CN111504454A - 一种ccd校正方法、系统、具有ccd校正系统的光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种CCD校正方法、系统、具有CCD校正系统的光谱仪，所述的方法包括：采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值；通过多个所述归一值确定校正规则；根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。通过采集数据建立理想值与实际值之间的映射关系，拟合出相应的校正规则，完成光谱曲线的非线性校正，实现像元的校正。

Description

一种CCD校正方法、系统、具有CCD校正系统的光谱仪
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种CCD校正方法、系统、具有CCD校正系统的光谱仪。
背景技术
目前，电荷耦合器件(CCD)作为检测器件，广泛应用于各种光学仪器，例如光谱仪中。尤其是微型光谱仪作为现代科学仪器的重要组成部分，可定性、定量检测物质组分与含量，具有快速、无损、多元数据分析等显著特点，在环保检测、工农业生产、科学实验、航空航天、国防安全等领域获得广泛应用。
线阵CCD工作原理主要是通过光子射入像元产生光电荷，再通过通过控制器读出。而控制器是由多个数模转换单元组成的，但其数量与入射光子数量并不成比例，故线阵CCD探测器会对入射光子产生非线性响应。这种非线性效应将较大地影响微型光谱仪的测量精度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种CCD校正方法、系统、具有CCD校正系统的光谱仪，用于解决现有技术中CCD检测精度不佳的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种CCD校正方法，包括：
采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值；
通过多个所述归一值确定校正规则；
根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。
可选的，根据权利要求1所述的CCD校正方法，其特征在于，归一化处理的过程：
将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
可选的，通过多个所述归一值与所述理想值确定校正规则的步骤包括：将多个所述归一值和对应的理想值进行最小二乘法处理，确定校正规则。
可选的，所述校正规则包括多个n阶多项式。
可选的，n为整数，且7≥n≥1。
可选的，所述校正规则的数学表达为：
Figure BDA0002418750220000021
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
一种CCD校正系统，包括：
采集模块，用于采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
处理模块，采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值，通过多个所述归一值确定校正规则
校正模块，根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。
可选的，所述归一化处理的步骤包括：
将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
可选的，所述校正规则包括：
Figure BDA0002418750220000022
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
具有CCD校正系统的光谱仪，所述光谱仪包括用于分光的光栅系统、用于校正的CCD校正系统以及用于采集数据的数据采集系统，由输入至输出依次设置所述光栅系统、所述CCD校正系统以及所述数据采集系统。
如上所述，本发明的CCD校正方法、系统、具有CCD校正系统的光谱仪，具有以下有益效果：
通过采集数据建立理想值与实际值之间的映射关系，拟合出相应的校正规则，完成光谱曲线的非线性校正，实现像元的校正。
附图说明
图1显示为本发明实施例的CCD校正方法流程示意图。
图2显示为本发明实施例的归一化处理的流程示意图。
图3显示为本发明实施例的CCD校正系统结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1，一种CCD校正方法，包括：
S1:采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
S2:采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值；
S3:通过多个所述归一值确定校正规则；
S4:根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正，通过采集数据建立理想值与实际值之间的映射关系，拟合出相应的校正规则，完成光谱曲线的非线性校正，实现像元的校正。
请参阅图2，在一些实施过程中，归一化处理的过程：
S21:将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
S22:将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
例如：归一化处理的过程还包括：
S211:将积分时间按等间隔(步长设为5ms-10ms)从最小调至最大，同时记录不同积分时间下输出光强最大值附近的10个像元点的对应光强值Ii(i＝1-10)；
S212:以上述步骤1方法实测的每一光强值Ii除以对应的积分时间，得到单位积分时间内的光强实测值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理；
S213:以步骤1得到的单一像元不同积分时间下的光强实测值为横坐标，以步骤2得到的单位积分时间内归一化的光强值的为纵坐标，给出10个像元的光强值的归一化结果。
在一些实施过程中，通过多个所述归一值与所述理想值确定校正规则的步骤包括：将多个所述归一值和对应的理想值进行最小二乘法处理，确定校正规则。例如，所述校正规则包括多个n阶多项式。又例如，n为整数，且7≥n≥1。
在一些实施过程中，假设按上述方法选取1-10号像元，各像元都有确定编号，采用最小二乘法进行7次多项式拟合，将10个像元光强响应值与输出光强的归一化值之间的离散关系转变为连续函数关系，得到的拟合方程就是第x号像元与对应校正光强值之间的函数关系。
所述校正规则的数学表达为：
Figure BDA0002418750220000041
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
将每一像元的实测输出光强值代入拟合多项式，得到7阶多项式的修正系数。最终得到的7阶拟合多项式如式所示：
y＝0.9982-1.1504*10-6x+2.2342*10-10x2-1.9735*10-14x3+8.5886*10-19x4-1.9316*10-23x5+2.1537*10-28x6-9.4344*10-34x7
请参阅图3，本发明实施例还提供一种CCD校正系统，包括：
采集模块01，用于采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
处理模块02，采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值，通过多个所述归一值确定校正规则
校正模块03，根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。
在一些实施过程中，所述归一化处理的步骤包括：
将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
在一些实施过程中，所述校正规则包括：
Figure BDA0002418750220000051
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
本发明实施例还提出一种具有CCD校正系统的光谱仪，所述光谱仪包括用于分光的光栅系统、用于校正的CCD校正系统以及用于采集数据的数据采集系统，由输入至输出依次设置所述光栅系统、所述CCD校正系统以及所述数据采集系统。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种CCD校正方法，其特征在于，包括：
采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值；
通过多个所述归一值确定校正规则；
根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。
2.根据权利要求1所述的CCD校正方法，其特征在于，归一化处理的过程：
将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
3.根据权利要求1所述的CCD校正方法，其特征在于，通过多个所述归一值与所述理想值确定校正规则的步骤包括：将多个所述归一值和对应的理想值进行最小二乘法处理，确定校正规则。
4.根据权利要求3所述的CCD校正方法，其特征在于，所述校正规则包括多个n阶多项式。
5.根据权利要求4所述的CCD校正方法，其特征在于，n为整数，且7≥n≥1。
6.根据权利要求1或者3所述CCD校正方法，其特征在于，所述校正规则的数学表达为：
Figure FDA0002418750210000011
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
7.一种CCD校正系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集入射光子输入像元一像元产生光电荷的理想值与实际值，获取所述理想值与所述实际值之间的斜率偏差；
处理模块，采集所述像元在不同积分时间下的斜率偏差，并在单位时间内进行归一化处理，获取归一值，通过多个所述归一值确定校正规则
校正模块，根据所述校正规则以及各个像元的实际值，确定各个所述像元的校正值，完成校正。
8.根据权7所述的CCD校正系统，其特征在于，所述归一化处理的步骤包括：
将积分时间按照等间隔调整，记录不同积分时间下输出光强值；
将各个输出光强值除以对应的积分时间，得到单位积分时间内光强的实际值，再将每一像元单位积分时间内的光强值与分别与该像元同一积分时间下的最大单位积分时间内的光强值比较，完成单位积分时间内光强值的归一化处理。
9.根据权7所述的CCD校正系统，其特征在于，所述校正规则包括：
Figure FDA0002418750210000021
其中，ak为拟合系数；xi为每一像元输出光强值，yi为每一像元对应的归一化处理结果。
10.具有CCD校正系统的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括用于分光的光栅系统、用于校正的CCD校正系统以及用于采集数据的数据采集系统，由输入至输出依次设置所述光栅系统、所述CCD校正系统以及所述数据采集系统。
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