CN111998944A - 一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置及方法，其中装置包括：标准光源、光源控制器、1×N光开关、可调光衰减器、1×2光开关、标准光功率计、驱动电路；标准光源可以是具有物质吸收谱线或原子发射谱线的光源，也可以是窄线宽且功率稳定的激光器或可调谐激光源。标准光源分别由光源控制器控制产生特定波长的谱线。标准光源由光纤接入1×N光开关的任一通道，1×N光开关根据控制指令选择通道，选择一个标准光源的输出光通过，进入可调光衰减器。本发明的基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，采用1×N光开关自动切换多种光源组合的方式，无需手动切换，可适用于宽波段光谱仪的多种标准光源的波长校准和功率校准。

Description

一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱仪校准技术领域，尤其涉及的是，一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置及方法。

背景技术

目前，光栅光谱仪主要分为由固定式光栅式和转动光栅式两种结构。其中固定光栅式结构，光栅不转动，利用线阵探测器，在光谱成像谱面处采集光谱信号，由于光谱带在光敏面上的非均匀分布，需要标定光波长值与探测器像元位置的函数关系。而转动光栅式光谱仪，采用电机驱动光栅旋转，利用单点探测器采集光谱信号，需要标定光波长值与光栅转角的函数关系。因此，现有的两种结构的光栅光谱仪，均需要对波长进行校准。另外，由于光栅的衍射效率、探测器的响应效率随波长变化而变化，在光谱仪的研制过程中，还需对光谱响应幅值与输入光功率的关系进行校准。

发明专利“一种紫外光谱仪波长校准方法”(申请号：201210252005.4)，公开了一种紫外光谱仪波长校准方法，主要由532nm基频激光器、稳频系统、倍频系统及伺服控制系统组成。532nm的基频激光器通过分光元件分成两路，一路通过稳频装置，稳频装置提供一个频率稳定的参考频率，如果基频激光的频率偏离参考频率，稳频装置会产生反馈信号，该信号通过伺服控制系统，调节基频激光器的腔长，保证532nm的基频光频率稳定在稳频装置提供的参考频率上，保证532nm的激光频率的稳定；另一路通过倍频装置产生266nm的紫外激光，由于532nm基频光频率稳定，则266nm的倍频激光的频率也会保持稳定，通过光耦合系统后，进入紫外光谱仪，开展紫外光谱仪校准。

论文“基于多项式拟合残差法的光纤光谱仪的波长定标方法研究”(长春理工大学学报，第40卷第1期，第14～18页，2017年2月)，公开了一种利用汞-氩校准光源，应用多项式拟合残差法对光纤光谱仪进行波长定标的方法，通过波长定标灯已知的特征谱线和谱线峰值对应的像素点来建立多项式数值模型，再将拟合之后所得到的数值模型利用差值计算出像素点所对应的波长。论文“一种简单精确的CCD阵列光谱仪波长定标方法”(红外与激光工程，第47卷第S1期，S117002，2018年6月)，公开了一种基于汞氩校准光源的简单精确的CCD光谱仪波长定标方法，使用自动分解算法和Voigt线状谱模型来优化定标光谱的形状，并且可以获得每个定标峰的峰值点的精确值。利用该方法可以消除带宽和噪声的影响，特别是重叠峰可以被同时分解成几个单峰，极大地简化了定标过程。

上述中，(1)现有的光谱仪校准装置及方法，采用单一光源产生标准特征谱线，标定出标准波长值对应的探测器像元位置或者电机步进位置，并拟合出两者之间的函数关系。而对于宽波段的光谱仪，由于波长范围很宽，用于校准的光源谱线较少，无法完全覆盖整个波段且并且分布不均匀，导致拟合误差较大。因此，采用单一光源的特征谱线单一、定标精度较差，无法满足宽波段光谱仪的校准要求。(2)现有技术，在光谱仪校准过程中，由于频繁更换光纤，操作繁琐，效率低，耗时较长。

