[發明專利]一種基于隨機抽樣一致性的光譜漂移標定與校正方法

在審

• 申請號: 202211112891.0
• 申請日: 2022-09-14
• 公開（公告）號: CN115586143A
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 劉向鋒;徐衛明;舒嶸;賈良辰;許學森
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種基于隨機抽樣一致性的光譜漂移標定與校正方法，方法包括以下步驟：(1)光譜儀首次測量目標的光譜作為參考光譜，獲得光譜的像元到波長的轉換模型及系數；(2)光譜儀再次測量目標的光譜作為測量光譜，識別測量光譜中特征譜線的譜峰位置作為觀測像元序列；(3)選取參考像元序列與觀測像元序列間能滿足條件的最大概率局內點，作為測量特征譜線與參考特征譜線的相匹配譜線；(4)計算匹配譜線間的像元差，將平均值作為光譜漂移量；(5)使用光譜漂移量來改正測量光譜的像元序列；(6)利用絕對平均值和均方根定量描述校正波長精度。本發明能快速自動識別測量光譜與參考光譜間的像元漂移量，準確性好，魯棒性強，易操作。

技術領域

本發明涉及光譜測量與標定方法，尤其是激光光譜的現場或原位探測，根據相同物質具有相同的特征譜線，利用光譜儀測量某一相同物質的兩次光譜，通過比較兩次光譜中相匹配的主要特征譜線間的像元偏差，作為實測光譜與參考光譜間的光譜漂移量，進而改正測量光譜的像元值，再利用像元與波長轉換模型計算校正后波長，得到校正后的測量光譜的一種光譜漂移標定與校正方法。

背景技術

不同物質的原子都有自己的特征譜線，利用光譜測量技術獲得目標的光譜并通過光譜分析可以用于物質成分分析及含量反演。光譜儀的理想工作環境為恒溫環境，但是實際條件很難控制。實際中環境溫度的波動和大氣壓強的變化會導致儀器采集的光譜位置發生漂移，進而影響分析結果的準確度；導致光譜的波段內累積增高或下降，降低測量結果的穩定性。

目前，通常采用環境精確控溫、標準光源校準、參考已知特征譜線的方式來糾正光譜漂移，但具體存在以下缺陷：

1.環境精確控溫：在設備表面粘貼加熱絲、保溫材料、溫度檢測器等，保持設備及環境溫度的相對穩定；但該方法在外界溫度變化幅度較大時，不能及時控溫且控制精度不理想，另外光譜儀工作時自身就會發熱，測量光譜的位置仍存在漂移；

2.標準光源校準：利用標準光源(通常汞燈)作為輸入光源信號，采集標準光源的光譜位置，識別對應譜線并計算出光譜的偏移量，進而校正為準確的光譜位置；但該方法適用于實驗室環境，難以應用于現場和原位光譜測量。

3.參考已知特征譜線：利用光譜儀測量目標的光譜，已知主要特征譜線的實際光譜位置，分析實際測量光譜的偏移量；但該方法難以將測量光譜的特征譜線與已知特征譜線進行自動匹配，且光譜的現場或原位測量中物質大多是未知成分，存在很多干擾譜線，難以確定與已知特征譜線相匹配的譜線。

發明內容

針對現有方法的技術缺點，本發明所要解決的技術問題是提供一種快速、有效地自動識別測量光譜與參考光譜間的像元漂移量的標定與校正方法。其特點是利用隨機抽樣一致性算法對兩次測量光譜中主要特征譜線的位置進行自動匹配，既能滿足現場或原位測量的需求，又能實現測量漂移量的快速、自動確定，從而提高光譜測量的精度與穩定性。本發明的目的通過以下技術方案來實現：

(1)基于相同物質具有相同特征譜線，將光譜儀首次測量物質的光譜作為參考光譜。并利用標準光源或主要特征譜線的已知波長值，確定并建立光譜儀初始像元與波長間的轉換模型及系數，假設光譜儀響應的特征譜線的像元值為P＝[p₁,p₂,…,p_k]，對應波長值為λ＝[λ₁,λ₂,…,λ_k]，k表示譜線的數量；通過多項式擬合法建立兩者之間關系的轉換模型方程λ＝f(p)：

式中，j為多項式的階數。采用最小二乘法對該方程中系數進行解算，得到系數α₀,α₁,…,α_j，獲得能描述像元與波長轉換關系的擬合方程。

(2)基于相同物質，光譜儀再次測量光譜作為實際測量光譜。利用光譜尋峰算法，分別識別測量光譜與參考光譜中的主要特征譜線的位置。