CN108827473B - 傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法，其包括以下步骤：步骤一，输入不同黑体温度点的干涉图数据以及黑体发射率数据。步骤二，将反向干涉图逆序并通过相关运算与正向干涉图对齐。步骤三，将每个温度点的多组干涉图数据均进行快速傅里叶变换得到复数光谱，并对同一温度下的结果求均值。步骤四，按照黑体发射率及Planck公式计算理论目标辐亮度。步骤五，对傅里叶变换红外光谱仪光谱范围内的每一波数位置，进行复数线性拟合，得到对应每一波数的定标系数，包含响应增益及背景辐亮度。步骤六，按照复数标定方程，将复数光谱数字量标定到输入辐亮度。本发明简单易行，能够有效解决仪器自发射对高精度探测的影响。

Description

傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法

技术领域

本发明涉及光谱仪辐射定标方法，特别是涉及一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法。

背景技术

众所周知，傅里叶变换光谱仪具有测量光谱范围宽、光谱分辨率高、测量精度高等优点，故而被广泛应用于精细光谱探测。傅里叶变换红外光谱仪可以探测热红外波段的光谱信息，在大气垂直结构探测领域具有重要应用。

理论上傅里叶变换光谱仪得到的双边干涉图应为实偶序列，但实际得到干涉图都存在一定的非对称性，直接导致通过快速傅里叶变换得到的光谱序列为复数，传统傅里叶变换光谱仪的处理方法为先通过一定的校正，将光谱序列校正为实数，然后建立实数光谱与输入能量之间的映射关系进行标定。傅里叶变化红外光谱仪具有其特殊性，即由于仪器自身也存在红外波段的自发射背景，故而在不考虑其他杂散光的情况下，到达仪器探测器的能量可以分为两部分：目标辐射以及仪器自身辐射。由于仪器自身辐射可能进入干涉仪的路径不同于目标辐射，故而干涉分量存在相位差异，该相位差异可能导致干涉图幅度并非随目标辐射能量增大而增强。这也导致一般傅里叶变换光谱仪的辐射定标处理方法不再适用，需要通过新的途径来建立仪器输出与入射定量之间的映射关系。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法，能够解决仪器自身辐射对辐射标定的影响，能够很好地适用傅里叶变换红外光谱仪的辐射定标，并能够兼容一般傅里叶变换光谱辐射定标处理。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，输入覆盖动态范围内的不同黑体温度点的干涉图数据以及黑体发射率测试数据；

步骤二，识别干涉图方向，将反向干涉图逆序并通过相关运算与正向干涉图对齐；

步骤三，将每个温度点的多组干涉图数据均进行快速傅里叶变换得到复数光谱，并对同一温度下的结果求均值复数光谱；

步骤四，对每个黑体温度点，按照黑体发射率及普拉克公式计算理论目标辐亮度；

步骤五，对傅里叶变换红外光谱仪光谱范围内的每一波数位置，进行复数线性拟合，得到对应每一波数的定标复系数，定标复系数包含响应增益及背景辐亮度；

步骤六，按照傅里叶变换红外光谱仪的复数标定方程，将复数光谱数字量标定到输入辐亮度。

上述技术方案中，步骤三中得到的复数光谱为S(σ；T)＝S_re(σ；T)+i·S_im(σ；T)，其中，σ表示波数，T表示目标黑体温度，步骤四中得到的目标复亮度为L(σ；T)，响应增益G(σ)＝G_re(σ)+i·G_im(σ)，仪器自发射的背景辐亮度为O(σ)，那么拟合方程为S(σ；T)＝G(σ)·(L(σ；T)+O(σ))，采用最小二乘法拟合，其中σ表示波数，S表示复数光谱，S_re为复数光谱S的实部，S_im为复数光谱S的虚部，i表示虚数单位。

上述技术方案中，所述步骤六中复数标定方程为：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明简单易行，能够有效解决仪器自发射对高精度探测的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法的流程示意图。

图2为傅里叶变换光谱仪辐射定标过程信息流图。

图3为干涉仪结构示意图。

图4(a)和图4(b)为一台傅里叶变换红外光谱仪的未标定的不同目标温度下的光谱图。

图5为采用所提方法在典型波数位置(900cm-1)的拟合结果示意图。

图6为所提方法标定后的光谱图与已知光谱对比示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法的流程示意图,本发明的一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，输入覆盖动态范围内的不同黑体温度点的干涉图数据以及黑体发射率测试数据；

步骤二，识别干涉图方向，将反向干涉图逆序并通过相关运算与正向干涉图对齐；

步骤三，将每个温度点的多组干涉图数据均进行快速傅里叶变换得到复数光谱，并对同一温度下的结果求均值复数光谱；

步骤四，对每个黑体温度点，按照黑体发射率及普拉克公式计算理论目标辐亮度；普朗克公式即黑体辐射公式，为公认的经典公式，该公式描述了某一温度下的理想黑体辐射出的能量随波长或波数的变化情况。

步骤五，对傅里叶变换红外光谱仪光谱范围内的每一波数位置，进行复数线性拟合，得到对应每一波数的定标复系数，定标复系数包含响应增益及背景辐亮度；

步骤六，按照傅里叶变换红外光谱仪的复数标定方程，将复数光谱数字量标定到输入辐亮度。

傅里叶变换光谱仪作为一种度量仪器，需要知道所测辐射输入的准确能量分布，这就需要辐射定标。傅里叶变换光谱仪辐射定标过程信息流图如附图2所示。若仪器响应接近线性响应，那么还需要光谱运算过程保持线性才能领辐射定标过程简捷。最简单的具有线性性质的光谱运算即FFT。由于实际的傅里叶变换光谱仪输出的原始干涉图并非理想对称，故而FFT计算后的光谱为复数光谱，而且根据FFT运算性质可知，复数光谱满足复共轭对称性。