发明内容

本发明提出的一种基于多种光源同时校准的光谱仪校准装置及方法，采用多种光源组合的方式，形成覆盖宽波段且均匀分布的多特征谱线校准源。使用该装置及方法，无需手动更换光源及光纤，提升操作便捷性，并且能够自动选择输入光源和自动扫描，并准确搜索每个光源的特征谱线峰值位置，进行自动波长定标与功率校准，提高校准精度和速度。

本发明的技术方案如下：一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，包括标准光源、光源控制器、1×N光开关、可调光衰减器、1×2光开关、标准光功率计、驱动电路；工作原理为：标准光源分别由光源控制器控制产生特定波长的谱线；标准光源由光纤接入1×N光开关的任一通道，1×N光开关根据控制指令选择通道，选择一个标准光源的输出光通过，进入可调光衰减器；可调光衰减器，根据标准光源的输出功率，进行自适应调节衰减值，确保进入光谱仪的功率不饱和；光信号由可调光衰减器衰减后，进入1×2光开关，1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计，标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率大小。先将1×2光开关切换至2通道，将光输入到标准光功率计，利用标准光功率计测量光信号的功率大小，再将1×2光开关切换至1通道，使得光信号进入光谱仪中。则标准光功率所测功率值大小，即为进入光谱仪中的真实光功率大小。

上述中，所述标准光源是具有物质吸收谱线或原子发射谱线的光源，或是窄线宽且功率稳定的激光器或可调谐激光源。

上述中，所述标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率大小。

上述中，还包括光信号进入分光系统后，经衍射分光后，达到探测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号，再经放大滤波电路后，经AD采样电路进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号，传入FPGA，再上传至上位机CPU中；上述分光系统、探测器、放大滤波电路、AD采样电路及FPGA组成光谱仪。

在上述内容的基础上，还包括一种基于多光源的宽波段光谱仪波长校准方法，具体步骤如下：

步骤201：在进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准波长校准光源i(i＝1,2,3,…,m)；

步骤204：设置可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤205：将1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤204，直至所得到的谱形完整；如果功率不饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线峰值位置；

步骤209：将搜索特征谱线峰值位置进行保存；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源；当校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×N光开关，选通第i+1标准光源，重复步骤202；当校准光源i等于m个波长校准光源，即i＝m，即所有的标准波长校准光源都已使用，进入步骤211；

步骤211：所有的特征峰位置都已保存，则进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：得到多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵中，完成波长校准。

在上述内容的基础上，还包括一种基于多光源的宽波段光谱仪功率校准方法，具体步骤如下：

步骤301：在进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，并设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准功率校准光源j(j＝1,2,3,…,n)；

步骤304：可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤305：1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤306：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤307：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤304，直至所得到的谱形完整；如果不饱和则进入步骤308；

步骤308：1×2光开关选择2通道；

步骤309：将光输入到标准光功率计，测试功率值；

步骤310：将测试功率值与光谱仪测得功率值进行比较，计算功率校准系数；

步骤311：判断标准功率校准光源j是否等于n个功率校准光源，否则进入步骤302，当标准功率校准光源j等于n个功率校准光源，即j＝n，即所有的标准功率校准光源都已使用，进入步骤312；

步骤312：根据n个标准功率校准光源，所测得的功率校准系数，拟合出整个波段的功率校准曲线，完成功率校准。

采用本发明的技术方案：(1)与现有技术相比，本发明的基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，最多可扩展到N个标准光源，具有很强的扩展性。(2)与现有技术相比，本发明无需手动更换光源或光线，实现全自动校准，操作简单，提高效率。(3)本发明在宽波段光谱仪的校准中，形成均匀覆盖全波段的特征波长点，与现有技术相比，具有更多的校准点数，降低了拟合误差，提高了波长定标精度。(4)与现有技术相比，本发明的功率校准，采用多个功率校准光源，在全波段范围内形成功率校准点，提高功率校准精度。

