CN106352981A - 一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，包括多维度波长校准和多维度幅值校准，通过引入温度因子来对波长和幅值进行多维度校准，提高仪器在高低温下的稳定性；充分考虑了影响CCD工作的各种因素，结合空间、时间、温度和光强多个维度的校准因子，来对光纤光谱仪进行多维度复杂校准，保证仪器测试结果的可靠性。

Description

一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法

技术领域

本发明涉及光纤光谱仪领域，特别涉及一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法。

背景技术

在光纤光谱仪中，采用固定式光栅结构，并在光谱成像谱面利用线阵CCD作为探测器。一方面，由于CCD光敏元本身尺寸的局限性以及光谱带在光敏面上的分布误差，造成波长在CCD上落点的定标困难，限制光谱谱线在CCD上定位精度的提高，因此需要对光谱曲线横向的波长进行校准。另一方面，由于衍射光栅、阵列CCD探测器的量子效率、封装材料等与入射光信号波长具有相关性，使得造成CCD对不同波长的入射光响应不一致，也就是光电响应的非线性，为了较准确地反映照射在光敏元上的各波长光信号强度分布特征，必须对光谱曲线纵向的幅值进行校准。

现有的校准方法都是在常温下进行的，校准好以后仪器的波长准确度和幅值准确度等指标受到温度变化的影响很明显，对于温度的适应性很差。

而且，现有技术对于光纤光谱仪的校准，通常是固定入射光强和固定积分时间，无法解决增益非线性和光强非线性问题。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出了一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，包括以下步骤：

步骤(1)，校准开始时，将需要校准的光纤光谱仪放置在温度箱内，并将初始温度设置为T＝T_L，每校准完一个温度点以后，温度增加ΔT；

其中，根据环境适应性要求，温度的变化范围为[T_L，T_H]，步距为ΔT＝(T_L-T_H)/(M-1)，M为选择的温度点数；

步骤(2)，进行多维度波长校准：

接入在工作范围[λ_L，λ_H]内具有多个特征谱线的标准光源，选择此时的温度对应的校准点T_m，并拟合出波长校准曲线λ(x，T_m)，得到多项式系数a₀(T_m)，a₁(T_m)...a_n(T_m)，存入到多项式系数矩阵中，从而完成温度校准点T_m下的多维度波长校准；

步骤(3)，进行多维度幅值校准：

将光源更换为标准的宽谱光源，调节光源的输出功率为P_L，每校准完一个光强点以后，功率增加ΔP，设置初始积分时间为t_L，每校准完一个积分时间点以后，积分时间增加Δt；其中，初始光功率设置为P_L，最大光功率为P_H，每次增加ΔP＝(P_L-P_H)/V，V为选择的入射光强点数；CCD的积分时间设置范围为[t_L，t_H]，初始积分时间设置为t_L，每次增加Δt＝(t_L-t_H)/U，U为选择的积分时间点数；

判断入射光强校准点P_v和积分时间校准点t_u，与标准宽谱光源的光谱曲线进行对比，得到此时的温度、光强、积分时间下的响应修正系数q(T，t，P，λ)，并将该响应修正系数存入到修正系数矩阵中；

判断积分时间的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加积分时间Δt继续进行校准，如是，则结束积分时间点校准的循环；

判断光强的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加光功率ΔP继续进行校准，如是，则结束光强点校准的循环，从而完成了温度T_m下的多维度幅值校准；

步骤(4)，判断温度的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加温度ΔT继续进行校准，如是，则结束温度点校准的循环，从而完成整个多维度复杂校准的全部过程。

可选地，所述步骤(2)中多维度波长校准的实现方法，具体包括：

针对光谱带在CCD上的分布误差，对光源特征峰波长与其落点在CCD探测器上的像元的分布关系进行多项式拟合：

$\mathrm{\λ}(x,T)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_k\left(T\right)x^k---\left(1\right)$

其中，n为标准光源的特征峰数量，x为特征峰落点的探测器像元序列，T为温度，λ_n(x，T)为第x个探测器像元所对的波长值，其受到CCD分布误差和温度两个因素的影响；

