CN110672553B - 一种光谱仪输出光谱补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱仪补偿校准技术，其公开了一种光谱仪输出光谱补偿方法，直接在光谱输出端进行光谱补偿，从而提高光谱仪的检测质量。本发明将光谱仪初始状态对标准漫反射样品采集获取的第一数据查询表和在修正状态下对标准漫反射样品采集获取的第二数据查询表进行对应索引位置的光强差值计算，从而获取波长、反射率和光强补偿值关系的第三数据查询表，将在光谱仪修正状态下采集的实物光强光谱作为第四数据查询表，与第二数据查询表进行比较，找到光谱仪在修正状态下的实物光谱在第二查询表中的对应位置，即数据位置索引值，通过数据位置索引值确定实物光谱在第三查询中应该补偿的差值，基于此应该补偿的差值对光谱输出进行补偿。

Description

一种光谱仪输出光谱补偿方法

技术领域

本发明涉及光谱仪补偿校准技术，具体涉及一种光谱仪输出光谱补偿方法，特别适用于漫反射类型的近红外光谱仪的校准和补偿。

背景技术

光谱仪，尤其便携式近红外光谱仪输出光强会受到光源强度变化、环境变化、探测器变化等影响，导致光谱仪输出的光谱变化；由于便携式近红外光谱仪分光系统和探测系统较为精密，拆卸和组装复杂，从光谱仪的输入端口对各种输入因子进行补偿和校准操作比较麻烦，特别是在客户现场时，还需要配备专业的人员进行光谱校准和补偿操作。

因此，本发明提出一出综合考虑各种输入条件的影响，特别是针对漫反射测试类型的光谱仪，直接在光谱输出端进行光谱补偿的方法，实现光谱仪的输出补偿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种光谱仪输出光谱补偿方法，直接在光谱输出端进行光谱补偿，从而提高光谱仪的检测质量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种光谱仪输出光谱补偿方法，包括以下步骤：

a.在光谱仪初始状态，对具有不同反射率的标准漫反射样品的光强光谱进行采集，建立光谱仪初始状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，作为第一查询表；

b.在光谱仪修正状态,对具有不同反射率的标准漫反射样品的光强光谱进行采集，建立光谱仪修正状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，作为第二查询表；

c.根据第一查询表和第二查询表建立标准漫反射样品光强、波长和光强补偿值数据关系查询表，作为第三查询表；

d.在光谱仪修正状态，对待测实物的输出光强光谱进行采集，获得实物在光谱仪修正状态下的光强光谱，作为第四查询表；

e.将第四查询表与第二查询表进行比较，从而确定光谱仪修正状态下的实物光谱在第二查询表中的索引位置，以此查找获得在第三查询表中的光强补偿值；

f.将查找得到的光强补偿值补偿到实物光谱中进行输出。

作为进一步优化，所述光谱仪为漫反射测试类型的近红外光谱仪，所述标准漫反射样品在近红外波段具有稳定的反射率。

基于标准漫反射样品在近红外波段具有稳定的反射率，光强输出只受反射率不同而引起变化的特性，便于通过插值或数据拟合方式获得充足样本的光谱、反射率、波长之间的对应关系。

作为进一步优化，步骤a中，所述建立光谱仪初始状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，具体包括：

将反射率变化的精度设定为0.01％，在光谱仪初始状态下采集的不同反射率的标准漫反射样品的输出光强光谱之间插入或拟合出不同反射率样品的光强光谱。

通过在采集的几个不同反射率样品的光谱之间进行插值或数据拟合的方式可以快速获得足量的其它样本在光谱仪初始状态下的光强光谱。

作为进一步优化，步骤b中，所述建立光谱仪修正状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，具体包括：

将反射率变化的精度设定为0.01％，在光谱仪修正状态下采集的不同反射率的标准漫反射样品的输出光强光谱之间插入或拟合出不同反射率样品的光强光谱。

通过在采集的几个不同反射率样品的光谱之间进行插值或数据拟合的方式可以快速获得足量的其它样本在光谱仪修正状态下的光强光谱。

作为进一步优化，步骤c中，所述根据第一查询表和第二查询表建立标准漫反射样品光强、波长和光强补偿值数据关系查询表，具体包括：

以波长和反射率在表中的位置为索引值，计算两张数据查询表相同索引值处的光强差值，以此建立光谱仪初始、修正状态下标准漫反射样品反射率、光谱仪工作波长和光强补偿值数据关系查询表。

