CN109374550A - 基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，利用无背景稳定均匀辐射源分别通过真空和有目标气体的吸收池，利用超分辨率光谱仪分别测量吸收光谱和真空背景光谱，二者之比获取实测透过率光谱；通过吸收池温度、气体压力和程长，结合Hitran数据库计算理论透过率光谱；采用高斯拟合获取透过率光谱精度定位的峰谷光谱点和对应波长（波数）值，通过最小二乘拟合得到光谱定标系数，对理论峰谷波长（波数）值不确定度、高斯拟合不确定度和最小二乘拟合不确定度进行合成得到光谱定标精度。采用本发明进行实际测量，得到了光谱定标系数和光谱定标不确定度。

Description

基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法
技术领域
本发明涉及一种基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，属于光谱定标技术领域。
背景技术
光谱定标就是将光谱仪测量数值的横坐标序号与输入波长(或波数)建立对应关系。光谱测量是表征待测目标的波长和强度关系，波长的准确性与强度测量结果直接相关，因此光谱仪首先需要进行光谱定标。
常用的光谱定标方法有单色仪法和标准谱线法，光谱定标要求光源的波长不确定度小、稳定性好，在仪器光谱范围内有多个谱线且均匀分布，谱线宽度远小于仪器光谱分辨率，并且谱线强度满足仪器信噪比的要求。对于超分辨率光谱仪器而言，目前单色仪的能量及谱线宽度均不能满足上述要求，常常采用谱线灯或可调谐激光器，通过多个已知输入波长和对应的输出光谱点进行拟合的方法得到对应的波数。但无论是谱线灯还是激光器，光源发出的都是几个或单个特征谱线，与仪器实测光谱(连续谱)特性差异较大。并且谱线灯存在特征线少并且分布不均匀，激光器易受环境中的噪声、振动、温度等因素的影响，造成实际输出波长与设置输出波长存在差异，导致光谱定标系数不准确，最终影响光谱定量化测量的精度。
光辐射传输过程中与气体分子相互作用，通过吸收、散射等过程改变原有光辐射，其中吸收光谱是获取大气成分信息的最有效的技术之一。不同种类分子对光辐射的吸收波长不同，吸收强度与气体浓度和温度相关。气体分子吸收光谱具有固定的特征频率，环境因素(温度、压力、浓度等)小范围内变化只会造成吸收峰线宽和深度的变化，而吸收峰的中心位置不变，通过控制测量状态、合理选择光谱仪测量气体，通过高精度的辐射传输计算透过率光谱，可以作为光谱定标高精度的标准源。
发明内容
针对现有超分辨率光谱仪光谱定标方法的不足，本发明提出了一种基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，该方法适用于实验室超分辨率光谱仪光谱定标，同时优化定标装置后可用于超分辨率光谱仪星上光谱定标。
本发明采用的技术方案如下：
基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，该方法步骤如下：
(1)打开积分球内温度和压力测量仪表，开启积分球氮气循环***和水冷循环***，打开卤钨灯辐射源，待球内温度和压力稳定、氮气浓度大于99％以上，形成稳定连续无背景辐射源；
(2)吸收池控制温度设置为T，池内达到设置温度后打开吸收池抽真空装置，将吸收池内抽至真空度优于10-4pa；
(3)积分球发出辐射源匀光后形成均匀朗伯面光源，经程长为L的真空吸收池后入射超分辨率光谱仪，吸收池内温度T稳定均匀，辐射源充满光谱仪孔径、视场；
(4)超分辨率光谱仪采集N幅数据，原始数据平均去噪，经误差修正后获取背景光谱B0；
(5)吸收池充入一定量目标气体，通过高精度压力测量仪表读取吸收池内压力P，保持吸收池温度T恒定；
(6)超分辨率光谱仪采集N幅数据，原始数据平均去噪，经误差修正后获取吸收光谱B1；
(7)将目标气体吸收光谱B1和真空测量背景光谱B0之比获取是测量透过率光谱τ1；
(8)根据吸收池程长L、温度T以及压力P，结合Hitran数据库气体吸收截面参数，计算该状态下的理论透过率光谱τ0；
