CN102944306B - 快速光谱仪短波校准中的弱信号补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速光谱仪短波校准中弱信号补偿方法，属于光学测试与计量领域。该方法在已有光谱响应度测试方法的基础上，对快速光谱仪进行分段校准，在450nm～900nm采用远距离光谱响应度校准方法，而在短波350nm～450nm，采用近距离校准方法，以提高输出信号的强度，之后引入距离补偿系数，对短波测量结果进行补偿。本发明解决了目前快速光谱仪在短波范围因标准灯光谱功率小且CCD的响应较差而导致分光谱响应度测量精度差的难题，实现了对快速光谱仪在整个波段350nm～900nm光谱响应度的高精度校准。该方法操作简单，准确性高，通用性强，同时也可为其它类型光谱仪的光谱响应度校准测量提供技术支持。

Description

快速光谱仪短波校准中的弱信号补偿方法

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种短波校准的弱信号补偿方法，尤其涉及一种快速光谱仪短波校准中的弱信号补偿方法。

背景技术

快速光谱仪一般由光栅光谱仪和线阵CCD组成，使用的波长范围一般为350nm～900nm，可一次完成全波段光谱响应度的测量，由于测量范围宽、响应快，被广泛应用在外场光谱测量中。但是，由于快速光谱仪受CCD响应度和标准光源光谱功率分布的影响，其光谱响应度的校准结果在450nm～900nm非常好，而在短波段比较差，尤其是在350nm～450nm波段，CCD的响应较差，标准灯的光谱功率较小，这两个因素造成了快速光谱仪的光谱响应度在短波较大的测量误差。因此，为了真实反映快速光谱仪光谱响应度的校准结果，减小测量误差，必须要提高快速光谱仪在短波350nm～450nm波段的测量精度，实现快速光谱仪在全波段350nm～900nm光谱响应度的精确测量。目前，还没有见到有关快速光谱仪短波校准中有效减小误差方法的相关报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前快速光谱仪的光谱响应度在短波350nm～450nm波段校准误差较大的难题，提供一种快速光谱仪短波校准中的弱信号补偿方法，并对快速光谱仪在短波的光谱响应度进行补偿，以减小校准误差并提高测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供的弱信号补偿方法包括以下步骤：

第一步：将标准钨带灯以及与计算机连接的快速光谱仪安装到位，使标准灯的灯丝中心对准快速光谱仪的入口中心，记录此时快速光谱仪入口处所对应的标尺刻度x₀；

第二步：打开快速光谱仪、计算机和标准灯的电源开关，缓慢调节标准灯电流至额定电流，待标准灯稳定10min后，通过计算机的界面模块，输入起始波长λ₁＝350nm、截止波长λ_n＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，沿标尺方向慢慢移动标准灯，使得光谱响应曲线在波长范围450nm～900nm内的最大值接近饱和，记录此时标准灯灯丝所对应的标尺刻度x₁；

第三步：沿标尺方向缓慢移动标准灯，使得光谱响应曲线在波长450nm处接近饱和，记录此时标准灯灯丝所对应的标尺刻度x₂；

第四步：将标准灯移动到标尺刻度x₁处，通过计算机的界面模块输入起始波长λ₁＝450nm、截止波长λn＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪的一组输出电流值i₁(λp)，p＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据并根据计算机内置公式计算波长范围450nm～900nm对应的光谱响应度R₁(λ_p)；

第五步：将标准灯移动到标尺刻度x₂处，通过计算机的界面模块输入起始波长λ₁＝350nm、截止波长λn＝450nm，波长间隔Δλ＝1nm，标尺刻度值x₀、x₁、x₂，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪输出的一组电流值i₂(λq)，q＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据及输入的参数值，并根据下列公式计算出快速光谱仪在波长范围350nm～450nm对应的光谱响应度R₂(λ_q)：

$R_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)=\frac{i_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)}{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_t\right)}\·c$

c＝(x₂-x₀)²/(x₁-x₀)²

其中，c为距离补偿系数；

第六步：点击计算机界面模块的计算按钮，计算机的测试模块将第四步和第五步的光谱响应度测量结果进行合成，得到全波段350nm～900nm的光谱响应度R′(λ_p+q)，计算机的测试模块按下式对这组光谱响应度R′(λ_p+q)进行归一化处理，从而得到快速光谱仪的相对光谱响应度R(λ_p+q)：

$R\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)=\frac{R^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}{R_{\max }\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}$

