校正光譜漂移的方法及裝置與流程

2023-12-04 10:05:01 1

本發明涉及光譜分析領域，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：

光譜儀的理想工作環境為恆溫環境，但因各種限制，環境溫度常常會發生波動，而溫度的波動會導致儀器採集的光譜位置發生漂移，影響分析結果的準確度；也會導致分析結果持續增高或下降，降低儀器的穩定性指標。目前，通常採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定；但在外界溫度變化時，光室的溫度分布仍會發生改變，光譜位置仍有微量漂移；

2.光源校準：射入校準光源(汞燈)，採集校正光譜的位置，計算出光譜偏移係數，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。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術方案中的不足，本發明提供了一種精確度高、排除主光路幹擾、單次校正時間短且實現二維光譜漂移實時校正的校正光譜漂移的方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

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)採集校正光源特徵譜線的光譜數據，根據波長與位置的關係式(xi,yi)＝f(λi)獲得特徵譜線對應的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方向尋峰得到實際坐標，進而獲得i個偏移量(Δxi,Δyi)，通過擬合獲得漂移校正係數(δx,δy)＝f(Δxi,Δyi,ωi)，所述X方向和Y方向相互垂直；

(A3)待測光源射入主光路，採集待測光源光譜數據，利用所述漂移校正係數對待測光譜的位置進行校正。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，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採集範圍，消除光譜漂移，獲得校正後待測譜線的光譜信號。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(C1)儀器空閒時，採集校正光源光譜，分別以特徵譜線對應的i個初始坐標為中心，獲取每個點對應陣列範圍內的光強數據，將每個陣列內的光強信號最大值的所在位置作為每個點優化後的初始坐標。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，(A2)步驟中，以所述優化後的初始坐標為中心在X方向和Y方向尋峰。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，所述校正光譜漂移的方法進一步包括：

(D1)根據標準光譜得出解析度與位置的關係式(ri)＝p(xi,yi)，獲得特徵譜線對應的i個解析度，其中i≥1；採集校正光源的光譜數據，獲得校正時解析度與位置的關係式(ri)＝g(xi,yi)；

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

(D3)根據待測光源的光譜數據得出解析度與位置的關係式g′(xi,yi)，通過反卷積得出校正後待測光譜的解析度關係式p′(xi,yi)，進而還原出高解析度光譜。

根據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。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，待測光源射入主光路前關閉所述校正光源。

根據上述校正光譜漂移的方法，優選地，校正光源射入校正光路前關閉待測光源。

根據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。

根據上述的校正光譜漂移的方法，優選地，所述校正光譜漂移的方法在中階級光柵二維分光系統中的應用。

本發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置。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果為：

1、本發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二維光譜圖的光譜漂移校正。

2、本發明對校正光源特徵譜線對應的多個特徵波長點的偏移量進行計算，並將所有點的偏移量進行擬合得到校正漂移係數，使得光譜漂移精確度更高。

3、本發明通過設置校正光源和校正入縫，使得校正光路與主光路分開設計，在光譜校正期間關閉主光路，消除了主光路中樣品帶來的光譜幹擾，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、本發明在儀器空閒時，根據設定頻率對校正光譜進行實時跟隨校正，在環境溫度變化較大，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、本發明以校正位置為中心擴大待測光譜採集範圍，通過多倍插值擬合得出精準的光譜位置，消除了光譜非規則漂移導致的誤差。

具體實施方式

以下說明描述了本發明的可選實施方式以教導本領域技術人員如何實施和再現本發明。為了教導本發明技術方案，已簡化或省略了一些常規方面。本領域技術人員應該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發明的範圍內。本領域技術人員應該理解下述特徵能夠以各種方式組合以形成本發明的多個變型。由此，本發明並不局限於下述可實施方式，而僅由權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)採集校正光源特徵譜線的光譜數據，根據波長與位置的關係式(xi,yi)＝f(λi)獲得特徵譜線對應的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方向尋峰得到實際坐標，進而獲得i個偏移量(Δxi,Δyi)，通過擬合獲得漂移校正係數(δx,δy)＝f(Δxi,Δyi,ωi)，所述X方向和Y方向相互垂直；

(A3)待測光源射入主光路，採集待測光源二維光譜數據，利用所述漂移校正係數計算得到待測光譜的校正位置(x+δx，y+δy)，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+δx，y+δy)為中心擴大待測光譜採集範圍，對採集範圍內的光譜數據進行多倍插值擬合以消除光譜漂移，獲得校正後待測譜線的光譜信號。

