CN102155991B - 一种高级光谱校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高级光谱校正方法，利用光辐射仅限于短波自由波段的校准光源测量计算出光谱仪器的高级光谱函数，利用该函数可对光谱仪器所测量光源的测量结果进行校正，得到较为精确的测量值。利用本发明公开的高级光谱校正方法，无须改变光谱仪器的内部构造，设计简单，使用方便，通过一次测量通用的高级光谱校正函数即可校正光谱仪器测量波段内所有级次的短波高级光谱，测量准确度高且速度快。

Description

一种高级光谱校正方法

【技术领域】

本发明属于光谱辐射测量领域，具体涉及消除光谱仪高级光谱的校正方法。

【背景技术】

凹面光栅在主截面的光栅方程式：d(sini+sinθ)＝mλ，当光栅常数d确定，m₁λ₁＝m₂λ₂＝m₃λ₃＝m₄λ₄＝...时，各相应的衍射角相等时(θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝...)，短波段的高级次谱线就会在长波段光谱的对应位置出现，称为光栅光谱的“级次重叠”。光谱不受其它级次光谱重叠的波段称为自由光谱范围。在实际应用中，光谱仪器的测量范围往往大于自由光谱范围，其测量结果包含高级次光谱是影响光谱仪器测量精度的重要因素，不同级次光谱的重叠引起光谱分析的错误，有时甚至导致光谱仪器无法工作，因此在光谱仪器的设计中必须消除叠级现象。

传统的消除高级光谱的方法是在重叠光谱波段使用长通滤色片来消除高级次光谱，虽然这种方法能够消除短波段对光谱仪器测量范围内光谱的影响，但存在较多缺陷：一方面该方法使得光谱仪器的设计较为复杂；另一方面，在测量过程中切入滤色片会降低光谱仪器的测量速度，且对于某些测量波段特别宽的光谱仪器，通常还需要使用多个长通滤色片逐段测量待测光源光谱，测量速度将大大降低，特别是对快速光谱仪影响较大。针对上述问题，公开号为CN1598504A的发明中公开了利用长通滤色片计算得到异级光谱信号比来消除高级次光谱，这种方法虽然在进行分离高级次光谱测量时，摆脱了多次切入长通滤色片的问题，使得光谱仪器的测量速度有一定程度的提高，但也存在较多缺陷：第一，利用该技术实现的光谱仪器在消除高级光谱时，每次只能消除一个级次的光谱，若需要同时消除不同级次的光谱，则必须要事先测量不同级次的异级光谱信号比，效率低且耗时；第二，利用该技术实现的光谱仪器的异级光谱信号比仍然需要切入长通滤色片才能计算得到，仪器设计复杂程度并不能得到改善；第三，由于长通滤色片在长波部分的透过率很难达到100％，使得利用该方法计算得到的异级光谱信号比准确性较低，光谱校正效果不佳。

【发明内容】

为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供设计简单，操作方便，能够一次性校正光谱仪器测量波段内所有级次的短波高级光谱带来的测量误差的方法，不仅测量准确度高且速度快。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

本发明所述的一种高级光谱校正方法，所述的光谱仪器的光谱测量范围为(λ_min，λ_max)，其中最大测量波长λ_max是最小测量波长λ_min的两倍以上，(λ_min，2λ_min)区域为短波自由波段，(2λ_min，λ_max)区域为长波叠加波段，使用光辐射仅限于短波自由波段的校准光源校正任意待测光源的高级光谱，其步骤为：

(a)测量所述校准光源在短波自由波段的一级光谱功率分布I₁(λ′_s)(λ_min＜λ′_s＜2λ_min)和长波叠加波段的高级光谱功率分布I_i(λ′_s)(λ_min＜λ′_s＜2λ_min，i＝2，3，4....n)。

(b)若光谱仪器的分辨率为Δλ，则由步骤(a)得到的短波高级光谱功率I_i(λ′_s)与光谱仪器长波波段的对应位置一级光谱重叠，即长波重叠波段的波长i(λ_min+x·Δλ)与短波自由波段的波长(λ_min+x·Δλ)对应重叠，其中

i＝2，3，4....n；将I_i(λ′_s)与I₁(λ′_s)分别按对应波长位置的光谱辐照度值相比，得到该光谱仪器的高级光谱函数，即：

$f_i\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)=\frac{I_i\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}{I_1\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}$ (λ_min＜λ′_s＜2λ_min，i＝2，3，4....n)