附图说明

图1为本发明基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置框图。

图2为本发明基于多光源的宽波段光谱仪精确波长校准流程图。

图3为本发明基于多光源的宽波段光谱仪精确功率校准流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一

本发明的一个实施例是，基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，如图1所示，包括标准光源、光源控制器、1×N光开关、可调光衰减器、1×2光开关、标准光功率计、驱动电路；工作原理为：(1)标准光源可以是具有物质吸收谱线或原子发射谱线的光源，也可以是窄线宽且功率稳定的激光器或可调谐激光源。标准光源分别由光源控制器控制产生特定波长的谱线。(2)标准光源由光纤接入1×N光开关的任一通道，1×N光开关根据控制指令选择通道，选择一个标准光源的输出光通过，进入可调光衰减器。(3)可调光衰减器，根据标准光源的输出功率，进行自适应调节衰减值，确保进入光谱仪的功率不饱和，既能保护探测器不被烧坏，也能保证特征谱线的形状完整。(4)光信号由可调光衰减器衰减后，进入1×2光开关，1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计(5)标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率大小。(6)光信号进入分光系统后，经衍射分光后，达到探测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号。再经放大滤波电路后，经AD采样电路进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号，传入FPGA，再上传至上位机CPU中。其中，分光系统、探测器、放大滤波电路、AD采样电路及FPGA组成光谱仪。

基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置可适用于宽波段光谱仪的多种标准光源同时校准，根据1×N光开关的通道数N，最多可扩展到N个标准光源，其中的标准光源包含m个波长校准光源和n个功率校准光源，并且m+n≤N。

图1所示的基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，具有波长校准与功率校准两部分功能，先进行波长校准，在波长校准完成后，再进行功率校准。波长校准和功率校准均可利用本装置完成，无需插拔光纤，操作简便。

实施例二

在上述实施例的基础上，本发明提供一种基于多光源的宽波段光谱仪波长校准方法，流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤201：在进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准波长校准光源i(i＝1,2,3,…,m)；

步骤204：设置可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤205：将1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤204，直至所得到的谱形完整；如果功率不饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线峰值位置；

步骤209：将搜索特征谱线峰值位置进行保存；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源；当校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×N光开关，选通第i+1标准光源，重复步骤202；当校准光源i等于m个波长校准光源，即i＝m，即所有的标准波长校准光源都已使用，进入步骤211；

步骤211：所有的特征峰位置都已保存，则进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：得到多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵中，完成波长校准。

实施例三

在上述实施例的基础上，本发明提供本发明提供一种基于多光源的宽波段光谱仪功率校准方法，流程如图3所示，具体步骤如下：

步骤301：在进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，并设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准功率校准光源j(j＝1,2,3,…,n)；

步骤304：可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤305：1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤306：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤307：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤304，直至所得到的谱形完整；如果不饱和则进入步骤308；

步骤308：1×2光开关选择2通道；

步骤309：将光输入到标准光功率计，测试功率值；

步骤310：将测试功率值与光谱仪测得功率值进行比较，计算功率校准系数；

步骤311：判断标准功率校准光源j是否等于n个功率校准光源，否则进入步骤302，当标准功率校准光源j等于n个功率校准光源，即j＝n，即所有的标准功率校准光源都已使用，进入步骤312；

步骤312：根据n个标准功率校准光源，所测得的功率校准系数，拟合出整个波段的功率校准曲线，完成功率校准。

本发明解决的技术问题：(1)本发明的基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，采用1×N光开关自动切换多种光源组合的方式，无需手动切换，可适用于宽波段光谱仪的多种标准光源的波长校准和功率校准。(2)本发明中的基于多光源的波长校准方法，充分利用多个波长校准光源的特征谱线，形成均匀覆盖全波段的特征波长点。(3)本发明中的基于多光源的功率校准方法，采用多个功率校准光源，在全波段范围内形成功率校准点。自动控制标准光功率计，并监测光功率的测试值，与光谱仪的功率测试值进行对比，计算功率校准系数，拟合出全波段的功率校准曲线。