隨著環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採集校正光譜i個初始坐標各自陣列範圍內的數據進行二維尋峰，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生較大的偏移，此時若在原有的陣列範圍內尋峰可能發生不能尋峰得到實際坐標位置或實際坐標位置尋錯的情況，為了提高校正效率與準確性，對校正光源特徵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)儀器空閒時，採集校正光源光譜，分別以特徵譜線對應的i個初始坐標為中心，獲取每個點對應陣列範圍內的光強數據，將每個陣列內的光強信號最大值的所在位置作為每個點優化後的初始坐標。

進一步地，(A2)步驟中，以所述優化後的初始坐標為中心在X方向和Y方向尋峰，所述X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幹擾，故：

進一步地，待測光源射入主光路前關閉所述校正光源；

進一步地，校正光源射入校正光路前關閉待測光源。

進一步地，所述待測光源、校正光源的打開與關閉通過設置開關或軟體進行控制。

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

進一步地，所述校正光源信號與待測光源信號分區顯示，校正光源信號落在待測光源信號較弱區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中的應用。

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置，所述校正光路上設有校正入縫。

本實施例的益處在於：1.從級次方向和波長方向進行二維尋峰，實現二維光譜圖的光譜漂移校正；2.校正光路與主光路分開設計，消除主光路中樣品帶來的光譜幹擾；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採集範圍，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據和短波光譜數據，使得所述校正光譜漂移的方法同樣適用於檢測範圍較小的檢測器。

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：所述主光路上設有：

長波入縫、短波入縫，所述短波入縫位於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)根據標準光譜得出解析度與位置的關係式(ri)＝p(xi,yi)，獲得特徵譜線對應的i個解析度，其中i≥1；採集校正光源的光譜數據，獲得校正時解析度與位置的關係式(ri)＝g(xi,yi)；

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

(D3)根據待測光源光譜數據得出解析度與位置的關係式g′(xi,yi)，通過反卷積得出校正後待測光譜的解析度關係式p′(xi,yi)，從而還原出高解析度光譜。

實施例5

本發明實施例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域的應用例。

在該應用例中，校正光路與主光路分開設置，校正光路上設有校正光源、校正入縫，主光路上設有待測光源、主光路入縫，校正光源與待測光源的開啟與關閉由軟體控制，校正光源校正時關閉待測光源，待測光源測量時關閉校正光源，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；

在儀器空閒時，按設定頻率採集校正光源光譜，以特徵譜線的初始坐標(x1,y1)、(x2,y2)……(xi,yi)為中心，獲取每個點對應陣列(如5行×5列)範圍內的光強數據，將每個陣列內的光強信號最大值的所在位置作為每個點優化後的初始坐標，記為(x′1,y′1)、(x′2,y′2)……(x′i,y′i)，其中i≥1；

S2.採集校正光源特徵譜線的光譜數據，以優化後的初始坐標(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徵譜線的實際坐標(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(Δx1,Δy1)、(Δx2,Δy2)……(Δxi,Δyi)，通過擬合獲得漂移校正係數(δx,δy)＝f(Δxi,Δyi,ωi)；

當i＝1時，漂移校正係數(δx,δy)＝(Δx1,Δy1)＝(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係數，可以通過i個偏移量求平均獲得漂移校正係數，也可以通過i個偏移量多次擬合獲得；

在該應用例中，權重ωi考慮波長，即漂移校正係數(δx,δy)＝f(Δxi,Δyi,λi)；具體地，通過多點擬合獲得漂移校正係數δx＝a*λn+bλn-1+…+c，漂移校正係數δy＝m*λn+pλn-1+…+q；當n＝1時，漂移校正係數δx＝a*λ+c，δy＝m*λ+q。

每次待測光譜測量前進行光譜漂移校正；

偏移量(Δxi,Δyi)通過高斯擬合獲得，具體如下：

(1)以優化後的初始坐標(x′i,y′i)為中心，獲取第一陣列(如25行×31列)範圍內的光強數據；

(2)比較最大光強、最小光強之差與第一閾值(如設定為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，則結束此次校正，採用前次漂移校正係數；

(3)取包含最大光強在內的M(如M＝5)個像素列的光強數據，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分別找出第一個小於(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據，通過高斯擬合找出垂直方向的實際坐標y″i，計算獲得Δyi＝y″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，則結束此次校正，採用前次漂移校正係數；

根據(2)、(3)步驟獲得波長方向的漂移校正係數Δxi＝x″ix-x′i；

S3.關閉校正光路，開啟待測光源，待測光源射入主光路，採集待測光源二維光譜數據，利用所述漂移校正係數計算得到待測光譜的校正位置(x,y)＝(x+δx，y+δy)；

S4.以所述校正位置(x+δx，y+δy)為中心，根據陣列尺寸(w,h)(如7行×21列)得到子陣列至將所述子陣列範圍取整，採集取整後子陣列範圍內的光譜數據，n為陣列尺寸擴大的範圍(如n為2)；

S5.將採集的光譜數據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後的待測譜線的光譜信號。