(c)测量任意待测光源全波段的光谱功率分布I^m(λ_a)(λ_min＜λ_a＜λ_max)，将其中短波自由光谱区的光谱功率分布记为

(λ_min＜λ_s＜2λ_min)；

(d)用步骤(b)得到的高级光谱函数f_i(λ′_s)乘以步骤(c)中测得待测光源在短波自由波段的光谱功率，得到高级光谱功率；用步骤(c)测得的长波叠加波段的光谱功率减去对应的高级光谱功率，并与所述的短波自由波段的光谱功率结合，得到校正后的待测光源全波段光谱功率分布I_c(λ_a)(λ_min＜λ_a＜λ_max)，即：

$I_c\left({\mathrm{\λ}}_a\right)=I^m\left({\mathrm{\λ}}_a\right)-I_1^m\left({\mathrm{\λ}}_s\right)\·\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i$

作为优选，所述的校准光源为一个光谱范围在短波自由波段的任意窄带光源，或所述的校准光源为多个光谱范围位于短波自由波段的窄带光源组合。

作为优选，所述的校准光源为波长连续可调的激光，或者为一个或多个波长位于短波自由波段内的激光。

作为优选，所述的校准光源在短波自由波段内具有无功率区域，采用插值方法得到无功率区域的高级光谱函数。

作为优选，使用宽带连续光源和短通滤色片/带通滤色片相结合的方法获得校准光源。由于光谱仪中的高级光谱主要由短波段的光辐射在对应长波段位置产生的，因此，上述方法主要利用宽带连续光源作为校准光源，用短通滤色片/带通滤色片将长波段的光辐射滤除，测得在整个光谱测量波段只剩下短波自由波段的一级光谱和长波重叠波段的短波高级光谱，从而计算出相应的高级光谱函数。实际测量时，只需在切入和不切入滤色片时分别测量一次校准光源，得到高级光谱函数。在以后的测量中，就可以在不加上述滤色片的条件下，利用上述函数校正与校准光源具有相似光谱功率分布的任意同类光源，得到较为精确的测量结果，特别适用于连续测量同一类样品。相比于在光谱仪器中利用滤色片逐段测量光谱的光谱仪器，采用了上述方法的光谱仪器测量准确度高，测量速度大大提高。

采用定标光源对光谱仪定标时，先利用校准光源测量和计算出相应的高级光谱函数，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。

本发明的有益效果是利用光辐射仅限于短波自由波段的校准光源测量计算出光谱仪器的高级光谱函数，利用该函数可对光谱仪器所测量光源的测量结果进行校正，得到较为精确的测量值。利用本发明公开的高级光谱校正方法，无须改变光谱仪器的内部构造，设计简单，使用方便，通过一次测量通用的高级光谱校正函数即可校正光谱仪器测量波段内所有级次的短波高级光谱，测量准确度高且速度快。

【具体实施方式】

实施例1

一种高级光谱校正方法，所述光谱仪器的光谱测量范围为400～1100nm，则在800～1100nm波段的测量结果中包含了短波自由光谱区400～800nm的二级光谱。使用波长处于400～800nm的连续可调的激光作为校准光源，校正任意待测光源的二级光谱，求解二级光谱函数的步骤如下：

(a)测量所述校准光源在短波自由波段的一级光谱功率I₁(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)和长波叠加波段的二级光谱功率I₂(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)。

(b)若光谱仪器的分辨率为5nm，则由步骤(a)得到的二级光谱功率I₂(λ′_s)与光谱仪器长波波段的对应位置一级光谱重叠，即长波重叠波段的波长2(400nm+x·5nm)与短波自由波段的波长(400nm+x·5nm)对应重叠，其中x∈(0，80)；将I₂(λ′_s)与I₁(λ′_s)分别按对应波长位置的光谱辐照度值相比，得到该光谱仪器的二级光谱函数，即：

$f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)=\frac{I_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}{I_1\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}$ (400nm＜λ′_s＜800nm)

