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本发明涉及光谱仪标定技术领域，具体涉及一种基于多光源的宽带光谱仪精确标定装置及方法。

背景技术：

目前，光栅光谱仪主要分为固定光栅式和旋转光栅式两种结构。 光栅结构固定，光栅不旋转，采用线阵探测器采集光谱成像光谱处的光谱信号。 由于光敏面上的光谱带分布不均匀，需要标定光的波长值和探测器的像素位置。 功能关系。 而旋转光栅光谱仪是采用电机带动光栅旋转，采用单点探测器采集光谱信号。 需要标定光波长值与光栅旋转角度之间的函数关系。 因此，现有的两种结构的光栅光谱仪都需要对波长进行标定。 此外，由于光栅的衍射效率和探测器的响应效率随波长而变化，因此在光谱仪的研制过程中需要标定光谱响应幅度与输入光功率之间的关系。

发明专利“一种紫外光谱仪波长标定方法”（申请号：201210252005.4）公开了一种紫外光谱仪波长标定方法，主要由532nm基频激光器、稳频系统、频率倍增系统和伺服控制系统。 532nm基频激光通过分光元件分为两路，一路通过稳频装置。 稳频装置提供具有稳定频率的参考频率。 如果基频激光器的频率偏离参考频率，稳频装置将产生反馈信号。 信号通过伺服控制系统调节基频激光器的腔长，保证532nm基频光频率稳定在稳频装置提供的参考频率，保证532nm激光频率的稳定； 另一通道通过倍频装置产生266nm紫外激光，由于532nm基频光的频率稳定，266nm倍频激光的频率也将保持稳定。 通过光耦合系统后，进入紫外光谱仪，对紫外光谱仪进行标定。

论文《基于多项式拟合残差法的光纤光谱仪波长校准方法研究》（长春理工大学学报，Vol.-Argon校准光源，采用多项式拟合残差法校准光纤波长光谱仪，通过波长标定灯的已知特征谱线和谱线峰对应的像素点建立多项式数值模型，然后模拟 合并后得到的数值模型利用差值计算该像素对应的波长论文《A Simple and Accurate Wavelength Calibration Method for CCD Array Spectrometer》（Infrared and Laser Engineering, Volume 47, Issue S1, S117002, June 2018），公开了一种基于汞-氩校准光源的简单准确的CCD波长光谱仪的校准方法采用自动分解算法和voigt线谱模型优化校准光谱的形状，可以得到每个校准峰的峰值点的准确值。 使用该方法可以消除带宽和噪声的影响，特别是重叠峰可以同时分解为多个单峰，大大简化了校准过程。

其中，(1)现有的光谱仪标定装置及方法采用单一光源产生标准特征谱线，标定与标准波长值对应的探测器像素位置或电机步进位置，并拟合两者之间的距离。 功能关系。 对于宽带光谱仪，由于波长范围较宽，用于标定的光源谱线较少，不能完全覆盖整个波段，分布不均，导致拟合误差较大。 因此，采用单一光源，特征谱线单一，定标精度差，不能满足宽带光谱仪的定标要求。 (2)现有技术中，在光谱仪的校准过程中，由于经常更换光纤，操作繁琐，效率低，耗时长。

技术实现要素：

本发明提出的一种基于多光源同时标定的光谱仪标定装置及方法，利用多个光源的组合，形成覆盖宽波段、均匀分布的多特征谱线标定源。 使用该装置及方法，无需人工更换光源和光纤，提高了操作的便利性，并能自动选择输入光源并自动扫描，准确搜索特征光谱的峰位每个光源的线路，并进行自动波长校准和功率校准。 提高校准精度和速度。

本发明的技术方案是：一种基于多光源的宽带光谱仪精确校准装置，包括标准光源、光源控制器、1×n光开关、可调光衰减器、1× 2个光开关，一个标准的光功率计，驱动电路； 其工作原理是：标准光源由光源控制器控制产生特定波长的谱线； 标准光源通过光纤连接到1×n光开关的任一通道，1×n光开关根据控制命令选择通道。 选择标准光源的输出光通过，进入可调光衰减器； 可调光衰减器可以根据标准光源的输出功率自适应调节衰减值，保证进入光谱仪的功率不饱和。 光信号通过可调光衰减器传输，经衰减器衰减后，进入1×2光开关。 1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计。 标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的实际光功率。 先将1×2光开关切换到2通道，将光输入标准光功率计，用标准光功率计测量光信号的功率，再将1×2光开关切换到1通道，使光信号进入光谱仪中部。 那么标准光功率测得的功率值就是真正进入光谱仪的光功率。

