一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法及系统与流程

1.本发明属于光谱校正技术领域，具体涉及一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法及系统。


背景技术：

2.傅里叶变换红外光谱技术作为一种综合性探测技术，近年来得以快速发展。大气中大多数的微量、痕量气体都是红外活性气体，在2～30μm波段范围内具有吸收和发射红外特征光谱的能力，上述波段称为中红外区指纹波段，对于光谱测量非常有利。
3.傅里叶变换红外光谱技术利用分光束干涉原理，将迈克尔逊干涉仪、调制技术与计算机技术结合，通过傅里叶变换的方法，实现由干涉图到光谱的还原；再根据得到的光谱学反演出待测气体的浓度。该技术在空气污染物监测中应用前景非常广泛。
4.基于傅里叶变换红外光谱技术的开路式气体分析仪广泛应用于工业园区周边，能实现工业园区环境质量的在线监测。工业园区周边的污染物成分复杂，各成分间的吸收光谱存在交叉干扰。虽然可以通过智能识别算法去除污染物之间的交叉干扰，达到精确定量的效果；但是，智能识别算法对光谱仪精度的依赖性很高，如果光谱仪波数稍有漂移就会导致测量结果偏差巨大。
5.因此，对光谱仪波数漂移定期自动校正对保证数据质量有着重要的意义。