(9)在光谱范围的左、中、右三个区域选择峰谷特征明显的吸收峰，获取理论透过率光谱的峰谷波长或波数与实测透过率对应光谱点，对峰谷波长或波数与对应光谱点进行拟合，获取光谱定标系数；
(10)计算光谱定标不确定度。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的理论透过率光谱的计算方法为：
理论透过率光谱根据比尔-朗伯定量进行计算，积分球发出的辐射能量经吸收池内气体作用后理论透过率为：τ0＝exp(-αcL)，其中α(cm2/mol)为气体吸收截面，c(mol/cm3)为目标气体浓度，L(cm)为吸收池有效长度；α(cm2/mol)来自Hitran数据库，根据吸收池内温度T和压力P，结合理想气体状态方程计算吸收池内气体浓度其中T0＝273.16K为标准状态温度，P0＝101333Pa为标准状态压力，n0＝2.67×1019mol/cm3为标准状态气体分子数密度。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的吸收峰谷波长或波数值和光谱点寻峰方法为：
实测透过率光谱和理论透过率光谱采用高斯拟合可以对峰谷点进行精确定位，获取拟合后的波长或波数值和光谱点，提高光谱定标精度；高斯拟合公式为：
其中A为高斯函数归一化系数，X0为理论透过率光谱和实测透过率光谱峰谷点拟合后的波长或波数或光谱点，σ确定高斯函数的宽度。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的光谱定标系数拟合方法为：
实测透过率光谱点和对应理论透过率光谱峰谷波长或波数值拟合采用最小二乘法，拟合公式为：
p(x)＝p1xn+p2xn-1+…+pnx+pn+1
其中n为选择的拟合阶数，pn(n＝1,2…n,n+1)为拟合系数。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的光谱定标不确定度计算方法为：
光谱定标不确定度σ包括理论透过率光谱峰谷波长或波数值的不确定度σ1、寻峰误差σ2、回归计算误差σ3，
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述积分球氮气循环***和水冷循环***分别包括与积分球相连的氮气瓶及排放管路、水冷机及循环管路，水冷循环***的循环管路布置在卤钨灯灯座底部，用于卤钨灯发热源散热，避免密封球内温度过高损坏光源；积分球内采用氮气循环***维持一定流量氮气持续冲洗，避免空气中吸收气体(水汽、氧气等)对透过率光谱测量的影响。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述卤钨灯分布在积分球内，每个卤钨灯旁对应设置有挡光板，采用挡光板避免卤钨灯的辐射光直接出射积分球口，保证球口辐射具有良好的朗伯性。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述积分球内温度、压力、氮气浓度分别利用积分球内温度计、积分球内压力表、积分球内氮气浓度监测表实时监测。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述吸收池抽真空装置包括有与吸收池连通的抽气泵，确保吸收池内可以抽到较高真空度获取高精度背景光谱；吸收池与待测气体气瓶连通并通过流量计监测吸收池充气流量；吸收池内温度、压力分别利用吸收池内温度计、吸收池内压力表实时监测。
所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述吸收池为具有一定长度的密封吸收池，其中吸收池两侧采用镀膜窗片密封，保证透过率光谱测量波段具有良好的透过特性；吸收池管道外层密封环绕导热循环油，通过外部油温调节装置实现吸收池的不同温度控制，所述外部油温调节装置采用温控仪及循环管路。
本发明具有以下特点及良好效果：
(1)本发明采用同一套装置分别测量真空背景光谱和目标气体吸收光谱，二者之比计算实测透过率光谱，消除了测量装置对透过率光谱基线影响；
