一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統及測量校準方法與流程
2023-06-13 05:00:56
本發明涉及環境科學、雷射雷達領域，具體為一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統及測量校準方法。
背景技術：
多軸差分吸收光譜儀是一種利用太陽散射光測量大氣痕量汙染氣體的技術，其具有測量下限低，無需光源、成本低等特點，是獲取空間汙染氣體空間分布的一種手段，然而目前的多軸差分吸收光譜儀的光譜儀模塊存在零漂、溫漂等問題，需要定期校準，而受儀器原理的限制，其標定流程較為繁瑣，通常需要專業人員對數據進行判斷和解讀，給設備的使用帶來了一定的障礙，影響了其推廣使用。
現有技術方案中，為了使光譜儀的波長儘可能穩定，通常將光譜儀放置在溫度可控的冰箱內或者用開放式的TEC控溫，然而光譜儀的波長漂移除了溫漂外，還有零漂，因此單純控溫並不是一種非常理想的解決方案，並且目前實際採用的控溫，不管是冰箱還是開放式TEC，均存在溫控性能不穩定，受環境溫度變化影響大的問題，並不能有效控溫的問題。為了減小控溫系統的缺陷，在使用中察覺到數據異常後，還需要對數據進行人工校準，這會讓一段時間內的數據無效。除了溫度影響外，光譜儀的漂移還與溼度有關，如果不對其進行有效控制，仍然會讓波長產生緩慢的漂移。
《物理學報》2007年03期的「光纖模式混合器在差分吸收光譜系統中的應用研究」、2007年01期的《大氣與環境光學學報》中的「北京冬季大氣SO2、NO2與O3的監測與分析」、以及「Hönninger, G. and Platt, U., Observations of BrO and its vertical distribution during surface ozone depletion at Alert」三篇文獻均給出了通用多軸差分吸收光譜儀的結構，在如上所述的結構中，均未對光譜儀進行有效的控溫和波長標定，設備通常只允許短期運行，無法實現長期可靠運行。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統及其測量校
準方法，採用光源的特徵窄線寬輻射對差分吸收光譜儀實時進行標定，完全消除溫度、溼度對光譜漂移的影響，甚至對震動對光譜儀的影響也能降到最低，為了達到上述目的，採用以下技術方案：一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統，包括有：接收鏡頭、光開關、光源以及光譜儀，所述光譜儀包括有：感光元件、光電轉換模塊、數據分析單元，利用光開關進行正常測量的光通道與校準測量通道的切換，正常測量的光通道包括有接收鏡頭、光開關以及光譜儀，接收鏡頭髮射的光經光譜儀分析得到實際測量值；校準測量通道包括光源、光開關以及光譜儀，光源經光譜儀分析得到的校準光譜值，利用數據分析單元對標定實際測量值校準。
優選的，所述光源可以是自然光或者寬譜光源。
優選的，所述光開關採用1×2 光開關，實現正常測量的光通道、校準測量通道的通斷切換。
優選的，所述感光元件可為線陣CCD，所述感光元件用於接收光譜儀分光光路分配的光信號，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電信號。
一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準方法，S1、利用接收鏡頭接收光，並將光經光開關傳輸給光譜儀；S2、光譜儀的數據分析單元對實際測量光進行處理分析，得到實際測量的光譜信息；S3、光開關將接收光通道更改到光源，即光源發光經光開關給光譜儀；S4、光譜儀的數據分析單元對校準光源進行處理分析，得到校準光譜信息，利用校準光譜信息對實際測量的光譜信息進行標定，即光譜儀中的線陣CCD每個像元採集到的電壓信號發送給數據分析電路，電路對光源的發射峰進行檢測，檢測發射峰的算法有最大值法、高斯擬合法、拋物線擬合法、加權平均法等，然後將發射峰進行線性擬合或者三次樣條插值擬合，實現CCD像元與波長的一一對應，完成光譜校準；S5、校準完成後，等待進入S1。
