CN110017898B - 一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，包括以下内容：以某一波长的单色光作为光源，采集干涉条纹图；从干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I；对干涉信号I进行扩展获得信号长度为I信号长度M倍的信号Ie；获取信号Ie的频谱强度信息FIe；提取频谱强度信息FIe中峰值位置的横坐标Ke，并由Ke和M获取波数位置坐标K；以若干不同波长的单色光分别作为光源，重复前述过程；对所有波长与其对应的波数位置坐标的关系数据进行曲线拟合，由此获得波长定标结果。本发明能够在不增加太多计算复杂度的情况下显著提高波长定标中谱线位置的定位精度。

Description

一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法
技术领域
本发明属于干涉光谱信号处理领域，特别是一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法。
背景技术
干涉光谱技术为：利用干涉信号与光谱信号之间的物理关系，通过对干涉信号进行傅立叶变换，即可复原目标的光谱强度信息。实际应用中，通过傅里叶变换获得的光谱曲线的横坐标是波数位置，需要将波数位置的值转换为波长的值，这样才能获得光谱强度与波长的关系曲线，才是完整的光谱测量的过程。所以需要对波数位置与波长的关系进行定标，也就是波长定标过程。
传统的波长定标过程为：首先采集单色光通过干涉光谱仪的干涉条纹图，再提取其中一行构成干涉信号，对该信号进行傅里叶变换，提取频谱中的峰值所在位置的横坐标，即为波数位置坐标。之后采用不同波长的单色光对干涉光谱仪进行照明，重复以上操作。最后对不同波长和谱线位置坐标的关系进行拟合，得到谱线位置定标曲线，完成波长定标。
传统的波长定标方法受常规傅里叶变换的限制，只能获得整数坐标下的频域波数坐标，定标精度低，对后续的辐射定标过程也有影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决传统波长定标方法精度低问题的基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，包括以下步骤：
步骤1、以单色光作为光源，采集其通过干涉成像光谱仪的干涉条纹图；
步骤2、从所述干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I；
步骤3、对干涉信号I进行扩展获得新信号Ie，所述新信号Ie的长度为干涉信号I长度的M倍；
步骤4、获取新信号Ie的频谱强度信息FIe；
步骤5、提取频谱强度信息FIe中峰值位置的横坐标Ke，并由Ke和M获取波数位置坐标K；
步骤6、以不同波长的单色光分别作为光源，重复上述步骤1～步骤5；
步骤7、对所有波长与其对应的波数位置坐标的关系数据进行曲线拟合，由此获得波长定标结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过时域补零延拓实现频域插值的效果，相比于频域插值计算方法更简单，速度更快；2)根据系统的需要进行补零插值，可以获得更高精度的波数坐标值，以此进行曲线拟合可以实现亚纳米波长定标。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法的流程图。
图2为本发明实施例从干涉条纹图中提取的某一行干涉条纹信息构成干涉信号示意图。
图3为对图2放大获得的局部干涉信号示意图。
图4为本发明实施例中扩展后干涉信号的频谱强度信息示意图。
图5为本发明实施例中采用传统波长定标方法获得的原始干涉信号的频谱强度信息示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，包括以下步骤：
步骤1、以单色光作为光源，采集其通过干涉成像光谱仪的干涉条纹图；
步骤2、从所述干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I，I为：
Figure BDA0002011580710000021
式中，I(x)为采样点x处的干涉信号强度，x的取值为0至N-1，其中N为采样点数。
步骤3、对干涉信号I进行扩展获得新信号Ie，所述新信号Ie的长度为干涉信号I长度的M倍；
步骤4、获取新信号Ie的频谱强度信息FIe；
步骤5、提取频谱强度信息FIe中峰值位置的横坐标Ke，并由Ke和M获取波数位置坐标K；
步骤6、以不同波长的单色光分别作为光源，重复上述步骤1～步骤5；
步骤7、对所有波长与其对应的波数位置坐标的关系数据进行曲线拟合，由此获得波长定标结果。
进一步优选地，步骤3通过添加零值对干涉信号I进行扩展，获得长度为M*N的新信号Ie为：
Figure BDA0002011580710000031
进一步地，步骤4获取新信号Ie的频谱强度信息FIe，具体为：
对新信号Ie进行傅里叶变换并取模，即获取新信号Ie的频谱强度信息FIe，所用公式为：
FIe＝abs(FT(Ie))。
进一步地，步骤5由Ke和M获取波数位置坐标K，所用公式为：
K＝Ke/M。
进一步优选地，步骤7对所有波长与其对应的谱线位置坐标的关系数据进行曲线拟合，具体为：采用最小二乘法对所有波长与其对应的谱线位置坐标的关系数据进行曲线拟合。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本发明基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，包括以下内容：
1、以632.8nm波长的单色光作为光源，采集其通过干涉成像光谱仪的干涉条纹图。
2、从干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I如图2所示，由于周期较多，为了更清楚地说明问题，对干涉信号进行局部放大，如图3所示。
3、对干涉信号I进行扩展获得新信号Ie，新信号Ie的长度为干涉信号I长度的M倍，本实施例中M取值为10000。
4、获取新信号Ie的频谱强度信息FIe，如图4所示。
5、如图4所示，提取频谱强度信息FIe中的峰值Ke＝1202613，并由Ke和M获取波数位置坐标K＝Ke/M＝120.2613。
而传统波长定标方法获得的频谱图如图5所示，可知，该方法得到的波数位置坐标值为121，与本发明对比可知，本发明的方法大大提高了波数位置定位精度。
由于采用本方法获得的波数位置坐标更精确，所以对其他波长的激光执行以上操作并进行曲线拟合，最终获得的波长定标结果也会更加精确。
在相同的干涉数据情况下，本发明能够在不增加太多计算复杂度的情况下显著提高波长定标中谱线位置的定位精度，为干涉光谱的精确测量提供了理论支持和技术保障，为干涉光谱技术向着超分辨的方向发展提供了一种可能。

Claims (3)

1.一种基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以单色光作为光源，采集其通过干涉成像光谱仪的干涉条纹图；
步骤2、从所述干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I；
步骤3、对干涉信号I进行扩展获得新信号Ie，所述新信号Ie的长度为干涉信号I长度的M倍；其中，对干涉信号I进行扩展获得新信号Ie，具体为：通过添加零值对干涉信号I进行扩展，获得长度为M*N的新信号Ie为：
Figure FDA0002789668030000011
步骤4、获取新信号Ie的频谱强度信息FIe；具体为：
对新信号Ie进行傅里叶变换并取模，即获取新信号Ie的频谱强度信息FIe，所用公式为：
FIe＝abs(FT(Ie))；
步骤5、提取频谱强度信息FIe中峰值位置的横坐标Ke，并由Ke和M获取波数位置坐标K；所用公式为：
K＝Ke/M；
步骤6、以不同波长的单色光分别作为光源，重复上述步骤1～步骤5；
步骤7、对所有波长与其对应的波数位置坐标的关系数据进行曲线拟合，由此获得波长定标结果。
2.根据权利要求1所述的基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，其特征在于，步骤2所述从所述干涉条纹图中提取某一行干涉条纹信息构成干涉信号I，具体为：
Figure FDA0002789668030000021
式中，I(x)为采样点x处的干涉信号强度，x的取值为0至N-1，其中N为采样点数。
3.根据权利要求1所述的基于干涉成像光谱仪的高精度波长定标方法，其特征在于，步骤7所述对所有波长与其对应的谱线位置坐标的关系数据进行曲线拟合，具体为：采用最小二乘法对所有波长与其对应的谱线位置坐标的关系数据进行曲线拟合。
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