一种使用连续光谱光源对宽波段单色仪进行定标的方法

本发明属于光谱测量，具体涉及一种使用连续光谱光源对宽波段单色仪进行定标的方法。

背景技术：

1、单色仪是一种常用的光学仪器，单色仪在使用前必须进行波长定标以保证在使用时输出的波长准确性。单色仪内部一般采用旋转光栅来实现波长切换功能，波长定标的过程就是建立光栅角度和输出波长关系的过程。传统的单色仪在宽波段范围内进行定标多采用谱线灯作为光源，然后在单色仪的出缝处放置探测器（如光电倍增光、ingaas探测器等），通过精细旋转光栅，建立光栅角度与探测器信号强度之间的关系曲线，然后通过高斯拟合对建立的关系曲线的各个峰值附近数据进行拟合，提取中心波长和光栅角度，并通过合适的函数多项式进行拟合，从而完成波长定标。公开号为cn121230875a的中国专利公开了一项名称为一种光栅光谱仪自动化波长定标的方法及装置的技术方案，其选用覆盖工作波段的原子谱线灯，采用了不少于5条谱线进行了自动化波长定标，拟合曲线采用二阶多项式。使用谱线灯定标时，由于谱线是离散的，单波长的能量较弱，使用普通的硅光电池不能有效的检测到完整的峰值信号，因此一般需要配合灵敏度较高的光电倍增管等类型的探测器作为能量接收器，这些探测器价格贵，驱动电路复杂；且由于其灵敏度较高，也需要做防杂光处理，否则，环境光很容易将被测信号光淹没，无法测到完整的峰值信号。另外，由于谱线灯的特征波长数量有限，当单色仪的工作波段较宽时，单个探测器也无法响应整个定标波段的能量信号，因此定标时需要切换探测器，且实际的定标峰数量有限，拟合关系重复性可能会存在误差。

2、公开号为cn115704712b的中国专利从开了一项名称为单色仪波长误差校准装置及校准的技术方案，采用超连续谱激光器和干涉组件，利用干涉条纹的明暗变化，对单色仪进行了定标。使用单波长激光器只能对有限的波长点进行测量，且使用前也需要对激光器的波长进行校准，能够获取的有效数据点有限，限制了定标的精度。超连续激光器和干涉组件进行定标的方案成本较高，不适合宽波段光谱仪的波长定标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种使用连续光谱光源对宽波段单色仪进行定标的方法，解决现有技术存在的单波长能量较弱、无法测到完整的峰值信号、以及能够获取的有效数据点有限，限制定标的精度的问题。

2、为实现上述目的，本发明的一种使用连续光谱光源对宽波段单色仪进行定标的方法采用的定标系统包括光源、光纤、光纤光谱仪和pc机；所述光源为连续光源，所述光纤光谱仪为经过波长校准的光谱仪；

3、所述的定标的方法包括以下步骤：

4、步骤一：搭建光路，并点亮光源预热，直到输出光谱能量稳定；

5、步骤二：控制待定标单色仪的色散元件按照固定角度步进旋转，完整扫描色散元件全部工作区间，每完成一次角度步进，同步记录当前色散元件转角，并采集对应完整光谱曲线，通过高斯拟合提取光谱曲线中衍射峰的中心波长；

6、步骤三：采用多级衍射等效波长换算的方式获得色散元件转角及对应真实波长，具体为：

7、若单色仪当前输出的光波长在光纤光谱仪探测波段范围内，衍射峰的中心波长作为真实波长，记录色散元件转角与真实波长；

8、在单色仪当前输出的光波长超出光纤光谱仪直接探测波段范围，采用多级衍射等效波长计算获得真实波长，记录色散元件转角与真实波长；

9、步骤四：对步骤三获得的多个色散元件转角及真实波长进行采样，获取多个数据点，对采样的多个数据点进行曲线拟合，生成色散元件的转角-波长对应定标曲线，完成单色仪波长定标。

10、步骤三所述的采用多级衍射等效波长计算获得真实波长具体为：利用光栅多级衍射等效关系，同一转角下波长λ的m级衍射光与波长mλ的一级衍射光同步出射，采集可被光纤光谱仪检测到的波长λ的m级衍射光的衍射峰中心波长，长波一级衍射的真实波长即为λ的m级衍射光的衍射峰中心波长×衍射级数m。

11、所述待定标单色仪为czerny-turner三光栅切换式单色仪，内部的三个光栅工作波段分别为300≤工作波段≤650nm、650＜工作波段≤1200nm、1200＜工作波段≤2000nm；所述光纤光谱仪探测波段为300-1100nm；完成步骤一后，分别采用步骤二-步骤四对每块光栅进行定标。

