测器、光栅、入射狭缝的位置，使光谱仪在5个特征峰处的分辨率处在所述分辨率公差范围内，如图15所示，实线表示目标分辨率值，实线与虚线之间为分辨率公差范围；

如图10所示，使用光谱仪扫描低压汞灯的光谱，并由分析装置输出汞灯光谱，获得像素域下汞灯光谱的特征峰，如图5所示；

利用分段装置并根据选取的特征峰所处位置，将标准光源光谱分成5段L_i，i＝1，2，3，4，5，每一段均包含一个特征峰，如图12所示；

由于所述特征峰符合高斯分布，因此利用拟合装置并采用高斯公式拟合选取的特征峰：

$y=A+B\·e^{-0.5\·{\left(\frac{x-C}{{\mathrm{\δ}}_1}\right)}^2}$

C表示高斯峰的中心位点，δ₁表示特征峰的峰宽，A、B为常数；

从而得到与各个分段L_i对应的δ_1i，i＝1，2，3，4，5，如表4所示；

利用计算装置得到与每一个分段L_i对应的高斯滤波函数：

$y_i=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\δ}}_{2i}}\·e^{-\frac{x^2}{{2\mathrm{\δ}}_{2i}^2}},$ 其中， ${\mathrm{\δ}}_{2i}^2={\mathrm{\δ}}_{3i}^2-{\mathrm{\δ}}_{1i}^2,$

i＝1，2，3，4，5；以x＝0为中心，利用生成装置并按照所述高斯滤波函数以0.1nm步长生成从x＝-4δ_2i到x＝4δ_2i的分别与每一分段L_i对应的5个高斯序列，归一化得到的高斯序列并储存；

                           表4

 

特征峰	1	2	3	4	5
						分段L<sub>i</sub>	L<sub>1</sub>：1000～1100nm	L<sub>2</sub>：1100～1300nm	L<sub>3</sub>：1300～1500nm	L<sub>4</sub>：1500～1600nm	L<sub>5</sub>：1600～1800nm
目标分辨率	7.0nm	6.0nm	6.5nm	6.5nm	6.7nm
						δ<sub>3i</sub>	δ<sub>31</sub>＝2.97	δ<sub>32</sub>＝2.55	δ<sub>33</sub>＝2.76	δ<sub>34</sub>＝2.76	δ<sub>35</sub>＝2.85
δ<sub>1i</sub>	δ<sub>11</sub>＝2.81	δ<sub>12</sub>＝2.40	δ<sub>13</sub>＝2.70	δ<sub>14</sub>＝2.54	δ<sub>15</sub>＝2.80
						δ<sub>2i</sub>	δ<sub>21</sub>＝0.96	δ<sub>22</sub>＝0.86	δ<sub>23</sub>＝0.57	δ<sub>24</sub>＝1.08	δ<sub>25</sub>＝0.53

c、分辨率校正步骤

使用测量光源如钨灯替换所述低压汞灯，使用光谱仪扫描样本如汽油的吸收光谱(简称汽油光谱，下同)，如图13所示，不同的近红外光谱分析仪得到不同的汽油光谱，且差异较大；利用分段装置并按照选取的特征峰所处位置，将汽油光谱分为A、B、C、D、E等5段M_i，i＝1，2，3，4，5，如图12所示；

利用插值装置并按照0.1nm的步长对所述汽油光谱进行插值处理，与所述高斯序列匹配；

利用卷积装置将与同一特征峰对应的分段M_i和分段L_i所对应的高斯序列卷积，得到每一段卷积后的光谱；

利用组合装置组合每一段卷积后的光谱，光谱段之间的重复段取平均值；

利用光谱输出装置，输出卷积后的吸收光谱，从而得到与目标分辨率相同的汽油光谱。

上述步骤a、b是在分析仪出厂前完成，而在现场应用时重复操作步骤c。

通过上述方法，可以使不同近红外光谱分析仪的分辨率保持相同，如图14所示，使得对于相同的样本，不同的近红外光谱分析仪可利用相同的分析模型输出相同的测量结果。

实施例4：

一种近红外光谱分析仪，与实施例2不同的是，所述分析仪还包括：

1、已知吸光度的标准物质；

2、可使用测量光源和已知吸光度的标准物质对近红外光谱分析仪进行吸光度校正的吸光度校正装置。

3、采用硬件上的DSP卷积器件，可对高斯序列与光谱进行卷积处理，从而采用硬件方式实现卷积运算。

本实施例还揭示了一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，与实施例2不同的是，所述步骤c还包括：

