专利名称：光栅分光系统中滤除重叠光谱的数据处理方法
技术领域：
本发明涉及一种光栅分光系统中滤除重叠光谱的数据处理方法，通过数据处理有效滤除光栅衍射谱中的非被测级次光谱成分，属于光谱学、光谱仪器及测量领域。
对于采用多通道阵列式检测器的空间分光型光谱装置或仪器，由于阵列检测器采用电扫描方式采集各个波长光谱数据，在瞬间就能完成全光谱范围内所有波长信息的采集，不需要机械扫描，这一特性使其具有高速、高效、稳定、信息量大等特点，在动力学反应过程、实时控制、在线测量和批量检测等领域具有重要的应用价值。由于机械切换远远跟不上电扫描的速度，当光谱覆盖的范围较宽时，传统的机械更换滤光片的滤光方法已不能适用。
为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案利用光栅的各级衍射光谱具有确定的位置分布关系，对于确定的分光装置和检测器系统，各波长不同级次光谱的衍射效率具有确定的比例关系这两条性质，首先，由光栅方程确定各波长各级次衍射光谱的位置及分布，通过实验测定各波长各级衍射谱之间的衍射效率关系，然后，根据各波长各级衍射谱之间的位置分布关系及相对衍射效率，编写从混合光谱中扣除非被测重叠光谱成分的数据处理程序，通过运行数据处理程序自动将非被测重叠谱成分扣除，从而达到滤光的目的。
本发明的具体方法如下1、分析测量面上被测光谱与重叠的其他级次光谱的波长分布及位置分布。
分析依据是由θ＝arcsin(κλ/d)确定衍射光谱位置，第k1级波长为λ1的衍射光位置与第k2级波长为(k1/k2)λ1的衍射光的位置重叠。其中，θ为衍射角，k为光谱级次，λ为波长，d为光栅常数。
2、在既定的分光检测系统中，测量各级光谱的能量分布。
在光路中插入辅助滤光片截止其他级次光谱，测得经滤光片衰减后的光谱能量分布，除以滤光片的光谱透过率因子，便能得到该级次的光谱能量分布。当光谱范围较宽时，需要将光谱分段进行测量。当已经知道混合谱和组成混合谱的其余各级次谱的能量分布时，也可以采用直接相减的方法求得另外一个级次光谱的能量分布。
3、在步骤2的基础上，以其中某个级次光谱的能量分布为参照，根据各波长各级衍射光谱的位置分布和能量分布，求其他级次光谱相对于该级次光谱的衍射效率。即对照第m级和第n级谱能量分布，可以求出出现在m级光谱波长nλ/m位置的、波长为λ的n级光谱相对波长为λ的m级光谱的相对衍射效率ηmn(λ)。
4、根据步骤1和步骤3得到的各波长被测光谱与其他级谱的相对衍射效率及位置对应关系，编写从原始光谱数据中扣除非被测级次重叠光谱成分的数据处理程序。
5、运行从原始光谱数据中扣除非被测级次重叠光谱成分的数据处理程序，将非被测级次重叠光谱成分从原始数据中扣除。
由于本发明的方法是通过预先测量获得各级谱的相对衍射效率关系，据此通过程序对原始光谱数据进行处理，将覆盖在被测光谱上的非被测光谱成分消除，从而达到滤光目的的。因此，采用这种方法滤光的分光装置或仪器中，不需要在光路中加滤光片，数据处理速度快，即节省了滤光器件成本，避免了由于引入滤光片导致的光能量下降，又能满足高速并行宽光谱测量的要求，可操作性强，应用范围大，特别具有实际意义。
图中光栅分光范围为190～800nm，光源光谱范围为185～1200nm。
图2为不进行滤光处理情况下400～570nm范围氧化钬溶液的吸收光谱。
图中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱严重偏离标准谱图，可以观察到数个多级光谱的吸收峰。
图3为采取木发明方法滤光后400～570nm范围氧化钬溶液的吸收光谱。
图中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱与标准图谱符合，表明重叠在被测一级光谱上的多级光谱成分被有效地滤除。
