CN106092320B - 一种长波红外光谱仪的光谱定标方法 - Google Patents

一种长波红外光谱仪的光谱定标方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种长波红外光谱仪的光谱定标方法，包括：通过所述光谱仪采集黑体处于N个温度值下的测试数据；其中，在第i温度值Ti下所述黑体的测试数据为S1,i，i＝1,…N，N为大于1的整数；将聚丙烯薄膜包覆在所述黑体表面，以构成第二测试体；并且，在黑体处于N个温度值时，通过所述光谱仪采集第二测试体的测试数据；其中，在第i温度值下第二测试体的测试数据为S2,i；根据N个温度值下黑体的测试数据、以及第二测试体的测试数据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。本发明的方法，通过选用聚丙烯材料对长波红外光谱仪进行定标，具有单次定标精度高、定标材料稳定性好、定标成本低等优点。而且，通过采集多个温度下的测试数据进行定标，进一步提高了定标精度。

Description

一种长波红外光谱仪的光谱定标方法
技术领域
本发明涉及光谱定标领域，尤其涉及一种长波红外光谱仪的光谱定标方法。
背景技术
光谱设备的定标是光谱设备定量化应用的一个重要环节，其主要包括光谱定标和辐射定标。其中，光谱定标是指测量光谱仪随入射波波长变化的响应，其主要目的是确定探测器不同光谱通道中心波长的位置以及光谱分辨率的大小。光谱定标是保证光谱仪真实有效的获得地物目标光谱的首要工作，是光谱仪定量化应用的关键。
利用物质特征谱线对光谱仪进行定标是一种方便快捷的光谱定标方法。作为光谱定标的材料，首先应具有尖锐且较强烈的吸收峰，以避免定标材料的吸收峰被其他物质的光谱所掩盖，进而便于确定光谱位置。其次，定标材料应具备稳定的化学性质，以在较高温度、湿度、强光照射等恶劣条件下也能保持稳定，从而满足各种应用条件下的定标需求。
鉴于此，本发明提出了一种对长波红外光谱仪的光谱定标方法，以满足长波红外光谱仪的定标需求。
发明内容
本发明提出了一种长波红外光谱仪的光谱定标方法，以实现定标需求。进一步的，本发明的定标方法简单、定标成本低，尤其适用于缺少定标设备、或不便进行多光源定标的外场环境仪器标定工作中。
本发明的长波红外光谱仪的光谱定标方法，包括：S1、通过所述光谱仪采集黑体处于N个温度值下的测试数据；其中，在第i温度值Ti下所述黑体的测试数据为S1,i，i＝1,…N，N为大于1的整数；
S2、将聚丙烯薄膜包覆在所述黑体表面，以构成第二测试体；并且，在黑体处于N个温度值时，通过所述光谱仪采集第二测试体的测试数据；其中，在第i温度值下第二测试体的测试数据为S2,i；
S3、根据N个温度值下黑体的测试数据、以及第二测试体的测试数据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。
优选的，所述光谱仪为干涉型长波红外光谱仪，所述测试数据具体为干涉数据。
优选的，步骤S3包括：S31、对N个温度值下黑体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下黑体的光谱数据；对N个温度值下第二测试体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下第二测试体的光谱数据；其中，在第i温度下黑体的光谱数据为L1,i、在第i温度下第二测试体的光谱数据为L2,i；
S32、在每一温度值下，对第二测试体以及黑体的光谱数据取差值，以获取聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线，并且，根据所述位置曲线确定每一特征吸收峰的位置坐标；其中，在第i温度下第j个特征吸收峰的位置坐标为ri,j，j＝1,2,3；
S33、对于每一特征吸收峰，计算其在N个温度下的位置坐标的平均值
S34、根据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。
优选的，步骤S34包括：根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、二个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第二个特征吸收峰的标定光谱位置；根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、三个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第三个特征吸收峰的标定光谱位置。
优选的，根据公式2确定第二、三个特征吸收峰的标定光谱位置；
式中，vk为第k个特征吸收峰的标定光谱位置，k为2或3。
优选的，温度值Ti满足：
30℃≤Ti≤100℃。
优选的，所述黑体的辐射面尺寸为8cm×8cm，发射率为0.96，最高温度为100℃。
优选的，N＝3，T1＝60°，T2＝70°，T3＝80°。
在本发明的技术方案中，长波红外光谱仪的光谱定标方法主要包括：通过所述光谱仪采集黑体处于N个温度值下的测试数据；将聚丙烯薄膜包覆在所述黑体表面，以构成第二测试体；并且，在黑体处于N个温度值时，通过所述光谱仪采集第二测试体的测试数据；根据N个温度值下黑体的测试数据、以及第二测试体的测试数据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。本发明的方法，通过选用聚丙烯材料对长波红外光谱仪进行定标，具有单次定标精度高、定标材料稳定性好、定标成本低等优点。而且，通过采集多个温度下的测试数据进行定标，进一步提高了定标精度。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是本发明实施例中的长波红外光谱仪的光谱定标方法流程图；
图2是实施例中60℃时聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线；
图3是实施例中70℃时聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线；
图4是实施例中80℃时聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
针对长波红外光谱仪的光谱定标需求，本发明提供了一种长波红外光谱仪的定标方法。本发明的定标方法具有单次定标精度高、定标材料稳定性好、定标成本低等优点。本发明的定标方法尤其适用于缺少定标设备、或不便进行多光源定标的外场环境仪器标定工作中。
下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。图1为本发明实施例中的长波红外光谱仪的光谱定标方法流程图。从图1可见，所述方法包括：
步骤S1、通过所述光谱仪采集黑体处于N个温度值下的测试数据；其中，在第i温度值Ti下所述黑体的测试数据为S1,i，i＝1,…N，N为大于1的整数。在本发明实施例中，所用的长波红外光谱仪的波长范围为8-11μm。