其中，标准光源为具有物质吸收线或原子发射线的光源，或窄线宽且功率稳定的激光器或可调谐激光源。

上面使用标准光功率计测量进入光谱仪的光信号的实际光功率。

上述还包括光信号进入分光系统后，经衍射分光后，到达检测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号，再经过放大滤波电路，并通过ad采样电路进行模数转换。 将模拟电信号转换成数字电信号，传输到fpga，再上传到上位机cpu； 上述光谱系统、检测器、放大滤波电路、广告采样电路和fpga组成光谱仪。

在上述内容的基础上，还包括一种基于多光源的宽带光谱仪的波长校准方法，具体步骤如下：

步骤201：进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机cpu通过fpga控制1×n光开关选择标准波长校准光源i(i=1,2,3,...,m)；

步骤204：将可调光衰减器的初始衰减值设置为0db，并依次递增10db；

步骤205：用1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率调整可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，若功率饱和，则重复步骤204，直至获取频谱完整； 若功率未饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线的峰位；

步骤209：保存搜索特征谱的峰位；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源； 若校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×n光开关，选择第i+1个标准光源，重复步骤202。 当校准光源i等于m个波长校准光源时，i=m，即标准波长校准光源全部使用完毕，进入步骤211；

步骤211：所有特征峰位置已保存，然后进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：获取多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵，完成波长校准。

在上述内容的基础上，还包括一种基于多光源的宽带光谱仪功率标定方法，具体步骤如下：

步骤301：进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机cpu通过fpga控制1×n个光开关选择标准功率校准光源j(j=1,2,3,...,n)；

步骤304：可调光衰减器初始衰减值为0db，衰减值依次递增10db；

步骤305：1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

步骤306：光谱仪根据采集到的光谱功率调整可调光衰减器的衰减值；

步骤307：判断测试功率是否饱和，若功率饱和，则重复步骤304，直至获取频谱完整； 若未饱和，则进入步骤308；

步骤308：1×2光开关选择2个通道；

步骤309：将光输入标准光功率计，测试功率值；

步骤310：将测试功率值与光谱仪测得的功率值进行比较，计算出功率校准系数；

步骤311：判断标准功率校准光源j是否等于n个功率校准光源，否则进入步骤302，当标准功率校准光源j等于n个功率校准光源，即j＝n，即所有标准功率校准光源都已使用，转步骤312；

步骤312：根据n个标准功率校准光源和测得的功率校准系数，拟合出全波段的功率校准曲线，完成功率校准。

采用本发明的技术方案： (1)与现有技术相比，本发明的基于多光源的宽带光谱仪精密校准装置最多可以扩展到n个标准光源，扩展性强。 (2)与现有技术相比，本发明无需人工更换光源或灯，实现了自动校准光纤光谱仪波长校准方法，操作方便，提高了效率。 (3)在宽带光谱仪的标定中，本发明形成了均匀覆盖整个波段的特征波长点。 与现有技术相比，增加了校准点，减少了拟合误差，提高了波长校准精度。 (4)与现有技术相比，本发明的功率校准采用多个功率校准光源在全波段范围内形成功率校准点，提高了功率校准精度。

图纸说明

图1是本发明基于多光源的宽带光谱仪精确校准装置的框图。

图2为本发明基于多光源的宽带光谱仪波长精确校准的流程图。

图3为本发明基于多光源的宽带光谱仪精确功率校准的流程图。

详细方法

为便于对本发明的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。 除非另有定义，否则本说明书中使用的所有技术和科学术语与本发明技术领域的普通技术人员所普遍理解的含义相同。 本说明书中对本发明的描述仅用以说明具体实施例，并不用于限制本发明。 本说明书中使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

实施例一

本发明实施例是一种基于多光源的宽带光谱仪精确校准装置，如图1所示，包括标准光源、光源控制器、1×n光开关、可调光衰减器、 1×2光开关、标准光功率计、驱动电路； 其工作原理是： (1)标准光源可以是具有材料吸收线或原子发射线的光源，也可以是窄线宽、功率稳定的激光器或可调谐激光源。 标准光源由光源控制器控制产生特定波长的谱线。 (2)标准光源通过光纤连接到1×n光开关的任一通道，1×n光开关根据控制命令选择通道，选择一个标准光源的输出光到通过，并进入可调光衰减器。 (3)可调式光衰减器可根据标准光源的输出功率自适应调节衰减值，保证进入光谱仪的功率不饱和，既能保护探测器不被烧坏，又能保证特征谱线形状的完整性。 (4) 光信号经过可调光衰减器衰减后，进入1×2光开关，1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计 (5) 标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的真实光功率。 (6) 光信号进入分光系统后，经衍射、分光后，到达检测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号。 经过放大滤波电路后，通过ad采样电路进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号，传输到fpga，再上传到上位机cpu . 其中，光谱仪由分光系统、探测器、放大滤波电路、广告采样电路和fpga组成。

基于多光源的宽带光谱仪精密校准装置可用于宽带光谱仪多个标准光源的同时校准。 根据1×n光开关的通道数n，最多可扩展为n个标准光源，标准光源包括m个波长校准光源和n个功率校准光源，m+n≤n .