技术实现要素：

6.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供满足前述需求的一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法及系统。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法，包括以下步骤：
9.s1、开启校正光源，校正光源发出的红外光束经过校正气体室后进入光谱仪，光谱仪得到检测干涉信号；其中，校正气体室内充满氟化氢气体；
10.s2、对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号的数据列分别进行补零处理，之后再进行傅里叶变换，得到检测吸收光谱和校正吸收光谱；
11.s3、根据氟化氢气体的吸收峰对应的波数以及校正干涉信号的采样间距，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数；
12.s4、根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正。
13.作为优选方案，所述步骤s2中，对检测干涉信号以及校正干涉信号的数据列分别进行补零处理，具体包括：对检测干涉信号x(n)和校正干涉信号y(n)的数据列的两端分别填入m位0数据，得到数据列x(n 2m)和y(n 2m)；其中，m为正整数，n为采样点数；
14.之后再对数据列x(n 2m)和y(n 2m)进行傅里叶变换，分别得到检测吸收光谱s(n 2m)和校正吸收光谱t(n 2m)。
15.作为优选方案，所述步骤s3中，氟化氢气体的吸收峰对应的波数设为4000cm-1
，校
正干涉信号的采样间距a nm，则4000cm-1
对应光谱的第个数据；其中，《
·
》为取整符号。
16.作为优选方案，所述步骤s3中，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数，包括：
17.在4000cm-1
对应光谱的第个波数附近取透光率最小值对应的波数：
[0018][0019][0020]
其中，p取值为2-20之间的整数，i为第一波数，j为第二波数。
[0021]
作为优选方案，所述步骤s4，具体包括以下步骤：
[0022]
s41、对待校正的检测干涉信号x’(n)进行傅里叶变换，得到数据列χ(n)＝fft[x’(n)]；
[0023]
s42、将数据列χ(n)分为两个数列，即χ(n)＝[χ1(n/2)，χ2(n/2)]，并在中间补上k个0，得到数据列α(n k)＝[χ1(n/2)，0，
……
，0，χ2(n/2)]；k取值为正整数；
[0024]
s43、基于数据列α(n k)筛选得到波数漂移校正后的检测干涉信号数列b(《n*j/i》)＝[α
《(n k)*j/(n*i)》
，α
《2(n k)*j/(n*i)》
，α
《3(n k)*j/(n*i)》
，
……
，α
《(n-2)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《(n-1)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《n*(n k)*j/(n*i)》
]；其中，《
·
》为取整符号；
[0025]
s44、对波数漂移校正后的检测干涉信号数列进行傅里叶变换得到波数漂移校正后的红外光谱。
[0026]
本发明还提供一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正系统，包括：
[0027]
光源控制模块，用于控制校正光源的开启及关闭；
[0028]
采集模块，用于采集校正光源发出的红外光束经过校正气体室后进入光谱仪并得到的检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号；其中，校正气体室内充满氟化氢气体；
[0029]
数据补零处理模块，用于对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号的数据列分别进行补零处理；
[0030]
傅里叶变换模块，用于对补零处理之后的检测干涉信号和校正干涉信号的数据列进行傅里叶变换，得到检测吸收光谱和校正吸收光谱；
[0031]
波数计算模块，用于根据氟化氢气体的吸收峰对应的波数以及校正干涉信号的采样间距，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数；
[0032]
校正模块，用于根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正。
[0033]
作为优选方案，所述数据补零处理模块对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干
涉信号的数据列分别进行补零处理，包括：
[0034]
对检测干涉信号x(n)和校正干涉信号y(n)的数据列的两端分别填入m位0数据，得到数据列x(n 2m)和y(n 2m)；其中，m为正整数，n为采样点数；
[0035]
相应地，所述傅里叶变换模块用于对数据列x(n 2m)和y(n 2m)进行傅里叶变换，分别得到检测吸收光谱s(n 2m)和校正吸收光谱t(n 2m)。
[0036]
作为优选方案，所述波数计算模块确定第一波数和第二波数的过程，包括：
[0037]
氟化氢气体的吸收峰对应的波数设为4000cm-1
，校正干涉信号的采样间距a nm，则4000cm-1
对应光谱的第个数据；其中，《
·
》为取整符号；
[0038]
在4000cm-1
对应光谱的第个波数附近取透光率最小值对应的波数：
[0039][0040][0041]
其中，p取值为2-20之间的整数，i为第一波数，j为第二波数。
[0042]
作为优选方案，所述校正模块包括拆分模块和筛选模块；
[0043]
根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正的过程，包括：
[0044]
首先，利用傅里叶变换模块对待校正的检测干涉信号x’(n)进行傅里叶变换，得到数据列χ(n)＝fft[x’(n)]；
[0045]
然后，利用拆分模块将数据列χ(n)分为两个数列，即χ(n)＝[χ1(n/2)，χ2(n/2)]，并利用数据补零处理模块在中间补上k个0，得到数据列α(n k)＝[χ1(n/2)，0，
……
，0，χ2(n/2)]；k取值为正整数；
[0046]
接着，利用筛选模块基于数据列α(n k)筛选得到波数漂移校正后的检测干涉信号数列b(《n*j/i》)＝[α
《(n k)*j/(n*i)》
，α
《2(n k)*j/(n*i)》
，α
《3(n k)*j/(n*i)》
，
……
，α
《(n-2)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《(n-1)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《n*(n k)*j/(n*i)》
]；其中，《
·
》为取整符号；
[0047]
最后，利用傅里叶变换模块对波数漂移校正后的检测干涉信号数列进行傅里叶变换得到波数漂移校正后的红外光谱。
[0048]
本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0049]
(1)本发明利用氟化氢气体作为校正气体，基于氟化氢气体的吸收峰线宽较窄，且不与其他气体产生干扰，有利于提升校正的精度；
[0050]
(2)对信号数据列进行补零处理，提高傅里叶变换后的分辨率，进一步提升后续校正的精度；
[0051]
(3)根据检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数，并
对应数据列α(n k)中的数据匹配筛选得到波数漂移校正后的检测干涉信号数列，实现波数漂移校正，校正的精度高。
附图说明
[0052]
图1是本发明实施例的傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法的流程图；
[0053]
图2是本发明实施例的傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正系统的模块构架图。
具体实施方式