(c)测量任意待测光源全波段的光谱功率分布I^m(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，将其中短波自由光谱区的光谱功率分布记为

(400nm＜λ_s＜800nm)；

(e)用步骤(b)得到的二级光谱函数f₂(λ′_s)乘以步骤(c)中测得待测光源在短波自由波段的光谱功率，得到二级光谱功率；用步骤(c)测得的长波叠加波段的光谱功率减去对应的二级光谱功率，并与所述的短波自由波段的光谱功率结合，得到校正后的待测光源全波段光谱功率分布I_c(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，即：

$I_c\left({\mathrm{\λ}}_a\right)=I^m\left({\mathrm{\λ}}_a\right)-I_1^m\left({\mathrm{\λ}}_s\right)\·f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)$

采用定标光源对光谱仪定标时，先所述的校准光源测量和计算出相应的二级光谱函数f₂(λ′_s)，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。

实施例2

一种高级光谱校正方法，所述光谱仪器的光谱测量范围为400～1100nm，则在800～1100nm波段的测量结果中包含了短波自由光谱区400～800nm的二级光谱。使用3个波长分别为420～550nm、580～690nm和710～780nm的窄带光源组合作为校准光源，校正任意待测光源的二级光谱，求解二级光谱函数的步骤如下：

(a)分别测量所述的校准光源的一级光谱功率，分别记为(420nm＜λ′_s＜550nm)、(580nm＜λ′_s＜690nm)和

(710nm＜λ′_s＜780nm)；以及上述三个波长分别对应的长波叠加波段的二级光谱功率

(420nm＜λ′_s＜550nm)、(580nm＜λ′_s＜690nm)和(710nm＜λ′_s＜780nm)。

(b)若光谱仪器的分辨率为5nm，则由步骤(a)得到的3个一级光谱功率按照波长间隔5nm插值，得到短波自由光谱区400～800nm的一级光谱I₁(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)；类似地，将由步骤(a)得到的3个二级光谱功率按照波长间隔10nm插值，得到短波自由光谱区400～800nm的二级光谱I₂(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)。

(c)将由步骤(b)得到的二级光谱功率I₂(λ′_s)与光谱仪器长波波段的对应位置一级光谱重叠，即长波重叠波段的波长2(400nm+x·5nm)与短波自由波段的波长(400nm+x·5nm)对应重叠，其中x∈(0，80)；将I₂(λ′_s)与I₁(λ′_s)分别按对应波长位置的光谱辐照度值相比，得到该光谱仪器的二级光谱函数，即：

$f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)=\frac{I_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}{I_1\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}$ (400nm＜λ′_s＜800nm)

(d)测量任意待测光源全波段的光谱功率分布I^m(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，将其中短波自由光谱区的光谱功率分布记为

(400nm＜λ_s＜800nm)；

(e)用步骤(b)得到的二级光谱函数f₂(λ′_s)乘以步骤(c)中测得待测光源在短波自由波段的光谱功率，得到二级光谱功率；用步骤(c)测得的长波叠加波段的光谱功率减去对应的二级光谱功率，并与所述的短波自由波段的光谱功率结合，得到校正后的待测光源全波段光谱功率分布I_c(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，即：

$I_c\left({\mathrm{\λ}}_a\right)=I^m\left({\mathrm{\λ}}_a\right)-I_1^m\left({\mathrm{\λ}}_s\right)\·f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)$

采用定标光源对光谱仪定标时，先所述的校准光源测量和计算出相应的二级光谱信号比f₂(λ′_s)，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。

实施例3

一种高级光谱校正方法，所述光谱仪器的光谱测量范围为400～1100nm，则在800～1100nm波段的测量结果中包含了短波自由光谱区400～800nm的二级光谱。使用宽带连续光源作为校准光源，与短通滤色片结合，校正与校准光源具有相似光谱功率分布的任意同类待测光源的二级光谱，求解二级光谱函数的步骤如下：

(a)将所述的短通滤色片切入到光谱仪器探测器之前的光路上，测量所述校准光源在短波自由波段的一级光谱功率I₁(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)和长波叠加波段的二级光谱功率I₂(λ′_s)(400nm＜λ′_s＜800nm)。