在步骤S1中，我们首先启动待定标的长波红外光谱仪，并对所述光谱仪进行初始化设置。比如，设置光谱分辨率、设置积分时间等。然后，通过该光谱仪对处于不同温度值下的黑体进行测试，以获取测试数据。具体的，我们可以将待测黑体升温至第一温度值，待黑体温度稳定后，通过该光谱仪采集测试数据。然后，我们将待测黑体升温至第二温度，待黑体温度稳定后，通过该光谱仪采集测试数据。以此类推，我们将待测黑体升温至第N温度，待黑体温度稳定后，通过该光谱仪采集测试数据。在具体实施时，N、Ti的取值可根据实际需求进行确定。较佳的，温度值Ti满足：30℃≤Ti≤100℃。
步骤S2、将聚丙烯薄膜包覆在所述黑体表面，以构成第二测试体；并且，在黑体处于N个温度值时，通过所述光谱仪采集第二测试体的测试数据；其中，在第i温度值下第二测试体的测试数据为S2,i。
在本实施例中，我们选用聚丙烯材料进行光谱定标。聚丙烯材料由于存在[CH2CH(CH3)]n化学键，因此其存在三个较强的特征吸收峰。并且，聚丙烯材料的性能稳定，不易受高温、强光等恶劣条件的影响。有鉴于此，本发明选用聚丙烯材料对长波红外光谱仪进行光谱定标。
具体地，在步骤S2中，当黑体处于第一温度时，我们将聚丙烯薄膜包覆在黑体表面，并通过该光谱仪采集其在该温度下的测试数据。当黑体处于第二温度时，我们将聚丙烯薄膜包覆在黑体表面，并通过该光谱仪采集其在该温度下的测试数据。以此类推，当黑体处于第N温度时，我们将聚丙烯薄膜包覆在黑体表面，并通过该光谱仪采集其在该温度下的测试数据。
在具体实施时，步骤S1、S2的顺序可以进行调整。比如，在第一温度下，我们可以先采集黑体的测试数据，再采集第二测试体的测试数据。或者，在第一温度下，我们可以先采集第二测试体的测试数据，再采集黑体的测试数据。
步骤S3、根据N个温度值下黑体的测试数据、以及第二测试体的测试数据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。其中，根据长波红外光谱仪的类型不同，步骤S3的具体实施方式也不同。下面我们以干涉型长波红外光谱仪为例，对步骤S3进行详细说明。
干涉型光谱仪，又称傅里叶变换式光谱仪，其定标原理如下：在干涉型光谱仪中，系统直接采集的是干涉数据，或称为干涉图。若在干涉图中包含n个波数成分：v1、v2…vn，则经过傅里叶变换后，在频域空间与波数成分对应的位置为：X1、X2、…Xn。由于干涉光程差是线性变化的，所以傅里叶变换后的波数成分的位置也是线性分布的，并具有如下比例关系：
由公式3可见，在光谱标定中，如果已知波数的零点位置，则仅需要已知其中一条波长(波数)的谱线位置，即可根据公式3确定其他波长(波数)的位置。如果确定了两条谱线的位置，则不需要已知波数的零点也能标定其他波数的位置。
在本实施例中，当所述光谱仪为干涉型长波红外光谱仪，步骤S3包括：
步骤S31、对N个温度值下黑体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下黑体的光谱数据；对N个温度值下第二测试体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下第二测试体的光谱数据；其中，在第i温度下黑体的光谱数据为L1,i、在第i温度下第二测试体的光谱数据为L2,i。
步骤S32、在每一温度值下，对第二测试体以及黑体的光谱数据取差值，以获取聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线，并且，根据所述位置曲线确定每一特征吸收峰的位置坐标；其中，在第i温度下第j个特征吸收峰的位置坐标为ri,j，j＝1,2,3。
步骤S33、对于每一特征吸收峰，计算其在N个温度下的位置坐标的平均值
步骤S34、根据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。
具体地，步骤S34包括：根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、二个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第二个特征吸收峰的标定光谱位置；根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、三个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第三个特征吸收峰的标定光谱位置。其中，确定第二、三个特征吸收峰的标定光谱位置所用的公式2如下：
式中，vk为第k个特征吸收峰的标定光谱位置，k为2或3。
在本实施例中，我们具体选用了聚丙烯材料薄膜对干涉型长波红外光谱仪进行光谱定标。通过分别测量多组温度下的黑体、以及将聚丙烯薄膜包覆在黑体上构成的第二测试体的干涉数据，并且对干涉数据进行傅里叶变换，得到了多组温度下黑体及第二测试体的光谱数据，然后，通过对同一温度下第二测试体及黑体的光谱数据求差值，获得了聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置坐标，并通过光谱定标原理计算特征吸收峰的标定光谱位置。进一步的，将标定光谱位置与聚丙烯材料的标准谱线，即参考谱线位置进行比较，以实现光谱位置定标以及定标精度的确定。本实施例具有单次定标精度高、定标材料稳定性好、定标成本低等优点。而且，通过采集多个温度下的测试数据进行定标，进一步提高了定标精度。
为了对以上干涉型长波红外光谱仪的定标过程进行更进一步的说明，下面给出一个更为具体的实施例。
在该具体实施例中，待定标的干涉型长波红外光谱仪的波长范围为8～11μm，最高光谱分辨率为0.25cm-1，并且选用辐射面尺寸为8cm×8cm、最高温度为100℃、发射率为0.96的面源黑体。
在该具体实施例中，我们在60℃、70℃、80℃的温度值下分别对黑体、包覆薄膜聚丙烯薄膜的黑体进行了干涉数据测量。并且，通过对干涉数据进行快速傅里叶变换，得到了60℃、70℃、80℃下的光谱数据。然后，通过对包覆薄膜聚丙烯薄膜的黑体、以及黑体的光谱数据求差值，获得了聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线，如图2、3、4所示。在图2、3、4中，横坐标是采样坐标，纵坐标是强度。通过对图2-4所示的三组温度下的特征吸收峰的位置坐标取平均，我们得到了三个特征吸收峰的位置坐标均值，分别为378、388、453。
在该具体实施例中，根据光谱定标原理，如果第378点在长波红外波段范围内对应的参考光谱位置为973cm-1，则由公式2可计算出第388点对应的波数为(973/378)×388＝998cm-1，第453点对应的波数为(973/378)×453＝1166cm-1。在计算得到聚丙烯薄膜的特征吸收峰的标定光谱位置以后，我们将其与聚丙烯材料的标准谱线进行对比，进而实现干涉型长波红外光谱仪的光谱位置定标。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对所述示例性实施方式做出各种改变。