利用探测器测量到的已知特征谱线波长与对应像元位置建立多项式关系，计算出温度分别为T₁，T₂...T_M时的多项式系数矩阵a₀(T)，a₁(T)...a_n(T)：

将线阵CCD全部X个像元映射到波长上，将CCD响应波长与探测器像元序数之间的离散数据关系转变为连续函数关系，从而实现CCD像元、波长、温度的复杂匹配，得到波长校准曲线。

可选地，所述多维度波长校准的实现方法，首先监测温度传感器反馈的温度值大小，判断温度与哪个温度校准点相近，判断依据是当测得温度为T_m-ΔT/2＜T≤T_m-ΔT/2(m＝1，2...M)，则认为此时温度为T_m(m＝1，2...M)，然后得到此温度下的像元-波长关系：

λ(x，T_m)＝a₀(T_m)+a₁(T_m)x+a₂(T_m)x²…+a_n(T_m)xⁿ (3)。

可选地，所述步骤(3)中多维度幅值校准的实现方法，引入了温度、积分时间、入射光强校准因子，响应系数修正为q(T，t，P，λ)，通过测量阵列CCD的输出电压值I(λ)得到光谱能量分布E(T，t，P，λ)为：

E(T，t，P，λ)＝q(T，t，P，λ)·I(λ) (4)

对积分时间和入射光强两个校准因子的标定过程，包括：

步骤(a)，针对增益非线性，采用固定入射光强不同积分时间来对幅值进行定标，CCD的积分时间设置范围为[t_L，t_H]，初始积分时间设置为t_L，每次增加Δt＝(t_L-t_H)/U，U为选择的积分时间点数；

步骤(b)，针对增益非线性，采用固定积分时间不同入射光强来对幅值进行定标，初始光功率设置为P_L，最大光功率为P_H，每次增加ΔP＝(P_L-P_H)/V，V为选择的入射光强点数；

在搜索校准因子时，按照以下顺序：

首先，监测温度传感器反馈的温度值大小，搜索温度属于哪个温度校准点；

然后，根据用户设置的积分时间搜索属于哪个校准点，判断依据是当积分时间为t_u-Δt/2＜t≤t_u-Δt/2(u＝1，2...U)，则认为此时积分时间为t_u(u＝1，2...U)；

最后，根据入射光强搜索属于哪个光强校准点，判断依据是当入射光强为P_v-ΔP/2＜P≤P_v-ΔP/2(v＝1，2...V)，则认为此时入射光强为P_v(v＝1，2...V)；

搜索完成后，得到温度、积分时间、入射光强校准因子，采用已知光谱辐射分布的标准宽谱稳定光源输入被校准光谱仪，将每个像元的输出经归一化处理，得到相应的仪器响应系数，此时的校准光谱能量分布E(T_m，t_u，P_v，λ)为：

本发明的有益效果是：

(1)通过引入温度因子来对波长和幅值进行多维度校准，提高仪器在高低温下的稳定性；

(2)充分考虑了影响CCD工作的各种因素，结合空间、时间、温度和光强多个维度的校准因子，来对光纤光谱仪进行多维度复杂校准，保证仪器测试结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明校准方法的波长-幅值校准项示意图；

图2为本发明的多维度复杂校准方法流程图；

图3为本发明的特征谱线与温度设定示意图；

图4为本发明的波长校准曲线示意图；

图5为本发明的积分时间与入射光强标定过程示意图；

图6为本发明的温度、积分时间、入射光强校准因子搜索过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于高低温条件下，CCD的性能有所提升或下降，同时光路中的光学元件由于热胀冷缩偏离了原来位置，导致波长和幅值的测试结果偏差很大。因此，本发明需要解决在温度环境影响下的光纤光谱仪波长校准和幅值校准问题。

由于线阵CCD响应存在着增益非线性和光强非线性问题：固定入射光强不同积分时间时，CCD的光谱响应不随积分时间的变化而线性的变化；固定积分时间不同入射光强时，CCD的光谱响应不随入射光强的变化而线性的变化。因此，本发明需要解决空间、时间、温度、光强多个维度的幅值复杂校准问题。

