[发明专利]一种基于光栅光谱仪的光谱定标方法及光栅光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器领域，具体涉及一种适用于光栅光谱仪的宽波段范围、高精度的光谱扫描定标方法。

背景技术

光栅光谱分析仪主要通过光栅等色散器件将入射光信号按照波长依次分散开来，从而在探测器像面上获得待测信号的光谱分布。为平衡光谱探测范围与光谱分辨率之间的矛盾，根据实际应用情况，通过切换光栅来选择高光谱分辨率或者宽光谱探测范围，但该方法不能同时获得高分辨率与宽光谱范围。目前主要通过光栅扫描的方式来同时获得宽光谱范围与高光谱分辨率，扫描机构带动光栅转动改变光栅上入射光线与法线的夹角以实现光谱扫描，从而近乎连续地改变探测器上的波段范围，将分辨率与光谱范围的矛盾转化为分辨率与扫描探测时间的矛盾，在光谱分辨率一定的情况下牺牲探测时间来获得宽光谱范围。

在传统的单色仪中，仅使用单点探测器，扫描过程中单次采集仅对单一波长进行探测，导致扫描速度过慢。因此使用线阵或者面阵探测器替代单点探测器，使单次采集可以同时对多波长光谱进行测量，从而实现快速扫描探测。对探测器上特定像元而言，在光栅扫描过程中，其所对应的光栅入射光线与衍射光线的夹角始终保持不变，但不同像元对应的入射光线与衍射光线夹角不同，因此导致不同像元随光栅转角的变化规律不同，增加了实现准确光谱定标的难度。

目前常用的光栅扫描机构有正弦扫描机构及角位移平台扫描机构。由于光栅转角与探测器上的波长变换成正弦关系，采用由步进电动机驱动的正弦机构可以使探测器像元上的波长变化量随步进电机的步进线性变化，以简化光谱定标过程。由于不同像元上波长变化关系随步进量的变化规律不同，因此该扫描机构多用于单色仪中，即配合单点探测器进行使用，因此扫描速度慢。当使用高精度角位移平台带动光栅转动配合线阵或者面阵探测器实现快速扫描时，由于光栅转角与波长变化的非线性，需要使用特殊的扫描定标算法进行扫描定标，以获得较高的定标精度，所以迫切需要提供一种方法解决该技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于光栅光谱仪的光谱定标方法及光栅光谱仪。

第一方面，本发明提供的基于光栅光谱仪的光谱定标方法，所述方法包括：

选取特征谱线光源，调整角位移平台转角使得至少第一特征谱线和第二特征谱线处于探测器像面上，记录当前所述角位移平台的第一转角及第一特征谱线和第二特征谱线所处位置；

调节所述角位移平台转动使得第二特征谱线转移至在转角为第一转角时所述第一特征谱线所处位置，记录当前所述角位移平台的第二转角，根据所述第一转角和所述第二转角确定转角差；

根据所述转角差、所述第一特征谱线的波长及光栅方程确定所述角位移平台的转角为第一转角时所有像元对应的第一光栅入射角；

根据第一转角时所述第一特征谱线和所述第二特征谱线及预设关系确定当前所述所有像元对应的波长值；

根据任一像元对应的特征谱线的波长和所述第一光栅入射角以及光栅方程确定该像元点对应的第一光栅衍射角；

根据所述第一光栅入射角和所述第一光栅衍射角确定所述光栅上入射光线及衍射光线之间的夹角关系，以完成初始像面的定标。

可选地，在进行低波段方向定标时，所述方法还包括：

根据所述预设关系确定第S像元上对应的第三波长值；

转动所述角位移平台使得所述第E像元对应第三波长值以完成波长扫描，根据所述夹角关系确定的所述第三波长值和所述第E像元上光栅入射光线和衍射光线的夹角确定第二光栅入射角；

根据光栅转角的变化量等于所述光栅入射角的变化量确定当前所述角位移平台的第二转角；

结合所述第E像元上光栅入射光线和衍射光线的夹角、所述第二光栅入射角及所述第二转角确定当前的第二光栅衍射角；

根据所述第二光栅衍射角和光栅方程确定当前所述第E像元上的第四波长值；

根据波长线性分布和所述夹角关系确定当前所有像元对应的波长值，以完成在第二转角时的波长定标，其中，有效工作像元范围为第S+1像元至第E像元之间。

可选地，在进行长波方向定标时，所述方法还包括：

根据所述预设关系确定第E+1像元上对应的第五波长值；

转动所述角位移平台使得第S像元对应第五波长值以完成波长扫描，根据所述夹角关系确定的所述第五波长值和所述第S像元上光栅入射光线和衍射光线的夹角确定第三光栅入射角；

根据光栅转角的变化量等于所述光栅入射角的变化量确定当前所述角位移平台的第三转角；