CN105424185A - 一种计算机辅助的全波段光谱仪波长标定方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机辅助的全波段光谱仪波长标定方法，涉及采用阵列式探测器光谱仪的波长标定方法，属于计算机辅助光谱仪波长标定技术领域。其特征在依次含有下步骤：(1)构建一个含有组合光源和计算机程序的光谱仪用波长标定系统；(2)将组合光源谱线波长，光谱仪基本参数和标定条件输入到计算机；(3)依次获取所有标定谱线的数据；(4)用不同方法对谱线数据进行谱线轮廓重建并确定峰值位置；(5)用三阶多项式拟合“峰值波长——像素位置”数据得到标定结果；(6)校验结果；(7)比较不同寻峰方法的误差程度并选出精度最高作为最终结果。本发明将标定过程进行自动化并解决了当前光谱仪波长标定存在的问题，提高了波长标定结果的精度。

Description

一种计算机辅助的全波段光谱仪波长标定方法

技术领域

本发明涉及的是工作在光学波段的阵列式探测器光谱仪的波长标定方法，属于光谱仪器波长标定技术领域。

背景技术

图1为采用阵列式探测器光谱仪的基本结构示意图。光源1发出的光经入射缝或孔2和准直镜3被准直，照射到光栅4上，光栅色散后不同波长的光束经成像镜5会聚在探测器6上不同位置形成光谱像。探测器像素将光谱像光强进行获取并转换成电信号输出，即为光谱像的谱线数据。图2所示为一条特征谱线在探测器上积分抽样的示意图，谱线像7照射在探测器9上，探测器的每个像素对投射在其上面的光进行光强积分并转换成电信号8，该电信号被换算成相应的光强信号后输出为一组离散数据点10，这些数值是谱线光强在每个对应像素上的积分值，数据采样间隔等于探测器相邻像素的间距。在光谱仪出厂时探测器各像素对应的波长值是未知的，另外在光谱仪使用过程中像素和波长之间的对应关系有时候发生变化，这两种情况都需要对光谱仪找出像素位置与波长之间的准确关系。通过波长标定过程能够确定探测器上所有像素所对应的波长值。光谱仪像素与波长值对应的关系能决定其波长测量的结果，故波长标定过程至关重要，标定结果将会直接影响到光谱仪的波长精度。

波长标定过程的思路是，采用含有已知波长的线状特征谱线的标准光源作为依据，将该光源的光信号输入到光谱仪中后获取从仪器输出的谱线数据。对数据进行处理并找出所有特征谱线的峰值所对应的像素位置11，结合于相应特征谱线的峰值波长真值12得出谱线的“峰值波长——像素位置”数据组，谱线数据如图3所示。用多项式函数拟合所述数据获得该光谱仪输出波长与像素位置之间的关系函数，依此就可以推出每个像素对应的波长值，达到波长标定的目的。另外，波长标定过程还具有标定结果校验步骤，为了检查结果的波长准确度。

进行波长标定过程首先要在光谱仪的工作波段上选择出满足标定过程所需要的已知特征谱线，所述的已知特征谱线是峰值波长为固定值并且已给定的谱线。其次是搭建标定系统并进行波长标定实验，获取谱线数据，通过处理数据后可得出标定结果。目前，波长标定方法及标定实验过程中还存在以下需要克服和改进的问题：

问题一：由于波长标定结果是由拟合“峰值波长——像素位置”数据得到，谱线数据取决于所选的标定谱线，为了能够对数据进行拟合并且能够提高标定结果的精度，在选择标定谱线时必须保证足够多的谱线数目。由于目前用于波长标定的标准光源数量有限，对于一些工作波段较窄的光谱仪很难选出合适的标准光源对其进行波长标定。

问题二：标定实验中，从探测器读出的每组数据都是一幅包含整个工作波段的谱线数据图。由于特征谱线本身的原因，探测到的谱线图中可能出现这样一种情况:当有些谱线因为强度大于探测器光强探测上限导致谱线数据发生饱和的同时也有些谱线因为强度小于探测器光强探测下限引起谱线数据混杂于噪声信号中或者不能被识别出来。这些谱线数据不能被获取甚至不能对其处理，即当出现这种情况时谱线数据是不满足测量条件的。

