本發(fā)明涉及光譜分析領(lǐng)域，特別涉及一種實時二維校正光譜漂移的方法及裝置。

背景技術(shù)：

光譜儀的理想工作環(huán)境為恒溫環(huán)境，但因各種限制，環(huán)境溫度常常會發(fā)生波動，而溫度的波動會導致儀器采集的光譜位置發(fā)生漂移，影響分析結(jié)果的準確度；也會導致分析結(jié)果持續(xù)增高或下降，降低儀器的穩(wěn)定性指標。目前，通常采用光室精確控溫和光源校準的方式來糾正光譜漂移，但具體存在以下缺陷：

1.光室控溫：在光室表面粘貼加熱絲、溫度檢測器和保溫棉，保持光室溫度的相對穩(wěn)定；但在外界溫度變化時，光室的溫度分布仍會發(fā)生改變，光譜位置仍有微量漂移；

2.光源校準：射入校準光源(汞燈)，采集校正光譜的位置，計算出光譜偏移系數(shù)，從而計算出其他光譜的實際位置；但光譜位置漂移時，總是伴隨著微量的縮放或畸變，導致計算出來的光譜實際位置總會存在一定偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)方案中的不足，本發(fā)明提供了一種精確度高、排除主光路干擾、單次校正時間短且實現(xiàn)二維光譜漂移實時校正的校正光譜漂移的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種校正光譜漂移的方法，所述校正光譜漂移的方法包括以下步驟：

(A1)校正光源通過校正入縫射入校正光路，得到校正光源信號；

(A2)采集校正光源特征譜線的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)波長與位置的關(guān)系式(x_i,y_i)＝f(λ_i)獲得特征譜線對應(yīng)的i個初始坐標，其中i≥1；分別以所述i個初始坐標為中心，從X方向和Y方向?qū)し宓玫綄嶋H坐標，進而獲得i個偏移量(Δ_xi,Δ_yi)，通過擬合獲得漂移校正系數(shù)(δ_x,δ_y)＝f(Δ_xi,Δ_yi,ω_i)，所述X方向和Y方向相互垂直；

(A3)待測光源射入主光路，采集待測光源光譜數(shù)據(jù)，利用所述漂移校正系數(shù)對待測光譜的位置進行校正。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(B1)以校正位置為中心擴大待測光譜采集范圍，消除光譜漂移，獲得校正后待測譜線的光譜信號。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(C1)儀器空閑時，采集校正光源光譜，分別以特征譜線對應(yīng)的i個初始坐標為中心，獲取每個點對應(yīng)陣列范圍內(nèi)的光強數(shù)據(jù)，將每個陣列內(nèi)的光強信號最大值的所在位置作為每個點優(yōu)化后的初始坐標。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，(A2)步驟中，以所述優(yōu)化后的初始坐標為中心在X方向和Y方向?qū)し濉?/p>

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(D1)根據(jù)標準光譜得出分辨率與位置的關(guān)系式(r_i)＝p(x_i,y_i)，獲得特征譜線對應(yīng)的i個分辨率，其中i≥1；采集校正光源的光譜數(shù)據(jù)，獲得校正時分辨率與位置的關(guān)系式(r_i)＝g(x_i,y_i)；

(D2)將所述p(x_i,y_i)與g(x_i,y_i)進行卷積得到h(x_i,y_i)；

(D3)根據(jù)待測光源的光譜數(shù)據(jù)得出分辨率與位置的關(guān)系式g′(x_i,y_i)，通過反卷積得出校正后待測光譜的分辨率關(guān)系式p′(x_i,y_i)，進而還原出高分辨率光譜。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，可選地，所述主光路和校正光路重疊。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，待測光源射入主光路前關(guān)閉所述校正光源。

根據(jù)上述校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，校正光源射入校正光路前關(guān)閉待測光源。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，可選地，所述校正光源為氖燈或汞燈或氙燈或氬燈。

根據(jù)上述的校正光譜漂移的方法，優(yōu)選地，所述校正光譜漂移的方法在中階級光柵二維分光系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本發(fā)明還提供一種校正光譜漂移的裝置，所述校正光譜漂移的裝置包括：

主光路、校正光源和校正光路，所述主光路和校正光路重疊或分開設(shè)置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：

