[发明专利]一种基于随机抽样一致性的光谱漂移标定与校正方法

说明书

本发明公开了一种基于随机抽样一致性的光谱漂移标定与校正方法，方法包括以下步骤：(1)光谱仪首次测量目标的光谱作为参考光谱，获得光谱的像元到波长的转换模型及系数；(2)光谱仪再次测量目标的光谱作为测量光谱，识别测量光谱中特征谱线的谱峰位置作为观测像元序列；(3)选取参考像元序列与观测像元序列间能满足条件的最大概率局内点，作为测量特征谱线与参考特征谱线的相匹配谱线；(4)计算匹配谱线间的像元差，将平均值作为光谱漂移量；(5)使用光谱漂移量来改正测量光谱的像元序列；(6)利用绝对平均值和均方根定量描述校正波长精度。本发明能快速自动识别测量光谱与参考光谱间的像元漂移量，准确性好，鲁棒性强，易操作。

技术领域

本发明涉及光谱测量与标定方法，尤其是激光光谱的现场或原位探测，根据相同物质具有相同的特征谱线，利用光谱仪测量某一相同物质的两次光谱，通过比较两次光谱中相匹配的主要特征谱线间的像元偏差，作为实测光谱与参考光谱间的光谱漂移量，进而改正测量光谱的像元值，再利用像元与波长转换模型计算校正后波长，得到校正后的测量光谱的一种光谱漂移标定与校正方法。

背景技术

不同物质的原子都有自己的特征谱线，利用光谱测量技术获得目标的光谱并通过光谱分析可以用于物质成分分析及含量反演。光谱仪的理想工作环境为恒温环境，但是实际条件很难控制。实际中环境温度的波动和大气压强的变化会导致仪器采集的光谱位置发生漂移，进而影响分析结果的准确度；导致光谱的波段内累积增高或下降，降低测量结果的稳定性。

目前，通常采用环境精确控温、标准光源校准、参考已知特征谱线的方式来纠正光谱漂移，但具体存在以下缺陷：

1.环境精确控温：在设备表面粘贴加热丝、保温材料、温度检测器等，保持设备及环境温度的相对稳定；但该方法在外界温度变化幅度较大时，不能及时控温且控制精度不理想，另外光谱仪工作时自身就会发热，测量光谱的位置仍存在漂移；

2.标准光源校准：利用标准光源(通常汞灯)作为输入光源信号，采集标准光源的光谱位置，识别对应谱线并计算出光谱的偏移量，进而校正为准确的光谱位置；但该方法适用于实验室环境，难以应用于现场和原位光谱测量。

3.参考已知特征谱线：利用光谱仪测量目标的光谱，已知主要特征谱线的实际光谱位置，分析实际测量光谱的偏移量；但该方法难以将测量光谱的特征谱线与已知特征谱线进行自动匹配，且光谱的现场或原位测量中物质大多是未知成分，存在很多干扰谱线，难以确定与已知特征谱线相匹配的谱线。

发明内容

针对现有方法的技术缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种快速、有效地自动识别测量光谱与参考光谱间的像元漂移量的标定与校正方法。其特点是利用随机抽样一致性算法对两次测量光谱中主要特征谱线的位置进行自动匹配，既能满足现场或原位测量的需求，又能实现测量漂移量的快速、自动确定，从而提高光谱测量的精度与稳定性。本发明的目的通过以下技术方案来实现：

(1)基于相同物质具有相同特征谱线，将光谱仪首次测量物质的光谱作为参考光谱。并利用标准光源或主要特征谱线的已知波长值，确定并建立光谱仪初始像元与波长间的转换模型及系数，假设光谱仪响应的特征谱线的像元值为P＝[p₁,p₂,…,p_k]，对应波长值为λ＝[λ₁,λ₂,…,λ_k]，k表示谱线的数量；通过多项式拟合法建立两者之间关系的转换模型方程λ＝f(p)：

式中，j为多项式的阶数。采用最小二乘法对该方程中系数进行解算，得到系数α₀,α₁,…,α_j，获得能描述像元与波长转换关系的拟合方程。

(2)基于相同物质，光谱仪再次测量光谱作为实际测量光谱。利用光谱寻峰算法，分别识别测量光谱与参考光谱中的主要特征谱线的位置。