吸光度校正：使用测量光源、已知吸光度的标准物质以及吸光度校正装置对近红外光谱分析仪进行吸光度校正；

而且，在依据高斯滤波函数以一定波长间隔分别生成5个高斯序列时，采用不同的波长间隔，如生成与第一分段L₁对应的高斯序列时，采用的波长间隔分别为0.1nm、0.2nm、0.2nm等；以0.1nm的步长生成与第二分段L₂对应的高斯序列；生成与第三分段L₃对应的高斯序列时，采用的波长间隔分别为0.2nm、0.1nm、0.2nm等。

利用插值装置并按照与上述一定波长间隔相同的间隔对所述汽油光谱进行插值处理，与所述高斯序列匹配。

通过上述方法，可以使不同近红外光谱分析仪的分辨率保持相同，使得对于相同的样本，不同的近红外光谱分析仪可利用相同的分析模型输出相同的测量结果。

关于上述实施例的说明：

1、上述实施例中，得到的都是波长域下的光谱，因此，以相同或不相同的波长间隔Δλ＝λ_n+1-λ_n，n＝1，2，3，…N生成高斯序列、插值样本吸收光谱。

倘若是波数域下的光谱，则以相同或不相同的波数间隔 $\mathrm{\Δ\ν}=\mathrm{\Δ}({\mathrm{\ν}}_{n+1}-{\mathrm{\ν}}_n)=\mathrm{\Δ}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{n+1}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_n}),$ n＝1，2，3…N生成高斯序列、插值样本吸收光谱。

2、上述实施例中，都是选取低压汞灯作为标准光源，当然也还可以是激光光源，可以采用可覆盖分析仪器光谱范围的波长可调激光器，也可以采用分析仪器光谱范围内的多个激光器，从而得到分析仪器光谱范围内不同波长处的光谱分辨率。因为激光的谱宽很窄，从测量得到的光谱拟合出的分辨率就是仪器分辨率，从而获得非常准确的仪器分辨率数据。

标准光源还可以是其他光源，如高压汞灯、单色仪输出的准单色光，虽然这些光源输出带宽较宽，但只要该光源输出光谱非常稳定，因此对近红外光谱分析仪分辨率的准确性也没有影响。

3、上述实施例中，因为选取的特征峰符合高斯分布，因此都使用高斯函数去拟合特征峰，从而获得特征峰的峰宽。倘若特征峰不符合高斯分布，则可以采用其他分布函数去拟合特征峰，如采用洛仑兹函数去拟合符合洛仑兹分布的特征峰。

需要指出的是，上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。如在实施例3中，在光谱仪的每一工作波段内设定目标分辨率，当然也可以在选择的光谱仪的工作波长处分别设定目标分辨率及分辨率公差范围。本发明的关键是，通过对光谱仪做硬件调节使分辨率落在公差范围内，然后通过软件将分辨率调整为目标分辨率，从而将不同近红外光谱分析仪的分辨率校正至相同，使不同的分析仪对相同样本具有相同的输出光谱，进而为分析模型的传递奠定基础，或利用分析仪中已有的分析模型输出相同的测量结果。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明作出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种近红外光谱分析仪分辨率的校正方法，包括以下步骤：

a、设定步骤

设定近红外光谱分析仪中光谱仪的目标分辨率及分辨率公差范围；

b、调节和处理步骤

使用标准光源连接所述光谱仪，扫描得到标准光源光谱，调节光谱仪使其分辨率处在所述分辨率公差范围内；

使用所述光谱仪扫描得到标准光源光谱，依据目标分辨率处理标准光源光谱，得到分辨率校正信息并储存，分辨率校正信息可将标准光源光谱的分辨率校正至目标分辨率；

c、分辨率校正步骤

测量光源发出的光照射样本，使用所述光谱仪扫描得到样本吸收光谱，利用分辨率校正信息处理样本的吸收光谱，将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率；

从而将不同近红外光谱分析仪的分辨率校正至相同。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于：每次测量新样本时重复所述步骤c。