(b)若光谱仪器的分辨率为5nm，则由步骤(a)得到的二级光谱功率I₂(λ′_s)与光谱仪器长波波段的对应位置一级光谱重叠，即长波重叠波段的波长2(400nm+x·5nm)与短波自由波段的波长(400nm+x·5nm)对应重叠，其中x∈(0，80)；将I₂(λ′_s)与I₁(λ′_s)分别按对应波长位置的光谱辐照度值相比，得到该光谱仪器的二级光谱函数，即：

$f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)=\frac{I_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}{I_1\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)}$ (400nm＜λ′_s＜800nm)

(c)不切入所述短通滤色片，测量所述的待测光源全波段光谱功率分布I^m(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，将其中短波自由光谱区的光谱功率分布记为

(400nm＜λ_s＜800nm)；

(d)用步骤(b)得到的二级光谱函数f₂(λ′_s)乘以步骤(c)中测得所述待测光源在短波自由波段的光谱功率，得到二级谱功率；用步骤(c)测得的长波叠加波段的光谱功率减去对应的二级光谱功率，并与所述的短波自由波段的光谱功率结合，得到校正后的待测光源全波段光谱功率分布I_c(λ_a)(400nm＜λ_a＜1100nm)，即：

$I_c\left({\mathrm{\λ}}_a\right)=I^m\left({\mathrm{\λ}}_a\right)-I_1^m\left({\mathrm{\λ}}_s\right)\·f_2\left({\mathrm{\λ}}_s^{\′}\right)$

采用定标光源对光谱仪定标时，先所述的校准光源测量和计算出相应的二级光谱信号比f₂(λ′_s)，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。

Claims (6)

1.一种高级光谱校正方法，其特征在于，光谱仪器的光谱测量范围为(λ_min，λ_max)，其中最大测量波长λ_max是最小测量波长λ_min的两倍以上，(λ_min，2λ_min)区域为短波自由波段，(2λ_min，λ_max)区域为长波叠加波段，使用光辐射仅限于短波自由波段的校准光源校正任意待测光源的高级光谱，其步骤为：

(a)测量所述校准光源在短波自由波段的一级光谱功率分布I₁(λ′_s)(λ_min＜λ′_s＜2λ_min)和长波叠加波段的高级光谱功率分布I_i(λ′_s)(λ_min＜λ′_s＜2λ_min，i＝2，3，4....n)；

(b)将I_i(λ′_s)与I₁(λ′_s)分别按对应波长位置的光谱辐照度值相比，得到该光谱仪器的高级光谱函数f_i(λ′_s)(λ_min＜λ′_s＜2λ_min，i＝2，3，4....n)；

(c)测量任意待测光源全波段的光谱功率分布I^m(λ_a)(λ_min＜λ_a＜λ_max)；

(d)用步骤(b)得到的高级光谱函数f_i(λ′_s)乘以步骤(c)中测得待测光源在短波自由波段的光谱功率，得到高级光谱功率；步骤(c)中测得的长波叠加波段的光谱功率减去对应的高级光谱功率，并与所述短波自由波段的光谱功率结合，得到校正后的待测光源全波段光谱功率分布I_c(λ_a)(λ_min＜λ_a＜λ_max)。

2.如权利要求1所述的一种高级光谱校正方法，其特征在于，所述的校准光源为一个光谱范围在短波自由波段的任意窄带光源，或所述的校准光源为多个光谱范围位于短波自由波段的窄带光源组合。

3.如权利要求1所述的一种高级光谱校正方法，其特征在于，所述的校准光源为波长连续可调的激光，或者为一个或多个波长位于短波自由波段内的激光。

4.如权利要求1所述的一种高级光谱校正方法，其特征在于，使用宽带连续光源和短通滤色片/带通滤色片相结合的方法获得校准光源。

5.如权利要求1所述的一种高级光谱校正方法，其特征在于，所述的校准光源在短波自由波段内具有无功率区域，采用插值方法得到无功率区域的高级光谱函数。

6.如权利要求1所述的一种高级光谱校正方法，其特征在于，采用定标光源对光谱仪定标时，先测量和计算出高级光谱函数，并用来校正光谱仪对定标光源的光谱响应值，得到校正的光谱响应，利用校正的光谱响应定标光谱仪的光谱灵敏度。