本發明還可以採用氣體的特徵吸收光譜對差分吸收光譜儀實時進行標定，避
免了溫漂、零漂和溼度等因素對光譜儀的影響，確保光譜實時有效，無需不定期的人為標定，為了達到上述目的，採用以下技術方案：一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統，包括有：接收鏡頭、光開關、光源、氣體室以及光譜儀，所述氣體室內封裝有具有一定氣壓和溫度的氣體，氣體室內氣體的特徵吸收譜線與光譜儀的光譜範圍相對應，所述光譜儀包括有：感光元件、光電轉換模塊、數據分析單元，利用光開關進行正常測量的光通道與校準測量通道的切換，正常測量的光通道包括有接收鏡頭、光開關以及光譜儀，接收鏡頭髮射的光經光譜儀分析得到實際測量值；校準測量通道包括光源、氣體室、光開關以及光譜儀，光源經氣體室、光譜儀分析得到的校準光譜值，利用數據分析單元對標定實際測量值校準。
優選的，所述光源可以是自然光或者寬譜光源。
優選的，所述光開關採用1×2 光開關，實現正常測量的光通道、校準測量通道的通斷切換。
優選的，所述感光元件可為線陣CCD，所述感光元件用於接收光譜儀分光光路分配的光信號，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電信號。
一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準方法，S1、利用接收鏡頭接收光，並將光經光開關傳輸給光譜儀；S2、光譜儀的數據分析單元對實際測量光進行處理分析，得到實際測量的光譜信息；S3、光開關將接收光通道更改到光源，即光源發光經氣體室、光開關傳給光譜儀；S4、由於光源發出的光經氣體室後會有一些特徵吸收峰，光譜儀的數據分析單元對特徵吸收峰進行檢測和計算，吸收峰檢測和計算可以由最大值法、高斯擬合法、拋物線擬合法、加權平均法實現，然後對檢測出的吸收峰進行線性擬合或者三次樣條擬合，得到CCD的探測像元與波長的一一對應關係，實現光譜信號的校準；S5、校準完成後，等待進入S1。
本發明與現有技術相比的有益效果：
本發明利用接收鏡頭將接收到的光經光開關傳輸給光譜儀，通過光譜儀的數據分析單元進行光譜數據分析處理；在測量周期間隙內，光譜儀接收到光源發射的光後進行分析，由於光源光譜信息相對於較穩定，光譜儀對具有特徵光譜線的光譜信息進行檢測和計算，校準光譜信號，採用光源的特徵窄線寬輻對光譜儀採集到光譜進行實時標定，避免了溫漂、零漂和溼度等因素對光譜儀的影響；本發明還在校準測量通道增加氣體室，光源發光經氣體室和光開關給光譜儀，由於氣體室內封裝具有一定氣壓和溫度的氣體，寬譜光源發出的光經氣體室後會有一些特徵吸收峰，光譜儀對這些特徵吸收峰進行檢測和計算，校準光譜信號，採用氣體的特徵吸收光譜對差分吸收光譜儀實時進行標定，避免了溫漂、零漂和溼度等因素對光譜儀的影響，確保光譜實時有效，無需不定期的人為標定。
附圖說明
圖1為本發明系統示意圖；
圖2為本發明的又一種實施案例的系統示意圖；
圖3為本發明中關於光開關的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合一次具體的數據做進一步的詳細說明。在此，本發明的示意性事例用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
現有技術中，通常的多軸差分吸收光譜儀由光譜儀和接收鏡頭兩部分組成，接收鏡頭包含有鏡頭轉向裝置或者分光裝置來實現多軸觀測，為了使光譜儀的波長儘可能穩定，通常將光譜儀放置在溫度可控的冰箱內或者用開放式的TEC控溫。