3.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于：

在所述步骤a中，将光谱仪的工作波段划分为若干子波段，分别在若干子波段内设定目标分辨率和分辨率公差范围；

在所述步骤b中，所述标准光源的光谱在各子波段内有特征峰。

4.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于：

在所述步骤b中，通过以下方式得到分辨率校正信息：

使用光谱仪扫描得到标准光源光谱，获得标准光源光谱的特征峰；

选取若干个特征峰，采用如下高斯公式拟合选取的特征峰，从而得到各个特征峰的峰宽δ_1i，i＝1，2，3…n；

C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；

得到高斯滤波函数： 

其中， 

i＝1，2，3…n；以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ₂到x＝k·δ₂的高斯序列，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

在所述步骤c中，通过以下方式处理样本吸收光谱：

所述高斯序列与样本吸收光谱进行卷积；

输出卷积后的样本吸收光谱，从而将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率。

5.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于：

在所述步骤b中，通过以下方式得到分辨率校正信息：

使用光谱仪扫描得到标准光源光谱，获得所述标准光源光谱的特征峰；

选取若干个特征峰，根据选取的特征峰所处位置，将标准光源光谱分成若干段L_i，i＝1，2，3…n，每一段均包含一个特征峰；

采用如下高斯公式拟合选取的特征峰，从而得到各个特征峰的峰宽δ_1i，i＝1，2，3…n；

C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；

得到与每一段L_i对应的高斯滤波函数 

以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ_2i到x＝k·δ_2i的与每一段L_i对应的高斯序列，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

在所述步骤c中，通过以下方式处理样本吸收光谱：

按照所述选取的特征峰所处位置，将样本吸收光谱分为若干段M_i，i＝1，2，3…n；

将与同一特征峰对应的分段M_i和分段L_i所对应的高斯序列卷积，得到每一段卷积后的光谱；

组合每一段卷积后的样本吸收光谱并输出，从而将样本吸收光谱的分辨率校正到目标分辨率。

6.根据权利要求4或5所述的校正方法，其特征在于：在所述步骤c中，按照与所述一定间隔相同的间隔对所述样本的吸收光谱进行插值处理，从而使样本吸收光谱与所述高斯序列相匹配；

所述高斯序列与插值后的样本吸收光谱卷积。

7.一种近红外光谱分析仪，包括测量光源、光谱仪和分析单元，所述分析单元包括分析装置；其特征在于：所述分析仪还包括标准光源，所述分析单元还包括以下装置：

选择标准光源光谱中特征峰的选择装置；

依据高斯公式 

拟合选择的特征峰，C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；从而得到各特征峰峰宽δ_1i的拟合装置，i＝1，2，3…n；

依据目标分辨率、所述峰宽δ_1i而得到高斯滤波函数 

的计算装置； 

以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ₂到x＝k·δ₂的高斯序列的生成装置，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

对所述高斯序列与被测样品的吸收光谱进行卷积处理的卷积装置；

光谱输出装置。

8.根据权利要求7所述的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述分析单元还包括对被测样品的吸收光谱进行插值处理的插值装置，卷积装置对生成装置输出的高斯序列和经过插值处理后的被测样品的吸收光谱进行卷积处理。

9.根据权利要求7或8所述的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述分析单元还包括依据选择的特征峰所处位置将标准光源光谱分成若干段L_i的分段装置，i＝1，2，3…n，每一段包含一个特征峰；

拟合装置采用如下高斯公式拟合选取的特征峰，从而得到各个特征峰的峰 宽δ_1i，i＝1，2，3…n；

C表示特征峰的中心位点，A、B为常数；

利用计算装置得到与每一段L_i对应的高斯滤波函数 

生成装置以x＝0为中心，按照所述高斯滤波函数以一定间隔生成从x＝-k·δ_2i到x＝k·δ_2i的与每一段L_i对应的高斯序列，k为系数，归一化得到的高斯序列并储存；

分段装置按照所述选择的特征峰所处位置，将被测样品的吸收光谱分为若干段M_i，i＝1，2，3…n；

卷积装置将与同一特征峰对应的分段M_i和分段L_i所对应的高斯序列卷积，得到每一段卷积后的光谱。

10.根据权利要求9所述的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述分析单元还包括将卷积装置输出的若干段光谱组合在一起的组合装置，组合后的光谱输出至光谱输出装置。

11.根据权利要求7所述的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述标准光源为低压汞灯、高压汞灯、波长可调激光器、一组不同波长的激光器、单色仪输出的准单色光中的任一种。 

Images