(2)本发明光谱定标方法不仅可以用于实验室超分辨率光谱仪的光谱定标，同时该方法可以通过以太阳夫琅禾费线或其它已知稳定谱线作为参考用于星载超分辨率光谱仪的在轨光谱定标。
附图说明
图1为透过率光谱测量装置结构示意图。
图2是理论透过率光谱和选取计算光谱定标系数的吸收峰。
图3是光谱定标系数拟合曲线。
具体实施方式
根据下列详细说明并结合附图可以对本发明有最佳的理解。
实施例
基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，先测量透过率光谱，再对光谱进行定标。
一、测量透过率光谱
采用附图1所示的装置测量透过率光谱，透过率光谱测量装置包括氮气瓶及排放管路1，积分球2，积分球内氮气浓度监测表3，水冷机及循环管路4，抽气泵5，吸收池6，温控仪及循环管路7，待测气体气瓶8，流量计9，超分辨率光谱仪10，卤钨灯及挡光板11，积分球内温度计12，积分球内压力表13，吸收池内温度计14，吸收池内压力表15。
透过率光谱测量实现方法包括以下步骤：打开积分球内温度计12和积分球内压力表13，通过氮气瓶及排放管路1持续冲洗消除球内空气中水汽、氧气等吸收对辐射源的干扰，并用积分球内氮气浓度监测表3实时测量，打开水冷机及循环管路4防止密封球内温度过高，利用卤钨灯及挡光板11中的卤钨灯发出的光经积分球2匀光后在积分球口形成无背景均匀朗伯面光源，卤钨灯分布在积分球内，每个卤钨灯旁对应设置有挡光板，采用挡光板避免卤钨灯的辐射光直接出射积分球口，保证球口辐射具有良好的朗伯性；打开抽气泵5对吸收池6进行抽真空，打开吸收池温控仪及循环管路7将吸收池6保持在设定温度，当吸收池内温度计14和吸收池内压力表15稳定且达到真空度要求时关闭气泵，打开超分辨率光谱仪10测量背景光谱。打开待测气体气瓶8向吸收池内充入目标气体，通过流量计9控制充气速度，观测吸收池内压力表达到预定压力时关闭待测气体气瓶8，打开超分辨率光谱仪10测量吸收光谱；吸收光谱和真空背景光谱之比即为透过率光谱。
二、对光谱进行定标
超分辨率光谱仪光谱定标系数方法步骤如下：
(1)理论透过率光谱计算
以实验室装置实际吸收池参数为例计算理论透过率光谱，吸收池有效程长L＝500cm。吸收池内充气一个大气压CO2，温度保持20度温度，根据计算出吸收池内气体浓度c＝2.49mol/cm3，查询Hitran数据库获取CO2气体吸收截面α(cm2/mol)，根据公式τ0＝exp(-αcL)计算出理论CO2气体1568-1583nm透过率光谱如图2所示。
(2)光谱定标系数计算
用实验室空间外差光谱仪(分辨率σ＝0.27cm-1)测量透过率光谱，空间外差光谱仪入射波数和光谱点(条纹频率)之间为线性关系，选择理论峰谷波数如图2所示。采用高斯拟合获取透过率光谱精度定位的峰谷光谱点和对应波长(波数)值，最小二乘线性拟合结果如图3所示，得到的光谱定标方程为
σ＝-0.0113i+6393.40593
其中光谱坐标点i＝0～8191。其中理论透过率光谱峰谷波数值的不确定度σ1＝0.000005cm-1、寻峰误差σ2＝0.005cm-1、回归计算误差σ3＝0.008cm-1，最终合成光谱定标不确定度σ＝0.009cm-1。

Claims (10)

1.基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，该方法步骤如下：
(1)打开积分球内温度和压力测量仪表，开启积分球氮气循环***和水冷循环***，打开卤钨灯辐射源，待球内温度和压力稳定、氮气浓度大于99％以上，形成稳定连续无背景辐射源；
(2)吸收池控制温度设置为T，池内达到设置温度后打开吸收池抽真空装置，将吸收池内抽至真空度优于10-4pa；
(3)积分球发出辐射源匀光后形成均匀朗伯面光源，经程长为L的真空吸收池后入射超分辨率光谱仪，吸收池内温度T稳定均匀，辐射源充满光谱仪孔径、视场；
(4)超分辨率光谱仪采集N幅数据，原始数据平均去噪，经误差修正后获取背景光谱B0；
(5)吸收池充入一定量目标气体，通过高精度压力测量仪表读取吸收池内压力P，保持吸收池温度T恒定；