1、本發(fā)明在級次方向和波長方向進行二維尋峰、位置校正，在全譜型直讀光譜儀上實現(xiàn)二維光譜圖的光譜漂移校正。

2、本發(fā)明對校正光源特征譜線對應(yīng)的多個特征波長點的偏移量進行計算，并將所有點的偏移量進行擬合得到校正漂移系數(shù)，使得光譜漂移精確度更高。

3、本發(fā)明通過設(shè)置校正光源和校正入縫，使得校正光路與主光路分開設(shè)計，在光譜校正期間關(guān)閉主光路，消除了主光路中樣品帶來的光譜干擾，大大縮短單次光譜漂移校正的時間，在每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正。

4、本發(fā)明在儀器空閑時，根據(jù)設(shè)定頻率對校正光譜進行實時跟隨校正，在環(huán)境溫度變化較大，也即光譜漂移量較大的情況下也能準確、快速地進行光譜漂移校正。

5、本發(fā)明以校正位置為中心擴大待測光譜采集范圍，通過多倍插值擬合得出精準的光譜位置，消除了光譜非規(guī)則漂移導致的誤差。

具體實施方式

以下說明描述了本發(fā)明的可選實施方式以教導本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實施和再現(xiàn)本發(fā)明。為了教導本發(fā)明技術(shù)方案，已簡化或省略了一些常規(guī)方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解下述特征能夠以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變型。由此，本發(fā)明并不局限于下述可實施方式，而僅由權(quán)利要求和它們的等同物限定。

實施例1

本實施例提供一種校正光譜漂移的方法，所述校正光譜漂移的方法包括以下步驟：

(A1)校正光源通過校正入縫射入校正光路，得到校正光源信號；

(A2)采集校正光源特征譜線的光譜數(shù)據(jù)，根據(jù)波長與位置的關(guān)系式(x_i,y_i)＝f(λ_i)獲得特征譜線對應(yīng)的i個初始坐標，其中i≥1；分別以所述i個初始坐標為中心，從X方向和Y方向?qū)し宓玫綄嶋H坐標，進而獲得i個偏移量(Δ_xi,Δ_yi)，通過擬合獲得漂移校正系數(shù)(δ_x,δ_y)＝f(Δ_xi,Δ_yi,ω_i)，所述X方向和Y方向相互垂直；

(A3)待測光源射入主光路，采集待測光源二維光譜數(shù)據(jù)，利用所述漂移校正系數(shù)計算得到待測光譜的校正位置(x+δ_x，y+δ_y)，待測光譜的位置校正包括平移校正和縮放校正。

為了消除光譜漂移，提高光譜漂移校正的準確性，故：

進一步地，所述校正光譜漂移的方法還包括：

(B1)以所述校正位置(x+δ_x，y+δ_y)為中心擴大待測光譜采集范圍，對采集范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進行多倍插值擬合以消除光譜漂移，獲得校正后待測譜線的光譜信號。

隨著環(huán)境溫度的變化等因素，光譜漂移量也一直在改變，為提高檢測結(jié)果的準確性，故：

進一步地，每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正。

每次的光譜校正過程都需要采集校正光譜i個初始坐標各自陣列范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行二維尋峰，但若儀器較長時間未檢測樣品，也即儀器長時間未校正，則光譜漂移量可能已發(fā)生較大的偏移，此時若在原有的陣列范圍內(nèi)尋峰可能發(fā)生不能尋峰得到實際坐標位置或?qū)嶋H坐標位置尋錯的情況，為了提高校正效率與準確性，對校正光源特征譜線的初始坐標進行實時跟隨校正，故：

進一步地，所述校正光譜漂移的方法包括：

(C1)儀器空閑時，采集校正光源光譜，分別以特征譜線對應(yīng)的i個初始坐標為中心，獲取每個點對應(yīng)陣列范圍內(nèi)的光強數(shù)據(jù)，將每個陣列內(nèi)的光強信號最大值的所在位置作為每個點優(yōu)化后的初始坐標。