上式中，R_max(λ_p+q)为光谱响应度R′(λ_p+q)中的最大值。

本发明的整体技术效果体现在以下两个方面。

1)本发明在已有光谱响应度测试方法的基础上，对快速光谱仪的光谱响应度进行分段测量，在短波350nm～450nm波段，由于输出信号很弱，因此采用近距离测量方法，根据距离平方反比定律，光源的辐射功率和光源与接收点的距离成平方反比，提高快速光谱仪接收到的光源辐射功率，使输出信号增大，再通过引入距离补偿系数，消除距离改变对光谱响应度校准带来的影响。本发明解决了快速光谱仪在短波输出信号很弱，测量精度差的难题，减小了快速光谱仪在短波范围的光谱响应度的测量误差，提高了快速光谱仪在短波光谱响应度的测量精度，为其他类型光谱仪的光谱响应度校准测试提供了技术支持。

2)本发明快速光谱仪短波校准中弱信号补偿方法，由于采用分段校准，短波用近距离、强功率校准，提高了输出信号的强度，因此具有信噪比高的特点，同时，本发明只需通过移动标准灯的位置，得到不同位置处标准灯与快速光谱仪之间的距离，即可获得准确的距离补偿系数，得出快速光谱仪在短波范围的光谱响应度。因此，本发明操作简单，准确性高，对不同类型的快速光谱仪，该方法具有通用性。

具体实施方式

下面结合优选实施例对本发明作进一步的详述。

为了实现快速光谱仪在短波350nm～450nm波段校准中的弱信号补偿，本发明的总体构思是，采用分段测量方法，在远距离点x₁处获取快速光谱仪在450nm～900nm波段的光谱响应度，在近距离点x₂处获取快速光谱仪在350nm～450nm波段的光谱响应度，再引入距离补偿系数c，消除距离改变带来的影响，实现对快速光谱仪在短波校准中弱信号的补偿，最后将两段的光谱响应度进行合成，最终得到快速光谱仪在整个波段350nm～900nm光谱响应度的校准结果。

快速光谱仪短波校准中弱信号补偿装置包括标准灯、二维升降台、标尺、快速光谱仪以及带有测量软件包的计算机等，其中，标准灯选用钨带灯作为校准用标准光源；二维升降台用于安装标准灯并对标准灯的高低和左右位置进行调整；标尺带有刻度，固定在光学平台上，用于测量快速光谱仪和标准灯之间的距离；测量软件包分为界面模块、存储模块、采集模块和测试模块，界面模块的功能是提供测试用界面，该界面上设置有开始按钮、退出按钮、参数设置栏、显示窗口和计算按钮。参数设置栏能够设置起始波长、截止波长、波长间隔和标尺刻度值x₀、x₁、x₂；其中，x₀是指快速光谱仪入口处所对应的标尺刻度值，x₁是指在450nm～900nm测试时标准灯所对应的标尺刻度值，x₂是指在350nm～450nm测试时标准灯所对应的标尺刻度值。显示窗口是用于实时显示快速光谱仪光谱响应度测试结果的曲线。存储模块中保存了标准灯的光谱辐射功率表，该表是在标准钨带灯350nm～900nm波长范围内以Δλ为步长所对应的一组标准光谱辐射功率Φ(λ_t)，其中，λ₁＝350nm，λ_t＝900nm，Δλ＝1nm；采集模块的功能是采集快速光谱仪的输出信号并保存在存储模块中；测试模块是对快速光谱仪的输出信号进行相应的处理，得到快速光谱仪的光谱响应度测试结果。

采用上述装置实现快速光谱仪短波校准中弱信号补偿方法的具体步骤如下：

第一步：把快速光谱仪放置在带有标尺的光学平台上，快速光谱仪的输出端通过电缆与内置了测量软件包的计算机相连。将标准钨带灯安装在二维升降台上，并放置在快速光谱仪的入口一侧，调节二维升降台的高低与左右位置，使标准钨带灯的灯丝中心对准快速光谱仪的入口中心，观察并记录此时快速光谱仪入口处所对应的标尺刻度x₀，同时确保快速光谱仪在整个测试过程中的位置固定不变。

第二步：打开快速光谱仪和计算机的电源开关，快速光谱仪和计算机自动进行初始化后，打开标准灯的电源开关，缓慢调节灯电流至额定电流。待标准灯稳定10分钟后，通过计算机的界面模块，输入校准所需的测量参数，这些参数包括起始波长λ₁＝350nm、截止波长λ_n＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，沿标尺方向慢慢移动标准灯，同时观察计算机的界面模块中显示窗口的实时动态光谱响应曲线的变化，使得光谱响应曲线在波长范围450nm～900nm内的最大值接近饱和，观察并记录此时标准灯灯丝所对应的标尺刻度x₁。

第三步：沿标尺方向缓慢移动标准灯，同时观察计算机的界面模块中显示窗口的实时动态光谱响应曲线的变化，使得光谱响应曲线在波长450nm处接近饱和，观察并记录此时标准灯灯丝所对应的标尺刻度x₂。