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0055]
如图1所示，本发明实施例的傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正方法，包括以下步骤：
[0056]
s1、开启校正光源，校正光源发出的红外光束经过校正气体室后进入光谱仪，光谱仪得到检测干涉信号；其中，校正气体室内充满氟化氢气体；
[0057]
具体地，在开放光路设备自动监测过程中，定期进入光谱仪校正模式，此时切断外界光源，开启光谱仪内部的校正光源进行校正；
[0058]
校正光源发出的红外光束，经过校正气体室后进入光谱仪，光谱仪检测到氟化氢气体的干涉信号。由于气体吸收峰位置是由气体分子振动频率决定的，不会发生改变，因此选用气体吸收峰作为光谱仪波数的基准。又因为氟化氢气体的吸收峰线宽较窄，且不与其他气体产生干扰，因此选择氟化氢作为校正气体。
[0059]
s2、对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号的数据列分别进行补零处理，之后再进行傅里叶变换，得到检测吸收光谱和校正吸收光谱；
[0060]
其中，对检测干涉信号以及校正干涉信号的数据列分别进行补零处理，提高傅里叶变换后的分辨率，具体过程包括：对检测干涉信号x(n)和校正干涉信号y(n)的数据列的两端分别填入m位0数据，得到数据列x(n 2m)和y(n 2m)；其中，m为正整数，n为采样点数；
[0061]
之后再对数据列x(n 2m)和y(n 2m)进行傅里叶变换，分别得到检测吸收光谱s(n 2m)和校正吸收光谱t(n 2m)：
[0062]
s(n 2m)＝fft[x(n 2m)]
[0063]
t(n 2m)＝fft[y(n 2m)]。
[0064]
s3、根据氟化氢气体的吸收峰对应的波数以及校正干涉信号的采样间距，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数；
[0065]
其中，氟化氢气体的吸收峰对应的波数设为4000cm-1
，校正干涉信号的采样间距a nm，则4000cm-1
对应光谱的第个数据；其中，《
·
》为取整符号。
[0066]
另外，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波
数，具体包括：
[0067]
在4000cm-1
对应光谱的第个波数附近取透光率最小值(即吸收峰)对应的波数：
[0068][0069][0070]
其中，p取值为2-20之间的整数，例如，p取值为5；i为第一波数，j为第二波数。
[0071]
i与j的差值为波数漂移数。
[0072]
将i和j储存于光谱仪的内存中，退出校正模式，关闭光谱仪内部的校正光源，重新检测外界光源信号。
[0073]
s4、获取待校正的检测干涉信号，并根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正。
[0074]
其中，在自动监测过程中获取待校正的检测干涉信号之后，需要对其进行重构，使其采样间距a’小于校正干涉信号的采样间距a，具体地，上述步骤s4包括以下步骤：
[0075]
s41、对待校正的检测干涉信号x’(n)进行傅里叶变换，得到数据列χ(n)＝fft[x’(n)]；
[0076]
s42、将数据列χ(n)分为两个数列，即χ(n)＝[χ1(n/2)，χ2(n/2)]，并在中间补上k个0，得到数据列α(n k)＝[χ1(n/2)，0，
……
，0，χ2(n/2)]；k取值为正整数；
[0077]
s43、基于数据列α(n k)筛选得到波数漂移校正后的检测干涉信号数列b(《n*j/i》)＝[α
《(n k)*j/(n*i)》
，α
《2(n k)*j/(n*i)》
，α
《3(n k)*j/(n*i)》
，
……
，α
《(n-2)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《(n-1)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《n*(n k)*j/(n*i)》
]；其中，《
·
》为取整符号；
[0078]
s44、对波数漂移校正后的检测干涉信号数列进行傅里叶变换以及信号处理即可得到波数漂移校正后的红外光谱，实现波数漂移校正。
[0079]
基于本发明实施例的上述校正方法，本发明实施例还提供一种傅里叶变换红外光谱仪波数漂移的校正系统，如图2所示，包括光源控制模块100、采集模块200、数据补零处理模块300、傅里叶变换模块400、波数计算模块500和校正模块600，其中，校正模块600还包括拆分模块6001和筛选模块6002。
[0080]
具体地，光源控制模块100用于控制校正光源的开启及关闭，以便光谱仪进入校正模式以及退出校正模式。
[0081]
采集模块200用于采集校正光源发出的红外光束经过校正气体室后进入光谱仪并得到的检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号；其中，校正气体室内充满氟化氢气体；还用于采集自动监测过程中获取的待校正的检测干涉信号；
[0082]
数据补零处理模块300用于对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号的数据列分别进行补零处理；
[0083]
傅里叶变换模块400用于对补零处理之后的检测干涉信号和校正干涉信号的数据列进行傅里叶变换，得到检测吸收光谱和校正吸收光谱；
[0084]
波数计算模块500用于根据氟化氢气体的吸收峰对应的波数以及校正干涉信号的采样间距，分别确定检测吸收光谱和校正吸收光谱中吸收峰对应的第一波数和第二波数；
[0085]
校正模块600用于根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正。
[0086]
其中，数据补零处理模块对检测干涉信号以及光谱仪预设的校正干涉信号的数据列分别进行补零处理，包括：
[0087]
对检测干涉信号x(n)和校正干涉信号y(n)的数据列的两端分别填入m位0数据，得到数据列x(n 2m)和y(n 2m)；其中，m为正整数，n为采样点数；
[0088]
相应地，傅里叶变换模块用于对数据列x(n 2m)和y(n 2m)进行傅里叶变换，分别得到检测吸收光谱s(n 2m)和校正吸收光谱t(n 2m)：
[0089]
s(n 2m)＝fft[x(n 2m)]
[0090]
t(n 2m)＝fft[y(n 2m)]
[0091]
上述波数计算模块确定第一波数和第二波数的过程，包括：
[0092]
氟化氢气体的吸收峰对应的波数设为4000cm-1
，校正干涉信号的采样间距a nm，则4000cm-1
对应光谱的第个数据；其中，《
·
》为取整符号；
[0093]
在4000cm-1
对应光谱的第个波数附近取透光率最小值对应的波数：
[0094][0095][0096]
其中，p取值为2-20之间的整数，例如，p取值为5；i为第一波数，j为第二波数。
[0097]
校正模块根据第一波数和第二波数对待校正的检测干涉信号进行波数漂移校正的过程，包括：
[0098]
首先，利用傅里叶变换模块400对待校正的检测干涉信号x’(n)进行傅里叶变换，得到数据列χ(n)＝fft[x’(n)]；
[0099]
然后，利用拆分模块6001将数据列χ(n)分为两个数列，即χ(n)＝[χ1(n/2)，χ2(n/2)]，并利用数据补零处理模块300在中间补上k个0，得到数据列α(n k)＝[χ1(n/2)，0，
……
，0，χ2(n/2)]；k取值为正整数；
[0100]
接着，利用筛选模块6002基于数据列α(n k)筛选得到波数漂移校正后的检测干涉信号数列b(《n*j/i》)＝[α
《(n k)*j/(n*i)》
，α
《2(n k)*j/(n*i)》
，α
《3(n k)*j/(n*i)》
，
……
，α
《(n-2)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《(n-1)*(n k)*j/(n*i)》
，α
《n*(n k)*j/(n*i)》
]；其中，《
·
》为取整符号；
[0101]
最后，利用傅里叶变换模块400对波数漂移校正后的检测干涉信号数列进行傅里叶变换得到波数漂移校正后的红外光谱。
[0102]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。