采用本发明的技术方案：(1)与现有技术相比，本发明的基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，最多可扩展到N个标准光源，具有很强的扩展性。(2)与现有技术相比，本发明无需手动更换光源或光线，实现全自动校准，操作简单，提高效率。(3)本发明在宽波段光谱仪的校准中，形成均匀覆盖全波段的特征波长点，与现有技术相比，具有更多的校准点数，降低了拟合误差，提高了波长定标精度。(4)与现有技术相比，本发明的功率校准，采用多个功率校准光源，在全波段范围内形成功率校准点，提高功率校准精度。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于多光源的宽波段光谱仪精确校准装置，其特征在于，包括标准光源、光源控制器、1×N光开关、可调光衰减器、1×2光开关、标准光功率计、驱动电路；工作原理为：标准光源分别由光源控制器控制产生特定波长的谱线；标准光源由光纤接入1×N光开关的任一通道，1×N光开关根据控制指令选择通道，选择一个标准光源的输出光通过，进入可调光衰减器；可调光衰减器，根据标准光源的输出功率，进行自适应调节衰减值，确保进入光谱仪的功率不饱和；光信号由可调光衰减器衰减后，进入1×2光开关，1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计，标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率大小。

2.如权利要求1所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，所述标准光源是具有物质吸收谱线或原子发射谱线的光源，或是窄线宽且功率稳定的激光器或可调谐激光源。

3.如权利要求2所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，所述标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率大小，先将1×2光开关切换至2通道，将光输入到标准光功率计，利用标准光功率计测量光信号的功率大小，再将1×2光开关切换至1通道，使得光信号进入光谱仪中；则标准光功率所测功率值大小，即为进入光谱仪中的真实光功率大小。

4.如权利要求3所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，还包括光信号进入分光系统后，经衍射分光后，达到探测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号，再经放大滤波电路后，经AD采样电路进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号，传入FPGA，再上传至上位机CPU中；上述分光系统、探测器、放大滤波电路、AD采样电路及FPGA组成光谱仪。

5.一种基于多光源的宽波段光谱仪波长校准方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤201：在进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准波长校准光源i(i＝1,2,3,…,m)；

步骤204：设置可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤205：将1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤204，直至所得到的谱形完整；如果功率不饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线峰值位置；

步骤209：将搜索特征谱线峰值位置进行保存；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源；当校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×N光开关，选通第i+1标准光源，重复步骤202；当校准光源i等于m个波长校准光源，即i＝m，即所有的标准波长校准光源都已使用，进入步骤211；

步骤211：所有的特征峰位置都已保存，则进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：得到多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵中，完成波长校准。

6.一种基于多光源的宽波段光谱仪功率校准方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤301：在进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，并设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机CPU通过FPGA控制1×N光开关选择标准功率校准光源j(j＝1,2,3,…,n)；

步骤304：可调光衰减器的初始衰减值为0dB，并依次增加10dB；

步骤305：1×2光开关选择1通道，将光输入光谱仪中；

步骤306：光谱仪根据采集到的光谱功率，调节可调光衰减器的衰减值；

步骤307：判断测试功率是否饱和，如果功率饱和，则重复步骤304，直至所得到的谱形完整；如果不饱和则进入步骤308；

步骤308：1×2光开关选择2通道；

步骤309：将光输入到标准光功率计，测试功率值；

步骤310：将测试功率值与光谱仪测得功率值进行比较，计算功率校准系数；

步骤311：判断标准功率校准光源j是否等于n个功率校准光源，否则进入步骤302，当标准功率校准光源j等于n个功率校准光源，即j＝n，即所有的标准功率校准光源都已使用，进入步骤312；

步骤312：根据n个标准功率校准光源，所测得的功率校准系数，拟合出整个波段的功率校准曲线，完成功率校准。

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