图1所示的基于多光源的宽带光谱仪精密校准装置具有两个功能：波长校准和功率校准。 先进行波长校准，波长校准完成后进行功率校准。 使用该设备即可完成波长校准和功率校准，无需插拔光纤，操作简单。

实施例二

在上述实施例的基础上，本发明提供了一种基于多光源的宽带光谱仪波长校准方法，其流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤201：进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机cpu通过fpga控制1×n光开关选择标准波长校准光源i(i=1,2,3,...,m)；

步骤204：将可调光衰减器的初始衰减值设置为0db，并依次递增10db；

步骤205：用1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率调整可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，若功率饱和，则重复步骤204，直至获取频谱完整； 若功率未饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线的峰位；

步骤209：保存搜索特征谱的峰位；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源； 若校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×n光开关，选择第i+1个标准光源，重复步骤202。 当校准光源i等于m个波长校准光源时，i=m，即标准波长校准光源全部使用完毕，进入步骤211；

步骤211：所有特征峰位置已保存，然后进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：获取多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵，完成波长校准。

实施例三

基于上述实施例，本发明提供了一种基于多光源的宽带光谱仪功率标定方法。 流程如图3所示，具体步骤如下：

步骤301：进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机cpu通过fpga控制1×n个光开关选择标准功率校准光源j(j=1,2,3,...,n)；

步骤304：可调光衰减器初始衰减值为0db，衰减值依次递增10db；

步骤305：1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

步骤306：光谱仪根据采集到的光谱功率调整可调光衰减器的衰减值；

步骤307：判断测试功率是否饱和，若功率饱和，则重复步骤304，直至获取频谱完整； 若未饱和，则进入步骤308；

步骤308：1×2光开关选择2个通道；

步骤309：将光输入标准光功率计，测试功率值；

步骤310：将测试功率值与光谱仪测得的功率值进行比较，计算出功率校准系数；

步骤311：判断标准功率校准光源j是否等于n个功率校准光源，否则进入步骤302，当标准功率校准光源j等于n个功率校准光源，即j＝n，即所有标准功率校准光源都已使用，转步骤312；

步骤312：根据n个标准功率校准光源和测得的功率校准系数，拟合出全波段的功率校准曲线，完成功率校准。

本发明解决的技术问题：(1)本发明的基于多光源的宽带光谱仪精确标定装置，采用1×n光开关自动切换多光源组合，无需人工切换，适用于宽带光谱仪各种标准光源的波长校准和功率校准。 (2)本发明基于多光源的波长校准方法，充分利用多波长校准光源的特征谱线，形成均匀覆盖整个波段的特征波长点。 (3)在本发明的基于多光源的功率校准方法中，采用多个功率校准光源在整个波长范围内形成功率校准点。 自动控制标准光功率计，监测光功率测试值，与光谱仪功率测试值进行比较，计算功率校准系数，拟合全波段功率校准曲线。

采用本发明的技术方案： (1)与现有技术相比，本发明的基于多光源的宽带光谱仪精密校准装置最多可以扩展到n个标准光源，扩展性强。 (2)与现有技术相比，本发明无需人工更换光源或灯，实现了自动校准，操作方便，提高了效率。 (3)在宽带光谱仪的标定中，本发明形成了均匀覆盖整个波段的特征波长点。 与现有技术相比，增加了校准点，减少了拟合误差，提高了波长校准精度。 (4)与现有技术相比，本发明的功率校准采用多个功率校准光源在全波段范围内形成功率校准点，提高了功率校准精度。

需要说明的是，上述技术特征继续相互组合形成的各种实施例未在上列，均视为本发明说明书的范围； 并且，对于本领域的普通技术人员来说，根据上述描述还可以做出改进或变换，所有这些改进和变换均应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特点：

1. 一种基于多光源的宽带光谱仪精确校准装置，其特征在于包括标准光源、光源控制器、1×n光开关、可调光衰减器、1×2光开关，标准光功率计、驱动电路； 其工作原理是：标准光源分别由光源控制器控制产生特定波长的谱线； 标准光源通过光纤连接到1×n光开关的任一通道，1×n光开关根据控制命令选择通道，选择标准光源的输出光通过并进入可调光衰减器； 可调光衰减器根据标准光源的输出功率自适应调整衰减值，保证进入光谱仪的功率不饱和。 光信号经过可调光开关衰减后，光开关进入1×2光开关。 1×2光开关用于控制光信号进入标准光功率计。 标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的实际光功率。

2.根据权利要求1所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，所述标准光源为具有材料吸收线或原子发射线的光源，或窄线宽稳定功率激光器或可调谐激光源。

