[发明专利]用于定量光谱的频率配准偏差的重构

说明书

在由光谱分析系统进行的频率或波长范围扫描期间发生的频率配准偏差可以使用被动和/或主动方法来校正。被动的方法可以包括确定数学转换并将其应用于记录的现场光谱。主动方法可以包括修改光谱分析系统的一个或多个操作参数以减小频率配准偏差。

相关申请的交叉引用

本申请涉及2015年8月3日递交的美国临时申请No.62/200,581 和2016年8月3日递交的美国专利申请No.14/817,119并且要求其优先权，其内容在此通过引用全部并入本文。

技术领域

本公开一般涉及光谱分析，并且特别涉及用于实现并保持来自光谱分析仪的光谱数据的准确且可再现的频率和/或波长配准的方法。

背景技术

相对于光谱分析系统处于校准状态时，光谱分析系统的硬件的劣化、漂移或不可再现性中的一个或多个会影响在使用光谱分析系统获得的光谱扫描中观察到的频率和波长配准。因此，使用这样的系统所进行的测量的准确性和可再现性随着时间的推移可能劣化。作为本文使用的术语，频率和波长配准指代当前扫描反映频率或波长扫描范围 (例如，扫描开始和结束的相应波长或频率)以及在该扫描范围内的频率或波长相对于光谱分析系统处于其校准状态时的准确性。配准偏差效应在光谱分析的实际应用中通常是不可避免的。光谱分析系统的硬件可以包括光源(例如，灯、激光器等)、检测器、电子器件、光学器件、机械组件等。实现并保持光谱数据(例如，吸收光谱数据) 的准确且可再现的频率和波长配准会是定量光谱中的重要考虑因素。

在基于直接吸收光谱(DAS)的光谱分析系统中，可以通过多种方法或其组合跨波长范围来扫描光源，包括但不限于将线性地斜变 (ramp)对光源的至少一个区段的注入电流；斜变光源的一个或多个区段的温度(例如，在半导体激光器的情况下)；旋转一个或多个光栅；旋转一个或多个色散光学组件；调整光源的一个或多个干涉式、谐振器或增益光学组件的传输频率；使用一个或多个游标效应、电光效应、热光效应和/或声光效应等。可以包括频率扫描范围(以cm^-1计) 和频率扫描曲线(例如在扫描范围内的频率响应的线性vs非线性行为) 的光源的频率响应(例如由光源发射的作为驱动电流的函数的频率) 通常随着光源的操作温度、到光源的注入电流的中心值以及时间中的一个或多个的变化而变化。即使当注入电流(在此也被称为中心注入电流)的操作温度和中心值保持恒定时，也可能发生这样的变化。

在DAS中，由光源发射的光穿过在路径长度上的样品流体(例如气体或液体)并且最终被引导到检测器，当光撞击在该检测器上时该检测器提供反映光强度的输出信号(其可以是连续的光束或脉冲)。在DAS中，强度的这些变化可归因于样品流体内一个或多个分析物的吸收。例如，接近样品流体中存在的化学物种(chemical species)的原子或分子跃迁的频率的光被吸收，使得对于这样的频率穿过样品流体的光的强度相对于由光源发射的强度减小。这种强度差异与朗伯-比尔 (Lambert-Beer)定律结合使用来量化吸收物质的浓度。记录的目标分析物的DAS光谱吸收曲线可以允许通过在光谱吸收曲线上积分和/或通过将测量的光谱吸收曲线拟合到用于目标分析物的已知的光谱常数和Voigt吸收曲线、Lorentz吸收曲线或Gaussian吸收曲线来量化目标分析物浓度。在DAS的替选实施例中，目标分析物的光谱吸收曲线的形状可以用于量化样品流体温度和/或样品流体压力。例如，如果光源的光谱扫描特性改变——其可能导致记录的光谱吸收相对于光谱仪器的校准时的失真，则DAS关于校准状态的准确性会受到影响。此外，在多于一个化学物种于给定频率下具有显著的吸收跃迁的情况下，例如当存在于样品流体的背景组分(下面定义)中的化学物种的吸收跃迁接近样品流体中目标分析物(也在下文中定义)的吸收跃迁或与之相符时，以及由于检测器信号中的低频噪声(通常称为1/f噪声)——其可能干扰低浓度测量，DAS的准确性会受到影响。