由于第一查询表和第二查询表具有相同的数据结构，根据波长和反射率两个因子，可以确定同一标准漫反射样品在指定波长点和反射率处的输出光强值，因此可以计算在光谱仪初始状态和修正状态下对应波长和反射率索引处的光强补偿值。

作为进一步优化，步骤e中，所述将第四查询表与第二查询表进行比较，从而确定光谱仪修正状态下的实物光谱在第二查询表中的索引位置，以此查找获得在第三查询表中的光强补偿值，具体包括：

通过将第四查询表与第二查询表进行比对，根据光强、波长、反射率坐标关系，在指定波长位置处，将第四查询表中的光谱光强与第二查询表中的光谱光强进行差值、排序，找到光谱仪在修正状态下的实物光谱在第二查询表中的对应位置，即数据位置索引值，由于第三查询表与第二查询表是相同的数据结构，通过数据位置索引值确定实物光谱在第三查询中应该补偿的差值。

本方案是基于第四查询表和第二查询表的比较来确定实物光谱在第二查询表中的数据位置索引值，据此数据位置索引值可以快速在与第二查询表具有同样数据结构的第三查询表中查找对应的补偿值。

本发明的有益效果是：

综合考虑各种输入条件的影响，直接在光谱输出端进行光谱补偿，可以将光谱仪器受到的光源强度变化、环境变化、探测器变化等影响综合考虑进去，具有修正光谱谱峰偏移和旋转，光谱仪系统衰减、环境变化引起的光谱变化等优点，补偿、校准的操作工作简单、无须专业人员进行，对于光谱仪尤其是便携式光谱仪的大规模使用具有深远的意义。

附图说明

图1为本发明的光谱仪输出光谱补偿原理示意图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种光谱仪输出光谱补偿方法，直接在光谱输出端进行光谱补偿，从而提高光谱仪的检测质量。本发明利用标准漫反射样品在已知光谱范围内，其反射率在长时间内稳定的特点，光强输出只受反射率不同而引起变化的特性，使用标准漫反射样品与光强的对应关系，在不同的反射率之间插值对应的光强值，建立三张标准漫反射样品输出光强、反射率、波长点的二维数组数据查询表，通过三张数据查询表的关系，实现光谱仪光强输出补偿的效果，达到光谱仪校准的目的。

在具体实现上，本发明中的光谱仪输出光谱补偿的原理如图1所示，将光谱仪初始状态对标准漫反射样品采集获取的第一数据查询表和在修正状态下对标准漫反射样品采集获取的第二数据查询表进行对应索引位置的光强差值计算，从而获取波长、反射率和光强补偿值关系的第三数据查询表，将在光谱仪修正状态下采集的实物光强光谱作为第四数据查询表，与第二数据查询表进行比较，找到光谱仪在修正状态下的实物光谱在第二查询表中的对应位置，即数据位置索引值，由于第三查询表与第二查询表是相同的数据结构，通过数据位置索引值确定实物光谱在第三查询中应该补偿的差值，基于此应该补偿的差值对光谱输出进行补偿。

本发明中的光谱仪输出光谱补偿方法的具体实现包括如下步骤

(1)光谱仪初始状态标准漫反射样品输出光谱采集：

使用漫反射类型光谱仪对在光谱仪工作波长范围内的不同反射率的3种标准漫反射样品(漫反射率为2.5％、50％、99％)进行光谱采集，得到光谱仪初始状态下的标准漫反射样品输出光强光谱。

(2)建立光谱仪初始状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率数据查询表：

将反射率变化的精度设定为0.01％，通过插值或数学拟合的方式，在对(1)中不同反射率之间光强光谱之间插入或拟合出不同反射率样品的光强光谱，此状态设定为初始状态，得到标准漫反射样品光强、波长、反射率数据查询表，得到第一张数据查询表。