3. 如权利要求2所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，标准光功率计用于测量进入光谱仪的光信号的实际光功率，首先将1×2光开关切换到2通道，输入光进入标准光功率计，用标准光功率计测量光信号的功率，然后将1×2光开关切换到通道1，使光信号进入光谱仪； 那么就是标准光功率测得的功率值，也就是进入光谱仪的真实光功率。

4.根据权利要求3所述的光谱仪精确校准装置，其特征在于，光信号进入分光系统后，经过衍射、分光后，到达检测器进行光电转换，将光信号转换为模拟电信号，然后经过放大滤波电路，AD采样电路进行模数转换，将模拟电信号转换成数字电信号，传输给fpga，再上传给上位机CPU； 上述光谱系统、检测器、放大滤波电路、AD采样电路和fpga组成光谱仪。

5、一种基于多光源的宽带光谱仪波长标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤201：进行波长校准时，需要控制m个波长校准光源，设置标准波长校准光源i＝0；

步骤202：设置标准波长校准光源i＝i+1；

步骤203：上位机cpu通过fpga控制1×n光开关选择标准波长校准光源i(i=1,2,3,...,m)；

步骤204：将可调光衰减器的初始衰减值设置为0db，并依次递增10db；

步骤205：用1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

步骤206：光谱仪根据采集到的光谱功率调整可调光衰减器的衰减值；

步骤207：判断测试功率是否饱和，若功率饱和，则重复步骤204，直至获取频谱完整； 若功率未饱和，则进入步骤208；

步骤208：上位机软件搜索特征谱线的峰位；

步骤209：保存搜索特征谱的峰位；

步骤210：判断标准波长校准光源i是否等于m个波长校准光源； 若校准光源i不等于m个波长校准光源，则控制1×n光开关，选择第i+1个标准光源，重复步骤202。 当校准光源i等于m个波长校准光源时，i=m光纤光谱仪波长校准方法，即标准波长校准光源全部使用完毕，进入步骤211；

步骤211：所有特征峰位置已保存，然后进行波长校准曲线的拟合；

步骤212：获取多项式系数；

步骤213：存入多项式系数矩阵，完成波长校准。

6、一种基于多光源的宽带光谱仪功率标定方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤301：进行功率校准时，需要控制n个功率校准光源，设置标准功率校准光源j＝0；

步骤302：设置标准功率校准光源j＝j+1；

步骤303：上位机cpu通过fpga控制1×n个光开关选择标准功率校准光源j(j=1,2,3,...,n)；

步骤304：可调光衰减器初始衰减值为0db，衰减值依次递增10db；

步骤305：1×2光开关选择1个通道，将光输入光谱仪；

Step 306: the spectrometer adjusts the attenuation value of the adjustable optical attenuator according to the collected spectral power;

Step 307: Determine whether the test power is saturated, if the power is saturated, repeat step 304 until the obtained spectrum is complete; if not saturated, enter step 308;

Step 308: 1×2 optical switch selects 2 channels;

Step 309: input light into a standard optical power meter, and test the power value;

Step 310: Comparing the test power value with the power value measured by the spectrometer, and calculating the power calibration coefficient;

Step 311: Determine whether the standard power calibration light source j is equal to n power calibration light sources, otherwise enter step 302, when the standard power calibration light source j is equal to n power calibration light sources, that is, j=n, that is, all standard power calibration light sources have been used , go to step 312;

Step 312: According to the n standard power calibration light sources and the measured power calibration coefficients, a power calibration curve for the entire band is fitted to complete the power calibration.

技术概要

The invention discloses an accurate calibration device and method for a broadband spectrometer based on multiple light sources, wherein the device includes: a standard light source, a light source controller, a 1×N optical switch, an adjustable optical attenuator, a 1×2 optical switch, a standard optical Power meter, driving circuit; the standard light source can be a light source with a material absorption line or an atomic emission line, or a laser with a narrow linewidth and stable power or a tunable laser source. The standard light source is controlled by the light source controller to generate spectral lines of specific wavelengths. The standard light source is connected to any channel of the 1×N optical switch through the optical fiber. The 1×N optical switch selects the channel according to the control command, and the output light of a standard light source is selected to pass through and enter the adjustable optical attenuator. The multi-light source-based broadband spectrometer precision calibration device of the present invention adopts a 1×N optical switch to automatically switch multiple light source combinations without manual switching, and is applicable to wavelength calibration and power calibration of various standard light sources of broadband spectrometers .

Technical R&D personnel: Wu Wei; Liu Lei; Li Zhizeng; Zhang Bing; Song Ping; Liu Jiaqing; Xiang Guoqing

Protected technology user: China Electronics Instrument Co., Ltd.

Technology R&D Day: 2020.08.31

Technology Announcement Date: 2020.11.27