Claims (8)

1.一种长波红外光谱仪的光谱定标方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、通过所述光谱仪采集黑体处于N个温度值下的测试数据；其中，在第i温度值Ti下所述黑体的测试数据为S1,i，i＝1,…N，N为大于1的整数；
S2、将聚丙烯薄膜包覆在所述黑体表面，以构成第二测试体；并且，在黑体处于N个温度值时，通过所述光谱仪采集第二测试体的测试数据；其中，在第i温度值下第二测试体的测试数据为S2,i；
S3、根据N个温度值下黑体的测试数据、以及第二测试体的测试数据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光谱仪为干涉型长波红外光谱仪，所述测试数据具体为干涉数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、对N个温度值下黑体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下黑体的光谱数据；对N个温度值下第二测试体的干涉数据进行傅里叶变换，以获取N个温度值下第二测试体的光谱数据；其中，在第i温度值下黑体的光谱数据为L1,i、在第i温度值下第二测试体的光谱数据为L2,i；
S32、在每一温度值下，对第二测试体以及黑体的光谱数据取差值，以获取聚丙烯薄膜的特征吸收峰的位置曲线，并且，根据所述位置曲线确定每一特征吸收峰的位置坐标；其中，在第i温度值下第j个特征吸收峰的位置坐标为ri,j，j＝1,2,3；
S33、对于每一特征吸收峰，计算其在N个温度值下的位置坐标的平均值
S34、根据对所述光谱仪的光谱位置进行定标。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S34包括：根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、二个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第二个特征吸收峰的标定光谱位置；
根据第一个特征吸收峰的参考光谱位置ν1,0、以及第一、三个特征吸收峰的位置坐标的平均值确定第三个特征吸收峰的标定光谱位置。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据公式2确定第二、三个特征吸收峰的标定光谱位置；
式中，vk为第k个特征吸收峰的标定光谱位置，k为2或3。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，温度值Ti满足：
30℃≤Ti≤100℃。
7.如权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，所述黑体的辐射面尺寸为8cm×8cm，发射率为0.96，最高温度为100℃。
8.如权利要求7所述的方法，其中，N＝3，T1＝60°，T2＝70°，T3＝80°。
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