为满足光纤光谱仪在各种复杂环境下的测试指标要求，本发明提出了一种光纤光谱仪的空间、时间、温度、光强的多维度复杂校准方法，能够有效的修正由于温湿度、振动冲击等环境因素导致的CCD响应的变化和光路结构的偏移，保证光谱响应曲线在波长和幅值的坐标上的准确度，从而提高仪器的环境适应性和可靠性等性能。

本发明中，仪器显示的光谱曲线是波长-幅值的二维曲线，但对于波长和幅值的校准涉及到空间、时间、温度和光强多个维度的校准因子，如图1所示，影响波长的因素有CCD位置和温度，影响幅值的因素有温度、积分时间、入射光强，因此对光纤光谱仪的校准是一个多维度复杂的过程。

如图2所示，本发明的多维度复杂校准方法包括以下步骤：

步骤(1)，校准开始时，将需要校准的光纤光谱仪放置在温度箱内，并将初始温度设置为T＝T_L，每校准完一个温度点以后，温度增加ΔT，其中，根据环境适应性要求，温度的变化范围为[T_L，T_H]，步距为ΔT＝(T_L-T_H)/(M-1)，M为选择的温度点数。

步骤(2)，进行多维度波长校准：接入具有多个特征谱线的标准光源，选择此时的温度对应的温度校准点T_m，并拟合出波长校准曲线λ(x，T_m)，得到多项式系数a₀(T_m)，a₁(T_m)...a_n(T_m)，存入到多项式系数矩阵中，从而完成温度T_m下的多维度波长校准。

步骤(3)，进行多维度幅值校准：将光源更换为标准的宽谱光源，调节光源的输出功率为P_L，每校准完一个光强点以后，功率增加ΔP，设置初始积分时间为t_L，每校准完一个积分时间点以后，积分时间增加Δt；判断入射光强校准点P_v和积分时间校准点t_u，与标准宽谱光源的光谱曲线进行对比，得到此时的温度、光强、积分时间下的响应修正系数q(T，t，P，λ)，并将这个修正系数存入到修正系数矩阵中；判断积分时间的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加积分时间Δt继续进行校准，如是，则结束积分时间点校准的循环；判断光强的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加光功率ΔP继续进行校准，如是，则结束光强点校准的循环，从而完成了温度T_m下的多维度幅值校准。

步骤(4)，判断温度的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加温度ΔT继续进行校准，如是，则结束温度点校准的循环，从而完成整个多维度复杂校准的全部过程。

下面结合说明书附图，对本发明复杂校准方法的波长校准实现方法和幅值校准实现方法进行详细说明。

1、多维度波长校准的实现方法：

由于光纤光谱仪的光学系统色散模型是非线性的，也就是说像元的分辨率与波长满足非线性关系。针对光谱带在CCD上的分布误差，对光源特征峰波长与其落点在CCD探测器上的像元的分布关系进行多项式拟合：

$\mathrm{\λ}(x,T)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_k\left(T\right)x^k---\left(1\right)$

其中，n为标准光源的特征峰数量，x为特征峰落点的探测器像元序列，T为温度，λ_n(x，T)为第x个探测器像元所对的波长值，其受到CCD分布误差和温度两个因素的影响。

如图3所示，选择在仪器工作范围[λ_L，λ_H]内具有多个特征谱线的光源，以提供更多的校准点，提高拟合精度。针对温度设定，将仪器放置在高低温箱内，根据环境适应性要求，温度的变化范围为[T_L，T_H]，步距为ΔT＝(T_L-T_H)/(M-1)，M为选择的温度点数，ΔT选择的越小定标精度越高，仪器对于温度的适应性越强。

利用探测器测量到的已知特征谱线波长与对应像元位置建立多项式关系，计算出温度分别为T₁，T₂...T_M时的多项式系数a₀(T)，a₁(T)...a_n(T)：

如图4所示，将线阵CCD全部X个像元映射到波长上，将CCD响应波长与探测器像元序数之间的离散数据关系转变为连续函数关系，从而实现CCD像元、波长、温度的复杂匹配，得到波长校准曲线。

多维度波长校准需要首先监测温度传感器反馈的温度值大小，判断温度与哪个温度校准点相近，判断依据是当测得温度为T_m-ΔT/2＜T≤T_m-ΔT/2(m＝1，2...M)，则认为此时温度为T_m(m＝1，2...M)，然后得到此温度下的像元-波长关系：