進一步地，(A2)步驟中，以所述優(yōu)化后的初始坐標為中心在X方向和Y方向?qū)し澹鯴方向和Y方向分別為波長方向和級次方向。

為了避免校正光源與待測光源的相互干擾，故：

進一步地，待測光源射入主光路前關(guān)閉所述校正光源；

進一步地，校正光源射入校正光路前關(guān)閉待測光源。

進一步地，所述待測光源、校正光源的打開與關(guān)閉通過設(shè)置開關(guān)或軟件進行控制。

在實際檢測過程中，一個待測物質(zhì)檢測完畢，儀器光路中不可避免會存在殘留，為了排除前次樣品的干擾，故：

進一步地，所述校正光源信號與待測光源信號分區(qū)顯示，校正光源信號落在待測光源信號較弱區(qū)域以得到清晰的校正光源信號。

上述校正光譜漂移的方法在中階級光柵二維分光系統(tǒng)中的應(yīng)用。

本實施例還提供一種校正光譜漂移的裝置，所述校正光譜漂移的裝置包括：

主光路、校正光源和校正光路，所述主光路和校正光路分開設(shè)置，所述校正光路上設(shè)有校正入縫。

本實施例的益處在于：1.從級次方向和波長方向進行二維尋峰，實現(xiàn)二維光譜圖的光譜漂移校正；2.校正光路與主光路分開設(shè)計，消除主光路中樣品帶來的光譜干擾；3.對校正光譜進行實時跟隨校正；4.以校正位置為中心擴大待測光譜采集范圍，通過多倍插值擬合得出更精準的光譜位置，消除了光譜非規(guī)則漂移導致的誤差。

實施例2

本實施例提供一種校正光譜漂移的方法及裝置，與實施例1不同的是：主光路和校正光路重疊，校正光源射入主光路進行光譜漂移校正。

實施例3

本實施例提供一種校正光譜漂移的方法，與實施例1不同的是：所述主光路包括長波主光路與短波主光路，選擇性地遮擋長波主光路或短波主光路分別獲得長波光譜數(shù)據(jù)和短波光譜數(shù)據(jù)，使得所述校正光譜漂移的方法同樣適用于檢測范圍較小的檢測器。

本實施例提供一種校正光譜漂移的裝置，與實施例1不同的是：所述主光路上設(shè)有：

長波入縫、短波入縫，所述短波入縫位于所述長波入縫和校正入縫之間，使得校正光源信號落在短波信號的末端區(qū)域；

可移動的擋片，所述可移動的擋片選擇性地遮擋長波入縫或短波入縫。

實施例4

本實施例提供一種校正光譜漂移的方法，與實施例1不同的是：所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(D1)根據(jù)標準光譜得出分辨率與位置的關(guān)系式(r_i)＝p(x_i,y_i)，獲得特征譜線對應(yīng)的i個分辨率，其中i≥1；采集校正光源的光譜數(shù)據(jù)，獲得校正時分辨率與位置的關(guān)系式(r_i)＝g(x_i,y_i)；

(D2)將所述p(x_i,y_i)與g(x_i,y_i)進行卷積得到h(x_i,y_i)；

(D3)根據(jù)待測光源光譜數(shù)據(jù)得出分辨率與位置的關(guān)系式g′(x_i,y_i)，通過反卷積得出校正后待測光譜的分辨率關(guān)系式p′(x_i,y_i)，從而還原出高分辨率光譜。

實施例5

本發(fā)明實施例1的校正光譜漂移的方法及裝置在中階梯光柵光譜分析領(lǐng)域的應(yīng)用例。

在該應(yīng)用例中，校正光路與主光路分開設(shè)置，校正光路上設(shè)有校正光源、校正入縫，主光路上設(shè)有待測光源、主光路入縫，校正光源與待測光源的開啟與關(guān)閉由軟件控制，校正光源校正時關(guān)閉待測光源，待測光源測量時關(guān)閉校正光源，所述校正光源為氖燈或汞燈或氙燈或氬燈中的一種。校正光譜漂移的具體步驟如下：

S1.打開校正光源，校正光源經(jīng)校正入縫射入校正光路，得到清晰的校正光路信號；

在儀器空閑時，按設(shè)定頻率采集校正光源光譜，以特征譜線的初始坐標(x₁,y₁)、(x₂,y₂)……(x_i,y_i)為中心，獲取每個點對應(yīng)陣列(如5行×5列)范圍內(nèi)的光強數(shù)據(jù)，將每個陣列內(nèi)的光強信號最大值的所在位置作為每個點優(yōu)化后的初始坐標，記為(x′₁,y′₁)、(x′₂,y′₂)……(x′_i,y′_i)，其中i≥1；