对于波长标定过程提高标定结果的精度是非常重要的。影响标定结果精度的因素有很多，可以归类为以下3种是:光谱仪本身误差造成的影响、实验设备造成的影响以及计算方法和近似公式的影响。各种原因的具体影响机理如下：

光谱仪本身误差造成的影响：探测器的像素间距决定其信号采样频率，如果采样频率过低则得到的谱线数据过于稀疏无法准确地重建谱线轮廓，直接影响到判定峰值像素位置；像素宽度是导致谱线展宽和谱线轮廓光滑的一个原因，这样也会影响到判定峰值像素位置；探测器的响应曲线，即工作波段上的光电转换效率曲线，其使得探测器读取的谱线轮廓形状和真值存在偏差，从而导致峰值像素位置的误差；由于光谱仪内部光路结构和光学元件本身带有的制造误差，输出谱线存在像差，这些像差会造成光谱图像歪斜，使谱线峰值位置偏移。

实验设备造成的影响，如上所述，实验中常用光纤来实现光路耦合，在光路上也可能添加了滤光片。所有光学元件本身都具有其光谱响应特征，即这些设备的光信号传递函数对不同波长是不同的，这将导致输入到光谱仪的谱线图像与光源输出时产生差异，其体现在谱线峰值位置发生偏移，相对谱线光强变化等现象。所选的实验设备的光谱响应曲线越平滑则所述误差就越小。

计算方法和近似公式的误差主要出现在两个阶段：第一，确定谱线峰值的像素位置时，如上所述光谱仪输出的谱线数据由于受到影响，谱线轮廓变得很复杂，当使用福特函数、高斯函数、洛伦兹函数或者多项式函数对其进行拟合重建时将会造成一些误差；第二，使用多项式函数来拟合“峰值波长——像素位置”数据得到波长和像素位置之间的关系函数时也会带来一定误差。

由于上述问题的存在，波长标定结果的精度将受到限制。通过采取新颖的方法结合传统波长标定理念将可以解决所述标定过程中出现的问题从而改进波长标定过程并提高标定结果的精度。

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，在已有的波长标定方法中解决存在的问题并采取措施进一步提高波长标定准确度。其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)构建一个为所述光谱仪用的计算机辅助波长标定系统，图4为该系统的示意图。系统由组合光源和计算机通过数据线和耦合光路与光谱仪连接而成，其中：

组合光源：由多个单一标准光源通过耦合光路组成，各标准光源的输出信号经过耦合光路成为一束输出光信号并输入到光谱仪。在各标准光源的输出端添加合适的滤光片为了实现如下两个功能：第一调节各标准光源的总体谱线强度之间的差距，使各光源谱线强度在耦合光束中达到均匀，有利于谱线数据获取和处理；第二，如果各标准光源的特征谱线之间出现间距小于仪器分辨率的谱线则通过滤光片截止掉其中的谱线而仅保留一条为使用，这样该谱线在输出端将不会受到其余谱线的干扰然而可用于标定。通过上述组合方法，如图5所示的光源组合原理，组合光源输出信号将含有所述各标准光源的所有特征谱线，这些谱线间隔都大于仪器分辨率并且覆盖整个光学波长范围。因此组合光源可以对工作在任意光学波段的光谱仪提供能够用于波长标定的特征谱线。

通过上述的光源组合过程可以将不同标准光源的特征谱线组合，这样能增加一个波长范围上的特征谱线数据，合理的组合标准光源可以对不同工作波段的光谱仪提供足够用于标定的特征谱线。

计算机，设有：控制模块、波长标定模块和记录显示驱动模块以及各单一标准光源的开关控制信号输出端、光谱仪探测器控制信号输出端、光谱仪输出光谱信号输入端。计算机程序执行大部分标定步骤，包括：获取仪器初始参数、选择标准光源并控制光源的开关、控制光谱仪的探测器并从光谱仪获取谱线数据、对数据进行谱线寻峰、“峰值波长——像素位置”数据拟合、校验标定结果、比较不同寻峰方法之间结果的误差最后是标定结果的记录和显示。

