CN104344890B - 微弱光信号光谱的快速测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微弱光信号光谱的快速测试装置及方法，在分光型光谱测量系统的光源光谱功率分布测试方法的基础上，采用面阵CCD替代原有的线阵CCD，可以对微弱光信号同时完成多次测量，通过对测量结果的处理，可以提高输出信号的强度，同时又去除了随机噪声，实现了微弱光信号光谱功率分布的快速测量。本发明微弱光信号光谱快速测量方法测量速度快，精度高，操作简单，通用性强，为其他类型光谱仪的光谱测试提供了技术支持。

Description

微弱光信号光谱的快速测试装置及方法

技术领域

本发明属于光学计量与测试领域，主要涉及一种光源光谱分布的测试方法，尤其涉及一种微弱光信号相对光谱功率分布的快速测试装置及方法。

背景技术

光谱测量系统一般可分为干涉型光谱测量系统和分光型光谱测量系统两类，其中干涉型光谱测量系统是通过傅立叶变换获得信号光的光谱信息，特别适合微弱光信号的探测，但在实际应用中，干涉型光谱测量系统结构复杂，成本高；而分光型光谱测量系统是基于棱镜或光栅分光原理，把待测光按波长分开，对不同波长的光信号进行探测，获得信号的光谱特征，通常采用线阵CCD进行光谱测试，目前在外场光谱测量中，出现了越来越多的微弱信号光谱的快速测量需求，对于微弱光信号，线阵CCD一般采用增加积分时间的办法进行测量，且每次只能采集一组光谱信息，无法满足测量的精度要求，要实现高精度测量，必须对多次测量结果取平均值，这样就增加了测量的时间，不能满足现场实时快速测量的要求，因此，对于分光型光谱测量系统，目前，还没有见到有关微弱光信号光谱快速测量方法的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对目前微弱光信号光谱快速测量的难题，提供了一种微弱光信号光谱的快速测量装置及方法，该方法采用面阵CCD采集微弱光谱信息，通过对信号的处理，增大原有弱信号，同时又去除了随机噪声，提高了信噪比，减小了测量误差，提高了测量精度。

本发明的技术方案为：

所述一种微弱光信号光谱的快速测试装置，其特征在于：包括光学平台、标准灯、光栅分光系统、带有面阵CCD探测器的光谱数据采集系统和计算机数据处理系统；光栅分光系统和带有面阵CCD探测器的光谱数据采集系统安装在光学平台上，且光学平台上安装有升降平台，升降平台位于光栅分光系统的入射狭缝一侧；标准灯和待测光源均能够安装在升降平台上；标准灯或待测光源发出的光首先进入光栅分光系统，形成一系列按波长排列的光谱信号，光谱信号投射在光谱数据采集系统的面阵CCD探测器上，面阵CCD探测器把接收到的光谱信号转换为电信号输出给计算机数据处理系统。

所述一种微弱光信号光谱的快速测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将标准灯放置在升降平台上，调节升降平台位置，使得标准灯的灯丝中心对准光栅分光系统的入射狭缝中心；打开标准灯开关，缓慢调节标准灯电流至额定电流，待标准灯稳定10分钟后，通过计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数；

步骤2：缓慢关闭并移开标准灯，将待测光源安装在升降平台上，调节升降平台位置，使得待测光源的灯丝中心对准光栅分光系统的入口狭缝中心；打开待测光源，通过计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V′(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数；

步骤3：计算机数据处理系统调用存储的测量数据和已知数据，并对测量数据进行以下处理：

$S(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)=\frac{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)}{V(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)}$

Φ(x_i,λ_j)＝S(x_i,λ_j)·V′(x_i,λ_j)

${\mathrm{\Φ}}^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Φ}(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)$

式中，Φ(λ_j)是标准灯在j点波长上的光谱辐射功率，通过调用标准光谱辐射功率表获得；Φ′(λ_j)是待测光源在j点波长上的光谱辐射功率；

步骤4：按照公式

对步骤3得到的待测光源在j点波长上的光谱辐射功率进行归一化，得到微弱光源全波段的相对光谱功率分布；其中Φ'_max(λ₀)为Φ'(λ_j)，j＝1,2,……,m，中的最大值。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在：

本发明微弱光信号光谱快速测试方法采用的面阵CCD探测器，可同时对微弱光信号进行多次测量，实现了光源光谱功率分布的快速测试，因此本发明具有测量速度快的特点；由于输出的多组测试数据，经过计算机数据处理系统的叠加等数据处理，提高了输出信号的强度，使待测光信号增大，去除了随机误差，因此具有信噪比高、测量精度高的特点；该方法操作简单，适用于各类分光型测量系统，因此，通用性强，为其他类型光谱仪的光谱测试提供了技术支持。

附图说明

图1是微弱光信号光谱快速测量方法原理图。

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。

为了实现微弱光信号光谱的快速测量，本发明的总体构思是，采用面阵CCD对微弱光信号的光谱同时进行多次测量，提高测量速度，然后将多次测量结果进行叠加，增加了输出信号的强度，提高了信噪比，最后对测量结果进行归一化。这样就实现微弱光信号相对光谱功率分布的精确测量，满足了微弱光信号光谱快速测量的需求。

本实施例中微弱光信号光谱的快速测试装置包括光学平台、标准灯、光栅分光系统、带有面阵CCD探测器的光谱数据采集系统和计算机数据处理系统。光栅分光系统和带有面阵CCD探测器的光谱数据采集系统安装在光学平台上，且光学平台上安装有升降平台，升降平台位于光栅分光系统的入射狭缝一侧；标准灯和待测光源均能够安装在升降平台上。

