[发明专利]一种宽波段光谱仪光谱信号实时定标方法

说明书

本发明提出了一种宽波段光谱仪光谱信号实时定标方法。构建光谱信号的测量数据点集合，通过寻峰算法得到光谱信号极大值点集合；采用基于最小二乘的三阶多项式拟合的方法进行波长标定；采用弦长参数化法对光谱测量数据点的像元序号进行参数化处理，再对参数化处理后的光谱测量数据点进行三次B样条曲线拟合，进一步进行采样插值完成光强定标的工作；根据波长标定以及光强标定建立波长与光强的对应关系，完成对光谱信号的实时定标。本发明适用于宽波段光谱仪定标过程中的波长定标和光强定标，并具有实时性、实用性和较高的准确度。

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，具体地，涉及一种宽波段光谱仪光谱信号实时定标方法。

背景技术

目前，红外波段或紫外波段等专注于某一波段测量的光谱仪可达到较高测量精度，相关研究较为成熟。而针对测量范围为200-1100nm的宽波段微型光谱仪的研究较少，且多数只能在紫外或红外波段达到一定精度的分辨率，而宽波段光谱仪应用广泛，现代化技术的发展对光谱仪的功能和性能的要求一直在提高，其市场需求也会越来越大。而现有宽波段光谱仪存在两个主要问题，一是光谱范围与分辨率之间存在限制关系，较难在较宽的光谱范围内取得较为均匀且较高的光谱分辨率；二是光谱范围包含紫外波段区域，由于CCD探测器的性能会造成仪器紫外响应灵敏度不高。而合适的光谱数据处理算法可有效改善这两个问题。

影响光谱仪两个问题的重要因素之一就是光谱的定标过程。光谱定标主要是研究CCD各像元输出光谱信号与待测光谱波长、光谱辐射通量间的对应关系，即波长定标和光强定标。采用波长定标算法可以确定像元序号与光谱波长数值的函数关系，得到光谱仪的波长定标方程；光强定标是指对不同波段光强的拟合。因而光谱定标算法的适用性在很大程度上会决定最终光谱图的精确性。

光谱定标可以得到平滑准确的光谱图，并提高光谱仪器的可信度。光谱定标的主要任务是确定光谱波长位置及光谱稳定性，校正波长偏移，并测定光谱响应函数。CCD探测器输出与像元序号一一对应的响应信号，通过PC机软件系统对测量数据进行显示、保存并处理标准光谱定标输出数据。目前主要的定标方法有单色仪方法和标准谱线法等，单色仪方法连续输出单色准直光，可同时实现宽光谱范围的波长和带宽标定；标准谱线法利用钠灯或汞灯的标准谱线图，可实现高分辨率、线性光谱仪的波长标定。标准谱线法定标多采用分段拟合、高斯拟合和多项式拟合算法。

光强定标研究相对较少。目前，曲线拟合方法有多项式拟合、RBF(Radial BasisFunction)的曲线拟合、Bezier曲线拟合、B样条曲线拟合和BP神经网络拟合等。多项式拟合精度有限，B样条曲线精度稍高，BP神经网络，需选择合适的网络结构，实现复杂。更为适用于光谱分析的定标算法的选择也有待进一步研究。

传统的定标方法要么难以在宽波段复杂的谱线分布图中找出弱峰位置，要么在提高准确度的同时却牺牲了速度，难以满足实时显示。因此需要一种能应用于宽波段光谱仪的实时定标的方法。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种宽波段光谱仪光谱信号实时定标方法，以解决在较宽的光谱范围内难以实现准确实时定标的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种宽波段光谱仪光谱信号实时定标方法，主要步骤分为三步，即寻峰算法，波长定标和光强定标。具体操作步骤如下：

步骤1：构建光谱信号的测量数据点集合，通过寻峰算法得到光谱信号极大值点集合；

步骤2：采用基于最小二乘的三阶多项式拟合的方法进行波长标定；

步骤3：采用弦长参数化法对光谱测量数据点的像元序号进行参数化处理，再对参数化处理后的光谱测量数据点进行三次B样条曲线拟合，进一步进行采样插值完成光强定标的工作；

步骤4：根据波长标定以及光强标定建立波长与光强的对应关系，完成对光谱信号的实时定标；