S2.采集校正光源特征譜線的光譜數(shù)據(jù)，以優(yōu)化后的初始坐標(x′₁,y′₁)、(x′₂,y′₂)……(x′_i,y′_i)為中心，從級次反向和波長方向分別尋找校正光源特征譜線的實際坐標(x″₁,y″₁)、(x″₂,y″₂)……(x″_i,y″_i)，得到級次方向和波長方向的i個偏移量(Δ_x1,Δ_y1)、(Δ_x2,Δ_y2)……(Δ_xi,Δ_yi)，通過擬合獲得漂移校正系數(shù)(δ_x,δ_y)＝f(Δ_xi,Δ_yi,ω_i)；

當i＝1時，漂移校正系數(shù)(δ_x,δ_y)＝(Δ_x1,Δ_y1)＝(x″₁-x′₁,y″₁-y′₁)

當i≥2時，通過擬合i個偏移量獲得漂移校正系數(shù)，可以通過i個偏移量求平均獲得漂移校正系數(shù)，也可以通過i個偏移量多次擬合獲得；

在該應(yīng)用例中，權(quán)重ω_i考慮波長，即漂移校正系數(shù)(δ_x,δ_y)＝f(Δ_xi,Δ_yi,λ_i)；具體地，通過多點擬合獲得漂移校正系數(shù)δ_x＝a*λⁿ+bλ^n-1+…+c，漂移校正系數(shù)δ_y＝m*λⁿ+pλ^n-1+…+q；當n＝1時，漂移校正系數(shù)δ_x＝a*λ+c，δ_y＝m*λ+q。

每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正；

偏移量(Δ_xi,Δ_yi)通過高斯擬合獲得，具體如下：

(1)以優(yōu)化后的初始坐標(x′_i,y′_i)為中心，獲取第一陣列(如25行×31列)范圍內(nèi)的光強數(shù)據(jù)；

(2)比較最大光強、最小光強之差與第一閾值(如設(shè)定為10000)的大小，若(最大光強-最小光強)≥第一閾值，則進入下一步驟；若(最大光強-最小光強)＜第一閾值，則結(jié)束此次校正，采用前次漂移校正系數(shù)；

(3)取包含最大光強在內(nèi)的M(如M＝5)個像素列的光強數(shù)據(jù)，求得垂直方向上每個像素行上的平均光強值；比較垂直方向上的最大平均光強、最小平均光強之差與第二閾值(如設(shè)定為50)的大小，若(最大平均光強-最小平均光強)≥第二閾值，則在最大平均光強兩側(cè)分別找出第一個小于(最大平均光強-最小平均光強)/2的點作為起點和終點，取出起點和終點之間的數(shù)據(jù)，通過高斯擬合找出垂直方向的實際坐標y″_i，計算獲得Δ_yi＝y(tǒng)″_i-y′_i；

若(最大平均光強-最小平均光強)＜第二閾值，或未找到起點或終點，或高斯擬合不成功，則結(jié)束此次校正，采用前次漂移校正系數(shù)；

根據(jù)(2)、(3)步驟獲得波長方向的漂移校正系數(shù)Δ_xi＝x″_ix-x′_i；

S3.關(guān)閉校正光路，開啟待測光源，待測光源射入主光路，采集待測光源二維光譜數(shù)據(jù)，利用所述漂移校正系數(shù)計算得到待測光譜的校正位置(x,y)＝(x+δ_x，y+δ_y)；

S4.以所述校正位置(x+δ_x，y+δ_y)為中心，根據(jù)陣列尺寸(w,h)(如7行×21列)得到子陣列至將所述子陣列范圍取整，采集取整后子陣列范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)，n為陣列尺寸擴大的范圍(如n為2)；

S5.將采集的光譜數(shù)據(jù)分別從級次方向和波長方向進行多倍(如100倍)差值擬合，得到消除光譜偏移誤差后的待測譜線的光譜信號。