标准灯或待测光源发出的光首先进入光栅分光系统，经过光栅分光系统的准直、色散，把接收到的复合光衍射分解为光谱，形成一系列按波长排列的光谱信号。光谱数据采集系统中的面阵CCD位于光栅分光系统的出射焦面上，光谱信号投射在光谱数据采集系统的面阵CCD探测器上，面阵CCD将在光谱面上并行排列的光谱带转换成为与光谱分布强弱成正比的电信号输出给计算机数据处理系统。

计算机数据处理系统内置有测量软件包，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；显示窗口用于实时显示光谱功率分布测试结果的曲线。存储模块中保存了标准灯的光谱辐射功率表，本实施例中，该表是在标准钨带灯350nm～900nm波长范围内以△λ为步长所对应的一组标准光谱辐射功率Φ(λ_j)，其中，λ1＝350nm，λm＝900nm，△λ＝1nm(j＝1,2,……,m)；采集模块的功能是采集面阵CCD的输出信号并保存在存储模块中；测试模块是对面阵CCD的输出信号进行相应的处理，得到微弱光信号的相对光谱分布测试结果。

采用上述装置实现微弱光信号光谱快速测量的具体步骤如下：

步骤1：将标准灯，本实施例采用钨带灯，放置在升降平台上，调节升降平台位置，使得标准灯的灯丝中心对准光栅分光系统的入射狭缝中心；打开光栅分光系统、计算机和标准灯的电源开关，光栅分光系统和计算机自动进行初始化后，缓慢调节标准灯电流至额定电流，待标准灯稳定10分钟后，通过计算机的界面模块，输入起始波长λ₁＝350nm、截止波长λ_n＝900nm，波长间隔△λ＝1nm，然后点击开始按钮，计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数。

步骤2：缓慢关闭并移开标准灯，将待测光源安装在升降平台上，调节升降平台位置，使得待测光源的灯丝中心对准光栅分光系统的入口狭缝中心；打开待测光源，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△λ＝1nm，然后点击开始按钮，计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V′(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数。

步骤3：计算机数据处理系统调用存储的测量数据和已知数据，并对测量数据进行以下处理：

$S(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)=\frac{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)}{V(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)}$

Φ(x_i,λ_j)＝S(x_i,λ_j)·V′(x_i,λ_j)

${\mathrm{\Φ}}^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Φ}(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)$

式中，Φ(λ_j)是标准灯在j点波长上的光谱辐射功率，通过调用标准光谱辐射功率表获得；Φ′(λ_j)是待测光源在j点波长上的光谱辐射功率。

步骤4：击计算机界面模块的计算按钮，计算机的测试模块将步骤3得到的待测光源的光谱功率分布测量结果按下式进行归一化处理，

得到微弱光源全波段的相对光谱功率分布；其中Φ'_max(λ₀)为Φ'(λ_j)，j＝1,2,……,m，中的最大值。

将微弱光源全波段的相对光谱功率分布以电子表格的形式存储起来，同时以光谱波长λ位横坐标，相对光谱功率分布Φ_被测(λ_j)为纵坐标，绘制出待测光源的相对光谱功率分布曲线。

采用本发明提供的方法，解决了微弱光信号光谱快速测量的难题，提高了输出信号的强度，同时又去除了随机噪声，提高了信噪比，减小了测量误差，提高测量精度，实现了光谱功率分布的精确测量，该方法测量速度快，操作简单，准确性高，通用性强，不仅适用于光栅型光谱测量系统，同时为其他类型光谱测量系统的微弱光信号光谱的快速测量提供了技术支持。该方法可用于实验室和野外环境条件下各种微弱光源光谱的快速测试，不仅能够完成微弱光信号相对光谱功率分布参数的快速测试，同时对其他光谱参数的测试有一定的指导意义。

Claims (1)

1.一种微弱光信号光谱快速测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将标准灯放置在升降平台上，调节升降平台位置，使得标准灯的灯丝中心对准光栅分光系统的入射狭缝中心；打开标准灯开关，缓慢调节标准灯电流至额定电流，标准灯发出的光首先进入光栅分光系统，形成一系列按波长排列的光谱信号，光谱信号投射在光谱数据采集系统的面阵CCD探测器上；待标准灯稳定10分钟后，通过计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数；

步骤2：缓慢关闭并移开标准灯，将待测光源安装在升降平台上，调节升降平台位置，使得待测光源的灯丝中心对准光栅分光系统的入口狭缝中心；打开待测光源，待测光源发出的光首先进入光栅分光系统，形成一系列按波长排列的光谱信号，光谱信号投射在光谱数据采集系统的面阵CCD探测器上；通过计算机数据处理系统采集并存储面阵CCD探测器各像元输出的电压信号V′(x_i,λ_j)，其中i＝1,2,……,n；j＝1,2,……,m，n、m分别对应面阵CCD探测器n×m像元的行数和列数；

步骤3：计算机数据处理系统调用存储的测量数据和已知数据，并对测量数据进行以下处理：

$S(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)=\frac{\mathrm{\Φ}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)}{V(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)}$

Φ(x_i,λ_j)＝S(x_i,λ_j)·V′(x_i,λ_j)

${\mathrm{\Φ}}^{\′}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\Φ}(x_i,{\mathrm{\λ}}_j)$

式中，Φ(λ_j)是标准灯在j点波长上的光谱辐射功率，通过调用标准光谱辐射功率表获得；Φ′(λ_j)是待测光源在j点波长上的光谱辐射功率；

步骤4：按照公式

对步骤3得到的待测光源在j点波长上的光谱辐射功率进行归一化，得到微弱光源全波段的相对光谱功率分布；其中Φ'_max(λ₀)为Φ'(λ_j)，j＝1,2,……,m，中的最大值。