實施案例一：
如圖1所示，本發明提供一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統及其測量
校準方法，採用光源的特徵窄線寬輻射對差分吸收光譜儀實時進行標定，完全消除溫度、溼度對光譜漂移的影響，甚至對震動對光譜儀的影響也能降到最低。
一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統，包括有：接收鏡頭、光開關、光
源以及光譜儀，所述光譜儀包括有：感光元件、光電轉換模塊、數據分析單元，所述感光元件可為線陣CCD，所述感光元件用於接收光譜儀分光光路分配的光信號，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電信號，光譜儀的分光光路會將一束光按照波長/顏色不同分配到線陣CCD的不同像元上，像元個數通常有1024/2068個不等，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電壓值，若線陣CCD有1024個像元則有1024個電壓值，如果將像元編號作為橫軸，電壓值作為縱軸，則會形成一條高低變化的曲線，對曲線上的一些峰通過尋峰算法，包括最大值法、高斯擬合、拋物線擬合等算法尋找出來，然後將擬合峰的橫坐標和查表得到的這些峰的標準波長對應，已知峰的標準波長是有資料庫可以查詢到的，進行線性或者非線性擬合，記得到像元與波長的對應關係。
如圖3所示，所述光開關採用1×2 光開關，可選用機械式的也可選用電光開關，其目的是實現正常測量的光通道、校準測量通道的通斷切換，即測量周期內只有正常測量的光通道處於通的狀態，而在測量周期間隙內，正常測量的光通道處於關閉的狀態，而此時校準測量通道處於通的狀態，採用結構的優點是，減少兩個通道之間的相互幹擾，使得測量值更精確，測量周期以及測量周期間隙的時間長度、切換的頻率可以通過光開關的內部電路進行調整，由於光開關屬於現有技術，其工作方式在此不做冗餘介紹。
利用光開關進行正常測量的光通道與校準測量通道的切換，正常測量的光通
道包括有接收鏡頭、光開關以及光譜儀，接收鏡頭髮射的光經光譜儀分析得到實際測量值，測量周期內，接收鏡頭髮射的光經光開關光譜儀分析得到實際測量值，確切的說是經過光電轉換模塊得到與線陣CCD像元個數相對應的電壓值數量，得到以像元編號、電壓值為坐標軸的曲線，並經過現有已知的尋峰算法進行尋峰，並得到鋒的波長，進而得到像元與波長的關係，更明確地說是得到光譜信息，即看出實際測量的光的不同波長的分布狀態。
校準測量通道包括光源、光開關以及光譜儀，光源經光譜儀分析得到的校準
光譜值，確切的說是得到校準光源的光譜信息，即看出作為參考值的光源的不同波長的分布狀態，所述光源可以是自然光或者寬譜光源，優選汞燈、氙燈、鈉燈或其他可發射特徵光譜線的光源，其發射的光穩定，受溫度、溼度影響小，即產生的溫漂、零漂小，測量的值更精確，用於對實際測量光譜標定，無需採用將光譜儀放置於溫度可控的冰箱內或者用開放式的TEC控溫，結構更簡單、操作更便捷。
採用上述系統進行校準，其方法為：S1、利用接收鏡頭接收光，並將光經光開關傳輸給光譜儀；S2、光譜儀的數據分析單元對實際測量光進行處理分析，得到實際測量的光譜信息；S3、光開關將接收光通道更改到光源，即光源發光經光開關給光譜儀；S4、光譜儀的數據分析單元對校準光源進行處理分析，得到校準光譜信息，利用校準光譜信息對實際測量的光譜信息進行標定，即光譜儀中的線陣CCD每個像元採集到的電壓信號發送給數據分析電路，電路對光源的發射峰進行檢測，檢測發射峰的算法有最大值法、高斯擬合法、拋物線擬合法、加權平均法等，然後將發射峰進行線性擬合或者三次樣條插值擬合，實現CCD像元與波長的一一對應，完成光譜校準；S5、校準完成後，等待進入S1。