(3)建立光谱仪修正状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率数据查询表

当光谱仪工作一段时间或者受到工作环境变化的影响，需要对输出的光谱进行修正或补偿，采用(1)、(2)中同样的方式，插值或拟合出当前状态的下的不同反射率的标准漫反射样品的光强、波长、反射率数据查询表，得到第二张数据查询表。

(4)建立光谱仪初始、修正状态下标准漫反射样品波长、反射率、光强补偿数据查询表：

通过初始、修正状态下建立的标准漫反射样品光强、波长、反射率数据查询表，确定数不同数据位置索引值处的光谱补偿值，得到第三张数据查询表。

(5)光谱仪在修正状态下对实物进行光谱采集：

使用光谱仪对待测实物进行光谱采集，获得实物在光谱仪修正状态下的光谱，得到第四张数据查询表。

(6)修正状态下的光谱仪检测实物光谱进行输出补偿：

通过将第四张表与第二张表进行比对，根据光强、波长、反射率坐标关系，在指定波长位置处，将第四张数据查询表中的光谱光强与第二张数据查询表中的光谱光强进行差值、排序，找到光谱仪在修正状态下的实物光谱在第二张数据查询表中的位置(数据位置索引值)，得到实物光谱的数据位置索引值，根据数据位置索引值确定实物光谱在第三张数据查询中应该补偿的差值，最后将数据位置索引值处对应光强补偿值补偿到实物光强光谱中输出。

Claims (4)

1.一种光谱仪输出光谱补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在光谱仪初始状态，对具有不同反射率的标准漫反射样品的光强光谱进行采集，建立光谱仪初始状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，作为第一查询表；

所述光谱仪为漫反射测试类型的近红外光谱仪，所述标准漫反射样品在近红外波段具有稳定的反射率；

b.在光谱仪修正状态,对具有不同反射率的标准漫反射样品的光强光谱进行采集，建立光谱仪修正状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，作为第二查询表；

c.根据第一查询表和第二查询表建立标准漫反射样品光强、波长和光强补偿值数据关系查询表，作为第三查询表；

d.在光谱仪修正状态，对待测实物的输出光强光谱进行采集，获得实物在光谱仪修正状态下的光强光谱，作为第四查询表；

e.将第四查询表与第二查询表进行比较，从而确定光谱仪修正状态下的实物光谱在第二查询表中的索引位置，以此查找获得在第三查询表中的光强补偿值；

f.将查找得到的光强补偿值补偿到实物光谱中进行输出；

步骤e中，所述将第四查询表与第二查询表进行比较，从而确定光谱仪修正状态下的实物光谱在第二查询表中的索引位置，以此查找获得在第三查询表中的光强补偿值，具体包括：

通过将第四查询表与第二查询表进行比对，根据光强、波长、反射率坐标关系，在指定波长位置处，将第四查询表中的光谱光强与第二查询表中的光谱光强进行差值、排序，找到光谱仪在修正状态下的实物光谱在第二查询表中的对应位置，即数据位置索引值，由于第三查询表与第二查询表是相同的数据结构，通过数据位置索引值确定实物光谱在第三查询中应该补偿的差值。

2.如权利要求1所述的一种光谱仪输出光谱补偿方法，其特征在于，

步骤a中，所述建立光谱仪初始状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，具体包括：

将反射率变化的精度设定为0.01％，在光谱仪初始状态下采集的不同反射率的标准漫反射样品的输出光强光谱之间插入或拟合出不同反射率样品的光强光谱。

3.如权利要求1所述的一种光谱仪输出光谱补偿方法，其特征在于，

步骤b中，所述建立光谱仪修正状态下标准漫反射样品光强、波长、反射率的数据关系查询表，具体包括：

将反射率变化的精度设定为0.01％，在光谱仪修正状态下采集的不同反射率的标准漫反射样品的输出光强光谱之间插入或拟合出不同反射率样品的光强光谱。

4.如权利要求1所述的一种光谱仪输出光谱补偿方法，其特征在于，

步骤c中，所述根据第一查询表和第二查询表建立标准漫反射样品光强、波长和光强补偿值数据关系查询表，具体包括：

以波长和反射率在表中的位置为索引值，计算两张数据查询表相同索引值处的光强差值，以此建立光谱仪初始、修正状态下标准漫反射样品反射率、光谱仪工作波长和光强补偿值数据关系查询表。

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