λ(x，T_m)＝a₀(T_m)+a₁(T_m)x+a₂(T_m)x²…+a_n(T_m)xⁿ (3)

2、多维度幅值校准的实现方法：

为了更准确地反映照射在光敏元上的各波长光信号强度分布特征，需要进行各像元的响应幅值校准。只要能得到阵列CCD器件的仪器响应系数q(λ)，就可得到经过校正后反映实际入射光强度分布的结果，响应系数q(λ)的确定就是仪器的光度定标。本发明的多维度复杂校准方法引入了温度、积分时间、入射光强校准因子，因此响应系数修正为q(T，t，P，λ)，通过测量阵列CCD的输出电压值I(λ)可得到光谱能量分布E(T，t，P，λ)为：

E(T，t，P，λ)＝q(T，t，P，λ)·I(λ) (4)

图5示出了对积分时间和入射光强两个校准因子的标定过程，包括：(a)针对增益非线性，采用固定入射光强不同积分时间来对幅值进行定标，CCD的积分时间设置范围为[t_L，t_H]，初始积分时间设置为t_L，每次增加Δt＝(t_L-t_H)/U，U为选择的积分时间点数；(b)针对增益非线性，采用固定积分时间不同入射光强来对幅值进行定标，初始光功率设置为P_L，最大光功率为P_H，每次增加ΔP＝(P_L-P_H)/V，V为选择的入射光强点数。

在搜索校准因子时，如图6所示，按照以下顺序：首先，监测温度传感器反馈的温度值大小，搜索温度属于哪个温度校准点；然后根据用户设置的积分时间搜索属于哪个校准点，判断依据是当积分时间为t_u-Δt/2＜t≤t_u-Δt/2(u＝1，2...U)，则认为此时积分时间为t_u(u＝1，2...U)；最后根据入射光强搜索属于哪个光强校准点，判断依据是当入射光强为P_v-ΔP/2＜P≤P_v-ΔP/2(v＝1，2...V)，则认为此时入射光强为P_v(v＝1，2...V)。

搜索完成后，即可得到温度、积分时间、入射光强校准因子，采用已知光谱辐射分布的标准宽谱稳定光源输入被校准光谱仪，将每个像元的输出经归一化处理，得到相应的仪器响应系数。此时的校准光谱能量分布E(T_m，t_u，P_v，λ)为：

本发明提出了一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，通过引入温度因子来对波长和幅值进行多维度校准，提高仪器在高低温下的稳定性。

本发明充分考虑了影响CCD工作的各种因素，结合空间、时间、温度和光强多个维度的校准因子，来对光纤光谱仪进行多维度复杂校准，保证仪器测试结果的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，校准开始时，将需要校准的光纤光谱仪放置在温度箱内，并将初始温度设置为T＝T_L，每校准完一个温度点以后，温度增加ΔT；

其中，根据环境适应性要求，温度的变化范围为[T_L，T_H]，步距为ΔT＝(T_L-T_H)/(M-1)，M为选择的温度点数；

步骤(2)，进行多维度波长校准：

接入在工作范围[λ_L，λ_H]内具有多个特征谱线的标准光源，选择此时的温度对应的校准点T_m，并拟合出波长校准曲线λ(x，T_m)，得到多项式系数a₀(T_m)，a₁(T_m)...a_n(T_m)，存入到多项式系数矩阵中，从而完成温度校准点T_m下的多维度波长校准；

步骤(3)，进行多维度幅值校准：

将光源更换为标准的宽谱光源，调节光源的输出功率为P_L，每校准完一个光强点以后，功率增加ΔP，设置初始积分时间为t_L，每校准完一个积分时间点以后，积分时间增加Δt；其中，初始光功率设置为P_L，最大光功率为P_H，每次增加ΔP＝(P_L-P_H)/V，V为选择的入射光强点数；CCD的积分时间设置范围为[t_L，t_H]，初始积分时间设置为t_L，每次增加Δt＝(t_L-t_H)/U，U为选择的积分时间点数；