第四步：将标准灯移动到x₁处，通过计算机的界面模块，输入测试所需的测量参数，这些参数包括起始波长λ₁＝450nm、截止波长λn＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪的一组输出电流值i₁(λp)，p＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据并根据计算机内置公式计算出快速光谱仪在标尺刻度值x₁时，波长范围450nm～900nm所对应的光谱响应度R₁(λ_p)。

第五步：将标准灯移动到位置x₂处，通过计算机的界面模块，输入测试所需的测量参数，这些参数包括起始波长λ₁＝350nm、截止波长λn＝450nm，波长间隔Δλ＝1nm，标尺参数值x₀、x₁、x₂，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪输出的一组电流值i₂(λq)，q＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据及输入的参数值，并根据下列公式计算出快速光谱仪在位置x₂时，波长范围350nm～450nm所对应的光谱响应度R₂(λ_q)：

$R_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)=\frac{i_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)}{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_t\right)}\·c$

c＝(x₂-x₀)²/(x₁-x₀)²

其中，c为距离补偿系数。

第六步：点击计算机界面模块的计算按钮，计算机的测试模块将第四步和第五步的光谱响应度测量结果进行合成，得到全波段350nm～900nm的光谱响应度R′(λ_p+q)，计算机的测试模块按下式对这组光谱响应度R′(λ_p+q)进行归一化处理，从而得到快速光谱仪的相对光谱响应度R(λ_p+q)：

$R\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)=\frac{R^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}{R_{\max }\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}$

上式中，R_max(λ_p+q)为光谱响应度R′(λ_p+q)中的最大值。

采用本发明提供的方法，解决了快速光谱仪在短波输出信号很弱，无法精确测量的难题，减小了快速光谱仪在短波波段范围的光谱响应度的测量误差，提高了测量精度，实现了快速光谱仪在短波350nm～450nm光谱响应度的精确测量，通过不同波段的合成可获得全波段高精度的光谱响应度，该方法操作简单，准确性高，通用性强，为其他类型光谱仪的光谱响应度校准测试提供了技术支持。

Claims (1)

1.一种快速光谱仪短波校准中的弱信号补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一步：将标准钨带灯以及与计算机连接的快速光谱仪安装到位，使标准钨带灯的灯丝中心对准快速光谱仪的入口中心，记录此时快速光谱仪入口处所对应的标尺刻度x₀；

第二步：打开快速光谱仪、计算机和标准钨带灯的电源开关，缓慢调节标准钨带灯电流至额定电流，待标准钨带灯稳定10min后，通过计算机的界面模块，输入起始波长λ₁＝350nm、截止波长λ_n＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，沿标尺方向慢慢移动标准钨带灯，使得光谱响应曲线在波长范围450nm～900nm内的最大值接近饱和，记录此时标准钨带灯灯丝所对应的标尺刻度x₁；

第三步：沿标尺方向缓慢移动标准钨带灯，使得光谱响应曲线在波长450nm处接近饱和，记录此时标准钨带灯灯丝所对应的标尺刻度x₂；

第四步：将标准钨带灯移动到标尺刻度x₁处，通过计算机的界面模块输入起始波长λ₁＝450nm、截止波长λn＝900nm，波长间隔Δλ＝1nm，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪的一组输出电流值i₁(λp)，p＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据并根据计算机内置公式计算波长范围450nm～900nm对应的光谱响应度R₁(λ_p)；

第五步：将标准钨带灯移动到标尺刻度x₂处，通过计算机的界面模块输入起始波长λ₁＝350nm、截止波长λn＝450nm，波长间隔Δλ＝1nm，标尺刻度值x₀、x₁、x₂，然后点击开始按钮，计算机采集模块自动采集快速光谱仪输出的一组电流值i₂(λq)，q＝1，2，......，n，并将该组数据存放到计算机存储模块中，计算机中的测试模块调用存储模块中的数据及输入的参数值，并根据下列公式计算出快速光谱仪在波长范围350nm～450nm对应的光谱响应度R₂(λ_q)：

$R_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)=\frac{i_2\left({\mathrm{\λ}}_q\right)}{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_t\right)}\·c$

c＝(x₂-x₀)²/(x₁-x₀)²

其中，c为距离补偿系数；

第六步：点击计算机界面模块的计算按钮，计算机的测试模块将第四步和第五步的光谱响应度测量结果进行合成，得到全波段350nm～900nm的光谱响应度R′(λ_p+q)，计算机的测试模块按下式对这组光谱响应度R′(λ_p+q)进行归一化处理，从而得到快速光谱仪的相对光谱响应度R(λ_p+q)：

$R\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)=\frac{R^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}{R_{\max }\left({\mathrm{\λ}}_{p+q}\right)}$

上式中，R_max(λ_p+q)为光谱响应度R′(λ_p+q)中的最大值。