在以光栅分光、光电二极管阵列为检测器的分光系统中，测量光栅衍射的第一级光谱，光谱范围190～800nm，光源的光谱范围185～1200nm。采用本发明方法和技术滤去非被测光谱的方法如下1、分析测量面上被测光谱与重叠的其他级光谱的波长分布及位置分布。
由光栅方程d sinθ＝κλ可知在光栅衍射第一级光谱的λ波长位置将叠加第二级衍射光谱λ′，第三级衍射光谱λ″，……，而且满足λ＝2λ′＝3λ″＝……，第一级光谱的λ波长的角位置为θ＝arcsin(λ/d)光栅衍射各级光谱的波长分布及呈现位置分布如附

图1。
从波段的对应关系来看在一级衍射谱185～370nm范围，光谱无重叠；在一级衍射谱370～555nm范围，重叠了185～277.5nm的二级谱；在一级衍射谱555～740nm范围，重叠的有277.5～370nm的二级谱，和185～246.7nm的三级谱；在一级衍射谱740～800n光谱范围，重叠的不仅有370～400nm的二级谱、246.7～266.7nm的三级谱，还有185～200nm的四级谱。
2、在确定的分光系统中测量被测光面上各波长各级次光谱的能量分布。
1)一级光谱的能量分布测量一级谱从185～370nm范围的光谱无其他级次重叠，该谱段光谱是纯净的一级衍射谱。
在一级谱370～800nm范围内，覆盖了从185～400nm的其他级次谱，由于被测一级谱与非被测其余级谱的谱段仍有交叠，没有完全断开，考虑将一级谱的370～800nm范围分成300～450nm和450～800nm两段来测量，在光路中加截止波长240nm的滤光片1，测得300～450nm光谱段经过滤光片1衰减的一级衍射谱强度；在光路中加截止波长420nm的滤光片2，测得450～800nm光谱段经过滤光片2衰减的一级衍射谱强度。
通过准确测量滤光片1和滤光片2的光谱透过率，可以求出350～800nm光谱段的一级衍射谱强度。
2)二级光谱的能量分布测量不加滤光片，实际检测370～555nm的光谱强度(包含一级谱和二级谱)，对照1)得到的370～555nm一级光谱强度，可以求出出现在一级光谱370～555nm位置的波长为185～277.5nm的二级光谱的强度。
在光路中加透过波长为270nm～450nm的带通滤光片，可以测量叠加在一级光谱550～800nm位置的、波长为277.5～400nm的、经滤光片衰减的二级光谱的强度分布，测定带通滤光片的光谱透过率，便可求出二级谱分布。
3)三级光谱的能量分布测量不加滤光片时，测得的是如附图1所述的包含一级到四级的混合谱能量分布，扣除二级谱，得到包含一级、三级和四级的混合谱能量分布，其中的555～740nm谱段只包含一级和三级。将其与一级谱相对照，可以确定叠加在555～740nm谱段的三级谱。
加截止波长为200nm滤光片，测得700～800nm谱段的包含一级、二级和三级的能量谱，扣除二级谱，得到包含一级、三级的混合谱能量分布，将其与一级谱相对照，可以确定叠加在700～800nm谱段的三级谱。
4)四级光谱的能量分布测量仅740～800nm谱段存在四级谱，测量光路中不加滤光片，700～800nm谱段的能量包含一级到四级的混合谱能量分布，扣除一级谱、二级谱和三级谱，得到四级谱。
3、在步骤2基础上求各波长其余级次光谱相对于一级光谱的相对衍射效率。
对照一级和二级谱能量分布，可以求出出现在一级光谱2λ波长位置的、波长为λ的二级光谱相对波长为λ的一级光谱的相对衍射强度η21(λ)。
对照一级和三级谱能量分布，可以求出出现在一级光谱3λ波长位置的、波长为λ的三级光谱相对波长为λ的一级光谱的相对衍射强度η31(λ)。
对照一级和四级谱能量分布，可以求出出现在一级光谱4λ波长位置的、波长为λ的四级光谱相对波长为λ的一级光谱的相对衍射效率η41(λ)。
4、编制从原始光谱数据中扣除重叠的多级谱成分的数据处理程序。
根据测定的其他多级谱相对被测级次谱的相对衍射效率，按照先扣除高级次谱后扣除低级次谱的顺序，逐一将重叠在被测谱上的其他级次谱的能量扣除。
