一种多轴差分吸收光谱仪的实时校准系统的制作方法

本实用新型涉及环境科学、激光雷达领域，具体为一种多轴差分吸收光谱仪的实时校准系统。

背景技术：

多轴差分吸收光谱仪是一种利用太阳散射光测量大气痕量污染气体的技术，其具有测量下限低，无需光源、成本低等特点，是获取空间污染气体空间分布的一种手段，然而目前的多轴差分吸收光谱仪的光谱仪模块存在零漂、温漂等问题，需要定期校准，而受仪器原理的限制，其标定流程较为繁琐，通常需要专业人员对数据进行判断和解读，给设备的使用带来了一定的障碍，影响了其推广使用。

现有技术方案中，为了使光谱仪的波长尽可能稳定，通常将光谱仪放置在温度可控的冰箱内或者用开放式的TEC控温，然而光谱仪的波长漂移除了温漂外，还有零漂，因此单纯控温并不是一种非常理想的解决方案，并且目前实际采用的控温，不管是冰箱还是开放式TEC，均存在温控性能不稳定，受环境温度变化影响大的问题，并不能有效控温的问题。为了减小控温系统的缺陷，在使用中察觉到数据异常后，还需要对数据进行人工校准，这会让一段时间内的数据无效。除了温度影响外，光谱仪的漂移还与湿度有关，如果不对其进行有效控制，仍然会让波长产生缓慢的漂移。

《物理学报》2007年03期的“光纤模式混合器在差分吸收光谱系统中的应用研究”、2007年01期的《大气与环境光学学报》中的“北京冬季大气SO2、NO2与O3的监测与分析”、以及“Hönninger, G. and Platt, U., Observations of BrO and its vertical distribution during surface ozone depletion at Alert”三篇文献均给出了通用多轴差分吸收光谱仪的结构，在如上所述的结构中，均未对光谱仪进行有效的控温和波长标定，设备通常只允许短期运行，无法实现长期可靠运行。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种多轴差分吸收光谱仪的实时校准系统，采用光源的

特征窄线宽辐射对接收镜头采集到光谱进行实时标定，完全消除温度、湿度对光谱漂移的影响，甚至对震动对光谱仪的影响也能降到最低，为了达到以上目的，采用以下技术方案：包括有：接收镜头、光开关、光源以及光谱仪，所述光谱仪包括有：感光元件、光电转换模块、数据分析单元，利用光开关进行正常测量的光通道与校准测量通道的切换，正常测量的光通道包括有接收镜头、光开关以及光谱仪，接收镜头发射的光经光谱仪分析得到实际测量值；校准测量通道包括光源、光开关以及光谱仪，光源经光谱仪分析得到的校准光谱值，利用数据分析单元对标定实际测量值校准。

优选的，所述感光元件可为线阵CCD，所述感光元件用于接收光谱仪分光光

路分配的光信号，所述光电转换模块用于将光信号转换为电信号。

优选的，所述光开关采用1×2 光开关，实现正常测量的光通道、校准测量

通道的通断切换。

优选的，所述光源可以是汞灯、氙灯、钠灯或其他可发射特征光谱线的光源。

本实用新型与现有技术相比的有益效果：

本实用新型正常测量时，利用接收镜头将接收到的光经光开关传输给光谱仪，通过光谱仪的数据分析单元进行光谱数据分析处理；在测量周期间隙内，光源发光经光开关给光谱仪，由于光源为发射特征光谱线的光源，且光源光谱信息相对于较稳定，光谱仪对具有特征光谱线的光谱信息进行检测和计算，校准光谱信号，采用光源的特征窄线宽辐对光谱仪采集到光谱进行实时标定，避免了温漂、零漂和湿度等因素对光谱仪的影响，确保光谱实时有效，无需不定期的人为标定。

附图说明

图1为本实用新型系统示意图；

图2位本实用新型中关于光开关的结构示意图；

图3为本专利中又一种系统示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合一次具体的数据做进一步的详细说明。在此，本实用新型的示意性事例用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

现有技术中，通常的多轴差分吸收光谱仪由光谱仪和接收镜头两部分组成，接收镜头包含有镜头转向装置或者分光装置来实现多轴观测，为了使光谱仪的波长尽可能稳定，通常将光谱仪放置在温度可控的冰箱内或者用开放式的TEC控温。