所述系统实现波长标定过程所有步骤的具体实施方式如下：

步骤(2)计算机初始化，输入初始参数及条件：

在构建波长标定系统时，组合光源中所选的标准光源的特征谱线波长值是已知的，将这些波长值存入计算机作为一个标定用的特征谱线库。

光谱仪连接到标定装置后，计算机程序将获取相关的仪器参数，包括：工作波长范围、探测器分辨率、探测器的积分时间范围及积分时间调节步长；探测器的光强探测范围，探测范围下限大于噪声信号值，上限小于探测器光强饱和值。

另外，在标定之前需要设定选择标定谱线的条件，包括：谱线的最小间隔，间隔不能小于光谱仪分辨率；标定谱线数目要大于等于5条。

步骤(3)计算机程序从组合光源所包含的特征谱线库中筛选出处于光谱仪工作波长范围的谱线以及其相应的标准光源，计算机通过控制光源开关将所选标准光源点开，各光源输出信号经过光路耦合输入到光谱仪，从已选标准光源的所有特征谱线选出符合步骤(2)中所述的标定谱线选择条件的谱线，并将所选标定谱线分为两组：第一组是用来拟合得出标定结果，以下称为拟合标定谱线组λ_i，谱线数目i大于等于4；第二组是用来检验标定结果的误差程度，以下称为校验谱线组λ_j。

步骤(4)在光谱仪输出的谱线数据图中，对所选的标定谱线从左到右依次进行扫描获取数据，具体获取谱线数据的方法是：计算机对谱线光强信号进行判定，当谱线光强处于探测器光强探测范围则保持探测器探测条件不变；若谱线光强信号超过探测器光强探测范围上限值则通过探测器控制端减小探测器的积分时间或增益使谱线输出信号减弱直至处于探测器光强探测范围；若谱线光强信号小于探测器光强探测范围下限值则又通过探测器控制端增大探测器的积分时间或增益使谱线输出信号增强直至处于探测器光强探测范围。

传统的谱线数据获取方法是一次性获取整个工作波长范围上的特征谱线，而上述的方法是依次对每条谱线进行获取。其优点在于，所获取到的特征谱线数据都满足探测条件，不会出现饱和或者无法辨别的现象。

步骤(5)采用福特函数拟合步骤(4)中每条谱线的数据重建谱线轮廓并确定谱线峰值所对应的像素位置x，谱线的拟合重建过程如图6所示。将谱线像素位置x结合谱线的峰值波长λ得到“峰值波长——像素位置”数据组(λ-x)。

步骤(6)从步骤(5)中的数据组选出拟合标定谱线组λ_i所对应的“峰值波长——像素位置”数据组(λ_i-x_i)，用三阶多项式拟合该数据组得出峰值波长与像素位置之间的关系函数：λ＝f(x)，该函数即波长标定的结果。图7为拟合“峰值波长——像素位置”数据过程的示意图。

步骤(7)从步骤(5)中的数据组选择出校验谱线组λ_j所对应的峰值像素位置x_j代入到步骤(6)中波长标定结果，得出峰值标定波长λ_j’＝f(x_j)，同一谱线的峰值波长与标定波长之差的绝对值为对应该谱线的波长标定误差Δλ_j＝|λ_j’-λ_j|，所有校验谱线对应的波长标定误差的最大值为该标定过程的最大波长误差Δλ，图8为校验过程原理图。

步骤(8)将步骤(5)中拟合重建谱线轮廓所用的福特函数换成多项式函数，并进行同样步骤(6)，(7)并得到对应该方法的波长标定结果和对应的最大波长误差值，将该误差值与之前的误差值进行比较，选择误差更小的误差值对应的方法为最优的谱线轮廓拟合方法，并且对应的波长标定结果作为最终的结果。

波长标定过程中通常用福特函数、高斯函数、洛伦兹函数或者多项式函数来拟合谱线数据得到近似的谱线轮廓。这几种方法各有特点：使用福特曲线(或高斯，洛伦兹曲线)是出发于谱线理想形状的考虑，通过拟合过程去除实际谱线所受到的影响，该方法适合受到影响较小的谱线轮廓；使用多项式函数进行拟合是直接针对实际的谱线数据，而不需要考虑谱线的理论形状和特征，该方法的适应性比强可以普遍运用。由于影响谱线数据的因素比较复杂，实际中对不同光谱仪的特点很难判定这些方法中哪种精度更高，哪种更适合去拟合其谱线轮廓。所提出的方法是分别都采用这些方法，最后通过比较波长标定结果的误差选出精度更高的作为最终的结果，如此可以改善标定过程，提高标定结果精度。