混合谱的能量为E＝E1(λ)+E2(λ/2)+E3(λ/3)+E4(λ/4)多级谱能量为Em(λ)＝ηm1E1(λ)(m＝2，3，4)上两式中，E为一级谱波长λ处的混合总能量，Em(λ)为第m级谱在波长λ处的能量，ηm1(λ)为波长为λ的第m级光谱相对第一级光谱的相对衍射效率。
于是，一级谱能量分布为E1(λ)＝E-η21E1(λ/2)-η31E1(λ/3)-η41E1(λ/4)根据一级谱能量分布式和步骤2得到的η21(λ)、η31(λ)及η41(λ)以及各级谱的位置对应关系编写程序，通过运行程序自动扣除多级谱。
实际测量得到的是如附图1所示的包含一级到四级的混合谱能量分布。从此混合光谱能量数据出发，多级重叠谱的扣除分两步进行第一步由于185～370nm范围是纯净的一级衍射谱，利用这一段光谱数据，可以扣除185～200nm的四级谱、185～266.7nm三级谱和185～370的二级谱。
第二步经过第一步后，一级370～740nm范围也是纯净谱，再据此扣除370～400nm的二级谱。
5、运行从原始光谱数据中扣除重叠的多级谱成分的数据处理程序。
为了验证上述新型滤光的方法和技术的可行性和效果，在光栅分光、二极管阵列为检测器的光谱检测装置中测量了400～570nm氧化钬溶液吸收光谱，当不进行滤光处理时，氧化钬溶液吸收光谱如附图2，图中的横坐标为阵列探测器的像元数(对应于波长)，纵坐标为吸光度值，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱严重偏离标准谱图，可以观察到数个多级谱的吸收峰。采取本发明方法滤光后，氧化钬溶液吸收光谱如附图3，图中显示的氧化钬溶液吸收光谱与标准图谱符合，表明重叠在被测一级谱上的多级谱被有效滤除。
权利要求
1.一种光栅分光系统中滤除重叠光谱的数据处理方法，其特征在于包括如下具体步骤(1)分析测量面上被测光谱与重叠的其他级次光谱的波长分布及位置分布，依据是由θ＝arcsin(κλ/d)确定衍射光谱位置，第k1级波长为λ1的衍射光位置与第k2级波长为(k1/k2)λ1的衍射光位置重叠，其中，θ为衍射角，k为光谱级次，λ为波长，d为光栅常数；(2)在既定的分光检测系统中，测量各级光谱的能量分布，在光路中插入辅助滤光片截止其他级次光谱，测得经滤光片衰减后的光谱能量分布，除以滤光片的光谱透过率因子得到该级次的光谱能量分布，或者将已知的混合谱的能量分布减去组成混合谱的其余各级次谱的能量分布求得被求级次光谱的能量分布；(3)在步骤(2)的基础上，以其中某个级次光谱的能量分布为参照，根据各波长各级衍射光谱的位置分布和能量分布，求各波长其他级次光谱相对于该级次光谱的衍射效率；(4)根据步骤(1)和步骤(3)得到的各波长被测光谱与其他级光谱的相对衍射效率及位置对应关系，编写从原始光谱数据中扣除非被测级次重叠光谱成分的数据处理程序；(5)运行扣除非被测级次重叠光谱成分的数据处理程序，将非被测级次重叠光谱成分从原始数据中扣除。
全文摘要
本发明涉及一种光栅分光系统中滤除重叠光谱的数据处理方法，由光栅方程确定各波长各级次衍射光谱的位置及分布，通过实验测定各波长各级衍射谱之间的衍射效率关系，根据各波长各级衍射谱之间的位置分布关系及相对衍射效率，编写从混合光谱中扣除非被测重叠光谱成分的数据处理程序，通过运行数据处理程序自动将非被测重叠谱成分扣除，从而达到滤光的目的。本发明普遍适用于采用光栅进行分光的绝大多数分光仪器及系统，尤其适用于采用阵列探测器的全光谱高速测量系统，由于不需要在光路中加滤光片，既节省了滤光器件成本，又避免了由于引入滤光片导致的光能量下降，能满足高速并行光谱测量的要求，应用范围大，特别具有实际意义。
文档编号G01J3/12GK1447099SQ03116078
公开日2003年10月8日 申请日期2003年3月31日 优先权日2003年3月31日
发明者黄梅珍, 黄维实, 窦晓鸣, 林峰, 倪一, 袁波, 赵海鹰 申请人:上海春晓光电科技有限公司, 上海交通大学