如图1所示，本实用新型提供的测量校准系统包括有：接收镜头、光开关、光源以及光谱仪，所述光谱仪包括有：感光元件、光电转换模块、数据分析单元，所述感光元件可为线阵CCD，光谱仪的分光光路会将一束光按照波长/颜色不同分配到线阵CCD的不同像元上，像元个数通常有1024/2068个不等，所述光电转换模块用于将光信号转换为电信号，优选为电压值，若线阵CCD有1024个像元则有1024个电压值，如果将像元编号作为横轴，电压值作为纵轴，则会形成一条高低变化的曲线，对曲线上的一些峰通过寻峰算法，包括最大值法、高斯拟合、抛物线拟合等算法寻找出来，然后将拟合峰的横坐标和查表得到的这些峰的标准波长对应，已知峰的标准波长是有数据库可以查询到的，进行线性或者非线性拟合，记得到像元与波长的对应关系。

对于光谱仪的工作属于现有技术，不作详细说明，本实用新型要保护的重点在于：利用光开关进行正常测量的光通道与校准测量通道的切换，利用光谱仪分别对正常测量的光通道传输的光、校准测量通道传输的光进行光谱分析，分别达到实际测量值校准和校准光谱值，利用校准光谱值对标定实际测量值校准。

如图2所示，光开关采用1×2 光开关，可选用机械式的也可选用电光开关，

实现正常测量的光通道、校准测量通道的通断切换，即测量周期内只有正常测量的光通道处于通的状态，而在测量周期间隙内，正常测量的光通道处于关闭的状态，而此时校准测量通道处于通的状态，采用结构的优点是，减少两个通道之间的相互干扰，使得测量值更精确。

进一步的说，用于正常测量的光通道包括有接收镜头、光开关以及光谱仪，测量周期内，接收镜头发射的光经光开关光谱仪分析得到实际测量值，确切的说是经过光电转换模块得到与线阵CCD像元个数相对应的电压值数量，得到以像元编号、电压值为坐标轴的曲线，并经过现有已知的寻峰算法进行寻峰，并得到锋的波长，进而得到像元与波长的关系，更明确地说是得到光谱信息，即看出实际测量的光的不同波长的分布状态。

校准测量通道包括光源、光开关以及光谱仪，光源经光谱仪分析得到的校准光谱值，确切的说是得到校准光源的光谱信息，即看出作为参考值的光源的不同波长的分布状态，所述光源可以是汞灯、氙灯、钠灯或其他可发射特征光谱线的光源，其发射的光稳定，受温度、湿度影响小，即产生的温漂、零漂小，测量的值更精确，用于对实际测量光谱标定，无需采用将光谱仪放置于温度可控的冰箱内或者用开放式的TEC控温，结构更简单、操作更便捷。

本专利申请采用的实时校准系统，实现间隔的实际测量和校准测量，是为了避免了震动对光谱仪的影响，由于震动会让光谱仪的线阵CCD相对光开关的相对位置变化，使原先标定的CCD像元和波长的对应关系失效，实时标定和校准功能会将震动导致的CCD像元和波长的变化实时纠正，使设备能够在有震动的环境下运行，完全胜任实验室和车载需要，为仪器的可靠运行提供一种有效的解决方案。

本专利申请中，光源的光为宽谱的，没有特征吸收峰的光，为此在校准测量通道上添加气体室，如图3所示，气体室内封装具有一定气压和温度的气体，宽谱光源发出的光经气体室后会有一些特征吸收峰，经过气体室后，光源发的光会有一些波长被气体吸收，光谱就变得不平滑了，有一些吸收峰，能够提高分析的灵敏度。

进一步的，气体如果测量些紫外有吸收的污染气体（NO2、SO2、O3等），气体室可以封装SO2气体，因为SO2气体在紫外有强吸收，且吸收峰分布宽，线宽窄，容易分辨；如果要测量近红外有吸收的污染气体（CH4、C2H2等），气体室可以封装C2H2气体，原因与SO2类似，只是C2H2的吸收峰在近红外波长区。