12、对于工作波段为300≤工作波段≤650nm的第一个光栅定标过程为：

13、步骤1）：旋转至第一个光栅的理论起始位置，按照固定步进间隔扫描至第一个光栅的结束位置，每步进一次，记录第一个光栅转角，读取对应光纤光谱仪的光谱曲线并存储，高斯拟合提取光谱曲线中衍射峰的中心波长；

14、步骤2）：将步骤1）获取的中心波长作为真实波长，记录第一个光栅转角及对应的真实波长；

15、步骤3）：对步骤2）获得的多个第一个光栅转角及对应的真实波长进行采样，获取多个数据点，对采样的多个数据点进行曲线拟合，生成第一个光栅转角-波长对应定标曲线，完成第一个光栅波长定标。

16、对于工作波段为650＜工作波段≤1200nm的第二个光栅定标过程为：

17、步骤1）：旋转至第二个光栅的理论起始位置，按照固定步进间隔扫描至第二个光栅的结束位置，每步进一次，记录第二个光栅转角，读取对应光纤光谱仪的光谱曲线并存储，高斯拟合提取光谱曲线中衍射峰的中心波长；

18、步骤2）：工作波段为650＜工作波段≤1000nm的，将步骤1）获取的中心波长作为真实波长，记录第二个光栅转角及对应的真实波长；

19、工作波段为1000＜工作波段≤1200nm的，采用二级衍射谱换算，将步骤1）获取的中心波长乘二作为真实波长，记录第二个光栅转角及对应的真实波长；

20、步骤3）：对步骤2）获得的多个第二个光栅转角及对应的真实波长进行采样，获取多个数据点，对采样的多个数据点进行曲线拟合，生成第二个光栅转角-波长对应定标曲线，完成第二个光栅波长定标。

21、对于工作波段为1200＜工作波段≤2000nm的第三个光栅定标过程为：

22、步骤1）：旋转至第三个光栅的理论起始位置，按照固定步进间隔扫描至第三个光栅的结束位置，每步进一次，记录第三个光栅转角，读取对应光纤光谱仪的光谱曲线并存储，高斯拟合提取光谱曲线中衍射峰的中心波长；

23、步骤2）：采用二级衍射谱换算，将步骤1）获取的中心波长乘二作为真实波长，记录第三个光栅转角及对应的真实波长；

24、步骤3）：对步骤2）获得的多个第三个光栅转角及对应的真实波长进行采样，获取多个数据点，对采样的多个数据点进行曲线拟合，生成第三个光栅转角-波长对应定标曲线，完成第三个光栅波长定标。

25、步骤一所述的搭建光路具体为：将光源置于待定标单色仪的入射狭缝前端，光纤两端分别连接待定标单色仪的出射狭缝和光纤光谱仪，pc机分别通信连接待定标单色仪的光栅转台以及光纤光谱仪；光源发出的光经待定标单色仪的入射狭缝进入待定标单色仪，待定标单色仪经出射狭缝发出的光经光纤传输至光纤光谱仪。

26、所述光源为溴钨灯、连续光谱的led、氙灯或多个波段的led的组合。

27、步骤四中所述的曲线拟合方式采用线性拟合，单套色散元件采集的数据点数量不少于20组，拟合相关系数r2≥0.9995。

28、所述光纤光谱仪波长精度为0.05nm，光谱带宽优于1nm。

29、本发明的有益效果为：本发明的一种使用连续光谱光源对宽波段单色仪进行定标的方法使用连续光谱和光谱仪对宽工作波段单色仪进行波长定标；光谱仪的探测器一般采用线阵ccd作为感光元件，灵敏度高，且经过定标后的精度较高，常规的可见-近红外光谱仪可覆盖300-1100nm的工作波段；使用白光（如led、溴钨灯、氙灯等）作为光源输入，控制单色仪旋转，在光纤光谱仪上可以检测到当前光栅入射角度下出射的单色光波长和带宽，在300-1100nm波段可以直接读取单色仪的中心波长和带宽，在超过光谱仪测量范围的1100-2000nm波段内可以利用光源的多级谱进行波长定标。本发明利用了白光光源的波长连续性，可以实现极高分辨率采样，为波长定标数据提供足量的数据点用于拟合，从而提高波长定标精度，且白光光源和光谱仪均为常规试验设备，因此可以大幅度降低波长定标复杂度，提高定标效率。根据单色仪宽工作波段的特点，在短波长时可以采用光栅一级衍射进行定标，在长波长时可以使用光栅的二级或者三级光进行定标。与使用谱线灯或激光器与单点探测器配合的方案相比，本发明的方法简单，可行性更高，成本可控，连续光谱的光源和光纤光谱仪非常容易获得。本发明中的方法采样点数取决于光栅驱动机构的角度分辨率，也可以根据实际需要增加采样点数。本发明充分利用了光栅的多级谱衍射，配合光纤光谱仪高灵敏度探测的特性，避免了传统方法中定标过程需要切换探测器的问题，并且基本不受环境光的影响，大大提高了定标效率。