由于校验过程中得出的最大波长标定误差能够代表标定结果的误差程度。通过比较不同寻峰方法带来的标定结果的误差程度可以选出最优的方法，从而改善标定结果的精度。

步骤(9)计算机将该结果同最大波长误差进行显示并记录。

本发明介绍了一个波长标定系统的实现流程，其中提出新方法解决当前波长标定技术存在的一些问题，改善波长标定方法并提高了波长标定结果的精度。同时，使传统标定过程能够结合于计算机程序实现自动、快速的波长标定过程。图9为波长标定过程的示意图，其包含波长标定过程的基本步骤。图10为本发明的程序流程框图。

附图说明

图1.线阵探测器光谱仪的结构图。

图2.一条特征谱线在探测器积分抽样示意图。

图3.谱线峰值波长及其对应像素位置。

图4.波长标定系统示意图。

图5.标准光源特征谱线组合原理图。

图6.谱线轮廓重建过程：a)谱线轮廓的离散数据；b)谱线轮廓重建曲线。

图7.谱线峰值波长-像素位置数据拟合过程图。

图8.波长校验过程原理图。

图9.波长标定过程示意图。

图10.本发明的程序流程框图。

图11.光谱仪输出谱线强度差距的具体案例。

图12.通过本发明的方法获取谱线数据结果。

具体实施方式

本发明的内容主要针对所述的标定谱线的选择、谱线数据的获取以及数据的处理这三个问题进行分析并采取相应的方法来解决或改进，具体如下：

第一，标定谱线的选择，通过光路耦合方法将具有不同特征谱线的标准光源组合起来，得到组合光源。如此组合光源的输出信号将具有已选光源的所有特征谱线。通过组合光源能够增加用于波长标定的特征谱线的数目，达到满足波长标定过程的条件。组合合适的标准光源可对任意工作波段的光谱仪进行标定。

第二，谱线数据的获取，如上所述关于谱线强度相差引起所有特征谱线不能同时处于探测器测量范围内导致不能一次同时获取波段上的所有谱线数据，提出了分组采集数据方法来解决该问题。该方法将依次对每条特征谱线，依据其强度个性化的调整探测条件使其强度处于探测范围，然后获取该谱线的数据。

图11所示为使用美国海洋光学公司生产的Hg-1汞氩标准光源和USB4000(200-500nm)微型光谱仪(其中使用数据读取软件SpectraSuite)在探测器积分时间为5ms条件下所获得的特征谱线图，图中253.652nm谱线因为强度较大，谱线数据已经发生饱和，同时302.150nm和334.148nm谱线却因为强度较小，其强度跟周围的噪声信号几乎混杂，这样很难分辨出这些谱线数据。通过采用本发明所述的谱线数据获取方法可以解决该问题。图12为同样对美国海洋光学公司的Hg-1光源和USB4000光谱仪(使用SpectraSuite数据读取软件)并采用所述的谱线数据获取方法得到的谱线图。如图所示，整个工作波长范围的特征谱线强度都已处于探测器响应范围，通过该方法已经解决了如图11中所示的谱线饱和或不能识别的现象。

第三，谱线数据的寻峰，通过拟合谱线数据来重建原始谱线轮廓以确定谱线峰值位置是目前所有寻峰方法中精度最高的方法。拟合完谱线轮廓之后进行寻峰并完成后续的标定步骤，比较各方法最终所得到标定结果的误差程度，并选择误差最小的结果作为最优标定结果。

比如，对美国海洋光学公司生产的一台USB4000微型光谱仪进行波长标定，工作波段为488-1161nm，选出可用于标定的谱线有14条，波长分别为546.074、696.543、706.722、714.704、727.294、738.393、763.511、772.376、794.818、826.452、852.144、866.794、912.297、922.450单位为nm。分别使用高斯拟合法和多项式拟合法来拟合谱线轮廓以寻找峰值位置，用三阶多项式函数来拟合“峰值波长——像素位置”数据得出对应的标定结果。最后得出用高斯拟合法对应的标定结果的最大波长误差为0.029nm而用多项式函数拟合法的是0.027nm，多项式函数拟合法带来的结果比高斯拟合法的精度更高故选择其相应的结果为最终结果。