實施案例二：本發明還可以採用氣體的特徵吸收光譜對差分吸收光譜儀實時
進行標定，避免了溫漂、零漂和溼度等因素對光譜儀的影響，確保光譜實時有效，無需不定期的人為標定。
一種多軸差分吸收光譜儀的實時校準系統，由於光源的光為寬譜的，沒有特徵吸收峰的光，為此在實施案例一的基礎上增加氣體室，如圖2所示，本系統包括有：接收鏡頭、光開關、光源、氣體室以及光譜儀，所述氣體室內封裝有具有一定氣壓和溫度的氣體，氣體室內氣體的特徵吸收譜線與光譜儀的光譜範圍相對應，所述光譜儀包括有：感光元件、光電轉換模塊、數據分析單元，利用光開關進行正常測量的光通道與校準測量通道的切換，正常測量的光通道包括有接收鏡頭、光開關以及光譜儀，接收鏡頭髮射的光經光譜儀分析得到實際測量值；校準測量通道包括光源、氣體室、光開關以及光譜儀，光源經氣體室、光譜儀分析得到的校準光譜值，利用數據分析單元對標定實際測量值校準。
優選的，氣體室內封裝具有一定氣壓和溫度的氣體，寬譜光源發出的光經氣體室後會有一些特徵吸收峰，經過氣體室後，光源發的光會有一些波長被氣體吸收，光譜就變得不平滑了，有一些吸收峰，能夠提高分析的靈敏度。
優選的，氣體室內封裝的氣體時，如果測量些紫外有吸收的汙染氣體（NO2、SO2、O3等），氣體室可以封裝SO2氣體，因為SO2氣體在紫外有強吸收，且吸收峰分布寬，線寬窄，容易分辨；如果要測量近紅外有吸收的汙染氣體（CH4、C2H2等），氣體室可以封裝C2H2氣體，原因與SO2類似，只是C2H2的吸收峰在近紅外波長區。
優選的，所述光源可以是自然光或者寬譜光源，優選汞燈、氙燈、鈉燈或其他可發射特徵光譜線的光源，其發射的光穩定，受溫度、溼度影響小，即產生的溫漂、零漂小，測量的值更精確，用於對實際測量光譜標定，無需採用將光譜儀放置於溫度可控的冰箱內或者用開放式的TEC控溫，結構更簡單、操作更便捷。
優選的，所述光開關採用1×2 光開關，實現正常測量的光通道、校準測量通道的通斷切換。
優選的，所述感光元件可為線陣CCD，所述感光元件用於接收光譜儀分光光路分配的光信號，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電信號，優選電壓信號，光譜儀的分光光路會將一束光按照波長/顏色不同分配到線陣CCD的不同像元上，像元個數通常有1024/2068個不等，所述光電轉換模塊用於將光信號轉換為電壓值，若線陣CCD有1024個像元則有1024個電壓值，如果將像元編號作為橫軸，電壓值作為縱軸，則會形成一條高低變化的曲線，對曲線上的一些峰通過尋峰算法，包括最大值法、高斯擬合、拋物線擬合等算法尋找出來，然後將擬合峰的橫坐標和查表得到的這些峰的標準波長對應，已知峰的標準波長是有資料庫可以查詢到的，進行線性或者非線性擬合，記得到像元與波長的對應關係。
採用上述系統進行實時校準標定，其方法為：S1、利用接收鏡頭接收光，並將光經光開關傳輸給光譜儀；S2、光譜儀的數據分析單元對實際測量光進行處理分析，得到實際測量的光譜信息；S3、光開關將接收光通道更改到光源，即光源發光經氣體室、光開關傳給光譜儀；S4、由於光源發出的光經氣體室後會有一些特徵吸收峰，光譜儀的數據分析單元對特徵吸收峰進行檢測和計算，吸收峰檢測和計算可以由最大值法、高斯擬合法、拋物線擬合法、加權平均法實現，然後對檢測出的吸收峰進行線性擬合或者三次樣條擬合，得到CCD的探測像元與波長的一一對應關係，實現光譜信號的校準；S5、校準完成後，等待進入S1。
本專利申請中，實施案例一、二所採用的實時校準系統，實現間隔的實際測量和校準測量，是為了避免了震動對光譜儀的影響，由于震動會讓光譜儀的線陣CCD相對光開關的相對位置變化，使原先標定的CCD像元和波長的對應關係失效，實時標定和校準功能會將震動導致的CCD像元和波長的變化實時糾正，使設備能夠在有震動的環境下運行，完全勝任實驗室和車載需要，為儀器的可靠運行提供一種有效的解決方案。