基于MATLAB的光纤光谱仪校准的测试方法

张 帆 李 新 刘 辉 / 江苏省计量科学研究院

0 引言

光纤光谱仪是针对太阳模拟器光谱匹配度测试而设计的，适用于测量连续型和脉冲型太阳模拟器的光谱特性。太阳能光电池产业作为全球发展最迅猛的行业之一，中国已成为全球最大的太阳能电池板生产国。90%太阳能电池板出口到德国、西班牙、日本和美国。面对内忧外患的光伏市场大趋势，确保产品性能优越，质量可靠，是所有光伏企业力争的目标。而光纤光谱仪是检测太阳模拟器性能的重要测试设备，在生产过程控制和产品检验中发挥着越来越重要的作用，其计量参数的准确可靠也就成了产品质量控制的关键。本文采用光谱辐照度标准灯进行量值传递和MATLAB数据处理技术等来实现对光纤光谱仪的计量。

1 工作原理

1.1 被检光谱仪的工作原理

光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括初出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上，单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描，光纤光谱仪工作原理示意图如图1。

信号光由光纤接口进入光纤光谱仪，先经过一个球面镜准直，然后由一块平面光栅把该准直光色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱的成像就被投射到一块一维线性探测器阵列上。

图1 光纤光谱仪工作原理示意图

1.2 测量装置的工作原理

利用光谱辐照度标准灯、暗室、光轨、电测系统、定位支座、光学调整装置等对光纤光谱仪的辐照度进行校准，测量装置结构示意图如图2。

图2 光纤光谱仪测量装置结构示意图

光纤光谱仪连接至数据处理系统，操作步骤如下：

把光纤光谱仪和辐射照度标准灯安装在测量装置上，调整标准灯的灯丝平面和探测器探头的测试面，使它们垂直于光轨的水平测量轴线，且中心点位于该轴线。然后，在探测器探头与标准灯之间放置一些光阑（其通光孔径大小要适当），以防止杂散光进入探测器，但不允许挡住灯丝和玻壳直接入射到探测器上的光。

在给定电流下，点燃标准灯，固定探测探头位置，确定标准灯到探测器探头之间的距离。开启计算机光纤光谱仪操作软件，按照光纤光谱仪操作说明，预热光纤光谱仪。遮光，采集记录暗电流数据，然后揭开遮盖探头的盖子。待标准灯发光稳定后，读取被检光纤光谱仪光谱辐射照度示值。

若光纤光谱仪具有软件定标功能，软件可以读取光谱辐射标准灯数据，则将标准灯量值写入光纤光谱仪操作软件，并扣除暗电流，进行光纤光谱仪定标。定标后，再测量光谱辐射照度示值。

光纤光谱仪测得的光谱辐射照度值E（λ），与标准灯光谱辐射照度标准值E标（λ）相比较，得出光谱辐射照度示值误差：

2 数据处理

2.1 源数据

表1中为辐照度标准灯的光谱辐照度数据,是通过光谱辐射计进行量值传递得到的数值。辐照度标准灯相对光谱功率分布如图3。

表1 辐照度标准灯的光谱辐照度（间隔50 nm）

图3 辐照度标准灯相对光谱功率分布

2.2 MATLAB数据处理

MATLAB是美国MathWorks公司出品的数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。具有高效的数值计算及符号计算功能，以及完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。

用MATLAB分别实现拉格朗日和3次样条曲线插值的算法程序，对辐照度标准灯的数据进行分析处理（图4、图5）。

图4 拉格朗日插值曲线

图5 三次样条插值曲线

如图所示，三次样条插值法得到的曲线与辐照度标准灯相对光谱功率分布更为接近，因此选择用三次样条插值法得到标准灯在400 ～1 100 nm范围内间隔10 nm的波长点下的光谱辐射照度数据（如表 2）。

表2 辐照度标准灯的光谱辐照度（间隔10 nm）

续表2

3 结果分析

在利用三次样条插值法时，分别取1 nm间隔得到的光谱辐射照度数据和10 nm间隔得到的光谱辐射照度数据， 400 ～ 1 100 nm的积分数据分别为 10 957 μW/cm2和 10 949 μW/cm2，相对偏差为-0.08%。在不确定度分析中所占比重很小，因此认为400 ～ 1 100 nm范围内间隔10 nm的波长点下的光谱辐射照度数据即可满足测量光纤光谱仪光谱辐照度示值校准的要求。

[1]全国光学计量技术委员会. JJG 384-2002[S]. 北京：中国计量出版社，2002.

[2]谢文龙. 三次样条函数的构造方法[J]. 江南学院学报, 2000, 15(2)：90-93.

[3]张铮, 杨文平, 石博强，等. MATLAB 程序设计与实例应用[M]. 北京： 中国铁道出版社, 2003.