判断入射光强校准点P_v和积分时间校准点t_u，与标准宽谱光源的光谱曲线进行对比，得到此时的温度、光强、积分时间下的响应修正系数q(T，t，P，λ)，并将该响应修正系数存入到修正系数矩阵中；

判断积分时间的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加积分时间Δt继续进行校准，如是，则结束积分时间点校准的循环；

判断光强的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加光功率ΔP继续进行校准，如是，则结束光强点校准的循环，从而完成了温度T_m下的多维度幅值校准；

步骤(4)，判断温度的所有校准点是否都已校准过，如否，则增加温度ΔT继续进行校准，如是，则结束温度点校准的循环，从而完成整个多维度复杂校准的全部过程。

2.如权利要求1所述的一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，其特征在于，所述步骤(2)中多维度波长校准的实现方法，具体包括：

针对光谱带在CCD上的分布误差，对光源特征峰波长与其落点在CCD探测器上的像元的分布关系进行多项式拟合：

$\mathrm{\λ}(x,T)=\underset{k=0}{\overset{n}{\Σ}}{a}_k\left(T\right)x^k---\left(1\right)$

其中，n为标准光源的特征峰数量，x为特征峰落点的探测器像元序列，T为温度，λ_n(x，T)为第x个探测器像元所对的波长值，其受到CCD分布误差和温度两个因素的影响；

利用探测器测量到的已知特征谱线波长与对应像元位置建立多项式关系，计算出温度分别为T₁，T₂...T_M时的多项式系数矩阵a₀(T)，a₁(T)...a_n(T)：

将线阵CCD全部X个像元映射到波长上，将CCD响应波长与探测器像元序数之间的离散数据关系转变为连续函数关系，从而实现CCD像元、波长、温度的复杂匹配，得到波长校准曲线。

3.如权利要求2所述的一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，其特征在于，所述多维度波长校准的实现方法，首先监测温度传感器反馈的温度值大小，判断温度与哪个温度校准点相近，判断依据是当测得温度为T_m-ΔT/2＜T≤T_m-ΔT/2(m＝1，2...M)，则认为此时温度为T_m(m＝1，2...M)，然后得到此温度下的像元-波长关系：

λ(x，T_m)＝a₀(T_m)+a₁(T_m，)x+a₂(T_m)x²…+a_n(T_m)xⁿ (3)。

4.如权利要求1所述的一种光纤光谱仪的多维度复杂校准方法，其特征在于，所述步骤(3)中多维度幅值校准的实现方法，引入了温度、积分时间、入射光强校准因子，响应系数修正为q(T，t，P，λ)，通过测量阵列CCD的输出电压值I(λ)得到光谱能量分布E(T，t，P，λ)为：

E(T，t，P，λ)＝q(T，t，P，λ)·I(λ) (4)

对积分时间和入射光强两个校准因子的标定过程，包括：

步骤(a)，针对增益非线性，采用固定入射光强不同积分时间来对幅值进行定标，CCD的积分时间设置范围为[t_L，t_H]，初始积分时间设置为t_L，每次增加Δt＝(t_L-t_H)/U，U为选择的积分时间点数；

步骤(b)，针对增益非线性，采用固定积分时间不同入射光强来对幅值进行定标，初始光功率设置为P_L，最大光功率为P_H，每次增加ΔP＝(P_L-P_H)/V，V为选择的入射光强点数；

在搜索校准因子时，按照以下顺序：

首先，监测温度传感器反馈的温度值大小，搜索温度属于哪个温度校准点；

然后，根据用户设置的积分时间搜索属于哪个校准点，判断依据是当积分时间为t_u-Δt/2＜t≤t_u-Δt/2(u＝1，2...U)，则认为此时积分时间为t_u(u＝1，2...U)；

最后，根据入射光强搜索属于哪个光强校准点，判断依据是当入射光强为P_v-ΔP/2＜P≤P_v-ΔP/2(v＝1，2...V)，则认为此时入射光强为P_v(v＝1，2...V)；

搜索完成后，得到温度、积分时间、入射光强校准因子，采用已知光谱辐射分布的标准宽谱稳定光源输入被校准光谱仪，将每个像元的输出经归一化处理，得到相应的仪器响应系数，此时的校准光谱能量分布E(T_m，t_u，P_v，λ)为：