实际仪器工作中，干涉仪动镜的往复运动中会产生两种干涉图：正向干涉图及反向干涉图。为了将干涉图序列的坐标系统一，需要将反向干涉图进行逆序并与正向干涉图进行对齐。若探测目标未发生变化，那么逆序后的干涉图与正向干涉图仅存在移位差异，可以通过相关运算找到相关性最大的位置进行对齐。对齐之后的干涉图可以在统一的坐标系下进行处理。

若仪器响应接近线性，并经FFT运算得到复数光谱，那么当不考虑仪器线型函数可能引入的影响及仪器的自身辐射发射时，可以近似认为仪器的光谱数字量S满足如下公式

S(σ)＝G(σ)·L(σ)+ε(σ) 公式1

其中σ表示波数，S(σ)表示由干涉图计算得到的复数光谱数字量(未标定)，G(σ)表示仪器总的光谱响应增益函数，L(σ)表示实际入射的光谱辐亮度，ε(σ)表示噪声。

对于红外光谱仪，仪器自发射若能够进光路到达探测器，此时仪器的光谱数字量S不再仅由外部场景的辐亮度决定，而是如下所示，

S(σ)＝G(σ)·(L(σ)+O(σ))+ε(σ) 公式2

其中O(σ)表示仪器自发射背景辐亮度，该部分辐射并非来自于外部场景。由附图3所示的干涉仪结构可以看出，由辐射源1和辐射源2所示方向的光线均能够经干涉仪形成干涉进入到探测器，通过光线路径可知辐射源1形成的干涉图与辐射源2形成的干涉图相位相反。

傅里叶变换红外光谱仪在工作过程中，仪器内部需要进行严格温控，保持各部分温度稳定，故而可以认为公式2中仪器自身背景辐射值O(σ)不随时间剧烈变化。

在公式2中，需要标定的系数包括仪器响应增益G(σ)、自身辐射O(σ)。噪声的影响通过多组数据取均值的方法进行抑制。为了获得待定系数，可以将已知发射率的可变温黑体作为目标辐射源，获得不同黑体温度点T的干涉图数据，然后按照S(σ；T)＝G(σ)·(L(σ；T)+O(σ))对波段内每一波数通道逐一最小二乘拟合，获取G(σ)、O(σ)，其中σ表示波数，S表示复数光谱，S_re为复数光谱S的实部，S_im为复数光谱S的虚部，i表示虚数单位。

若复数G(σ)＝G_re(σ)+i·G_im(σ)，其中G_re(σ)、G_im(σ)分别表示实部及虚部。根据公式2，可以推导得到定标方程如下：

其中，σ表示波数，L表示目标辐亮度，S_re为复数光谱S的实部，S_im为复数光谱S的实部，G_re为响应增益G的实部，G_im为响应增益G的虚部，O为仪器自发射的背景辐亮度。

附图4(a)和图4(b)即为根据上述方法，获得的未标定的不同目标温度下的光谱图。附图5为某一典型波数位置(900cm^-1)下的拟合结果示意图。从图5中可以看出辐射响应线性较好。其他波数位置的拟合结果线性情况一致，仅系数存在差异。对每一波数通道逐一拟合后即可根据公式3建立定标映射关系。

为进一步验证定标系数及公式的有效性，对一采用高精度铂电阻测温的黑体进行观测，经所提方法标定后的光谱图与已知光谱对比如附图6所示，图6中标定后的光谱与黑体计算出的光谱重合性好，波段范围内所有波数通道定标结果的相对偏差均优于1.1％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (1)

1.一种傅里叶变换红外光谱仪复数辐射定标处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，输入覆盖动态范围内的不同黑体温度点的干涉图数据以及黑体发射率测试数据；

步骤二，识别干涉图方向，将反向干涉图逆序并通过相关运算与正向干涉图对齐；

步骤三，将每个温度点的多组干涉图数据均进行快速傅里叶变换得到复数光谱，并对同一温度下的结果求均值复数光谱；

步骤四，对每个黑体温度点，按照黑体发射率及普拉克公式计算理论目标辐亮度；

步 骤五，对傅里叶变换红外光谱仪光谱范围内的每一波数位置，进行复数线性拟合，得到对应每一波数的定标复系数，定标复系数包含响应增益及背景辐亮度；

步骤六，按照傅里叶变换红外光谱仪的复数标定方程，将复数光谱数字量标定到输入辐亮度；

步骤三中得到的复数光谱为S(σ；T)＝S_re(σ；T)+i·S_im(σ；T)，其中，σ表示波数，T表示目标黑体温度，步骤四中得到的目标辐 亮度为L(σ；T)，响应增益G(σ)＝G_re(σ)+i·G_im(σ)，其中G_re(σ)、G_im(σ)分别表示实部及虚部，仪器自发射的背景辐亮度为O(σ)，那么拟合方程为S(σ；T)＝G(σ)·(L(σ；T)+O(σ))，采用最小二乘法拟合，其中σ表示波数，S表示复数光谱，S_re为复数光谱S的实部，S_im为复数光谱S的虚部，i表示虚数单位；

所述步骤六中复数标定方程为：

其中，σ表示波数，L表示目标辐亮度，S_re为复数光谱S的实部，S_im为复数光谱S的实部，G_re为响应增益G的实部，G_im为响应增益G的虚部，O为仪器自发射的背景辐亮度。

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