Claims (1)

1.一种计算机辅助的全波段光谱仪波长标定方法，待标定光谱仪以下简称光谱仪为工作在任意波段的阵列式探测器光谱仪，其特征在于，所述方法借助于计算机辅助程序，使用已知线状特征谱线对光谱仪自动进行波长标定过程，具体步骤如下：

步骤(1)构建一个为所述光谱仪用的计算机辅助波长标定系统，以下简称系统，系统由组合光源和计算机通过数据线和耦合光路与光谱仪连接而成，其中：

组合光源：由多个单一标准光源通过耦合光路组成，各标准光源的输出信号经过耦合光路成为一束输出光信号并输入到光谱仪，组合光源输出信号含有所述各标准光源的所有特征谱线并覆盖整个光学波长范围，能够对工作在任意光学波段的光谱仪提供用于波长标定的特征谱线，以下简称标定谱线，

计算机，设有：控制模块、波长标定模块和记录显示驱动模块以及各单一标准光源的开关控制信号输出端、光谱仪探测器控制信号输出端、光谱仪输出光谱信号输入端，

步骤(2)计算机初始化，输入：

已知各标准光源的特征谱线，即组合光源所包含的特征谱线，

所述光谱仪的下述参数：工作波长范围、探测器的积分时间范围及积分时间调节步长；探测器的光强探测范围，探测范围下限大于噪声信号值，上限小于探测器光强饱和值，

标定谱线的筛选条件：谱线的最小间隔，不小于光谱仪分辨率；谱线数目要大于等于5，

步骤(3)计算机程序从组合光源所包含的特征谱线中筛选出处于光谱仪工作波长范围的谱线以及其相应的标准光源，计算机通过控制光源开关将所选标准光源点开，各光源输出信号经过光路耦合输入到光谱仪，从已选标准光源的所有特征谱线选出符合步骤(2)中所述的标定谱线选择条件的谱线，并将所选标定谱线分为两组：第一组是用来拟合得出标定结果，以下称为拟合标定谱线组λ_i，谱线数目i大于等于4；第二组是用来检验标定结果的误差程度，以下称为校验谱线组λ_j，

步骤(4)在光谱仪输出的谱线数据图中，对所选的标定谱线从左到右依次进行扫描获取数据，具体获取谱线数据的方法是：计算机对谱线光强信号进行判定，当谱线光强处于探测器光强探测范围则保持探测器探测条件不变；若谱线光强超过探测器光强探测范围上限值则减小探测器的积分时间或增益使谱线输出信号减弱直至处于探测器光强探测范围；若谱线光强小于探测器光强探测范围下限值则增大探测器的积分时间或增益使谱线输出信号增强直至处于探测器光强探测范围，获取所有标定谱线的数据后，将这些数据按其在探测器上的像素位置进行排列并融合成工作波段上完整的谱线数据图，

步骤(5)采用福特函数拟合步骤(4)中每条谱线的数据重建谱线轮廓并确定谱线峰值所对应的像素位置x，结合谱线的峰值波长λ得到“峰值波长——像素位置”数据组(λ-x)，

步骤(6)从步骤(5)中的数据组选出拟合标定谱线组λ_i所对应的“峰值波长——像素位置”数据组(λ_i-x_i)，用三阶多项式拟合该数据组得出峰值波长与像素位置之间的关系函数：λ＝f(x)，该关系函数即波长标定的结果，

步骤(7)从步骤(5)中的数据组选择出校验谱线组λ_j所对应的峰值像素位置x_j代入到步骤(6)中波长标定结果，得出峰值标定波长λ_j’＝f(x_j)，同一谱线的峰值波长与峰值标定波长之差的绝对值为对应该谱线的波长标定误差Δλ_j＝|λ_j’-λ_j|，所有校验谱线对应的波长标定误差的最大值为该标定过程的最大波长误差Δλ，

步骤(8)将步骤(5)中所用的福特函数拟合换成多项式拟合，并进行同样步骤(6)，(7)最后得到另一个波长标定结果和对应的最大波长误差值，将该误差值与之前的误差值进行比较，选择误差更小的误差值对应的方法为最优的谱线轮廓拟合方法，并且对应的波长标定结果作为最终的结果，

步骤(9)计算机将该结果同最大波长误差进行显示并记录。