(6)超分辨率光谱仪采集N幅数据，原始数据平均去噪，经误差修正后获取吸收光谱B1；
(7)将目标气体吸收光谱B1和真空测量背景光谱B0之比获取是测量透过率光谱τ1；
(8)根据吸收池程长L、温度T以及压力P，结合Hitran数据库气体吸收截面参数，计算该状态下的理论透过率光谱τ0；
(9)在光谱范围的左、中、右三个区域选择峰谷特征明显的吸收峰，获取理论透过率光谱的峰谷波长或波数与实测透过率对应光谱点，对峰谷波长或波数与对应光谱点进行拟合，获取光谱定标系数；
(10)计算光谱定标不确定度。
2.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的理论透过率光谱的计算方法为：
理论透过率光谱根据比尔-朗伯定量进行计算，积分球发出的辐射能量经吸收池内气体作用后理论透过率为：τ0＝exp(-αcL)，其中α(cm2/mol)为气体吸收截面，c(mol/cm3)为目标气体浓度，L(cm)为吸收池有效长度；α(cm2/mol)来自Hitran数据库，根据吸收池内温度T和压力P，结合理想气体状态方程计算吸收池内气体浓度其中T0＝273.16K为标准状态温度，P0＝101333Pa为标准状态压力，n0＝2.67×1019mol/cm3为标准状态气体分子数密度。
3.根据权利要求2所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的吸收峰谷波长或波数值和光谱点寻峰方法为：
实测透过率光谱和理论透过率光谱采用高斯拟合可以对峰谷点进行精确定位，获取拟合后的波长或波数值和光谱点，提高光谱定标精度；高斯拟合公式为：
其中A为高斯函数归一化系数，X0为理论透过率光谱和实测透过率光谱峰谷点拟合后的波长或波数或光谱点，σ确定高斯函数的宽度。
4.根据权利要求3所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的光谱定标系数拟合方法为：
实测透过率光谱点和对应理论透过率光谱峰谷波长或波数值拟合采用最小二乘法，拟合公式为：
p(x)＝p1xn+p2xn-1+…+pnx+pn+1
其中n为选择的拟合阶数，pn(n＝1,2…n,n+1)为拟合系数。
5.根据权利要求4所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述的光谱定标不确定度计算方法为：
光谱定标不确定度σ包括理论透过率光谱峰谷波长或波数值的不确定度σ1、寻峰误差σ2、回归计算误差σ3，
6.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述积分球氮气循环***和水冷循环***分别包括与积分球相连的氮气瓶及排放管路、水冷机及循环管路，水冷循环***的循环管路布置在卤钨灯灯座底部。
7.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述卤钨灯分布在积分球内，每个卤钨灯旁对应设置有挡光板。
8.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述积分球内温度、压力、氮气浓度分别利用积分球内温度计、积分球内压力表、积分球内氮气浓度监测表实时监测。
9.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述吸收池抽真空装置包括有与吸收池连通的抽气泵；吸收池与待测气体气瓶连通并通过流量计监测吸收池充气流量；吸收池内温度、压力分别利用吸收池内温度计、吸收池内压力表实时监测。
10.根据权利要求1所述的基于透过率光谱的超分辨光谱仪光谱定标方法，其特征在于，所述吸收池为具有一定长度的密封吸收池，其中吸收池两侧采用镀膜窗片密封；吸收池管道外层密封环绕导热循环油，通过外部油温调节装置实现吸收池的不同温度控制，所述外部油温调节装置采用温控仪及循环管路。
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