谱图还原算法是中阶梯光栅光谱仪高分辨的保障，其精度和速度的优化是推动仪器发展的关键。提出一种基于全像面拟合的谱图还原算法，将光谱标定融入到建模过程中的方式同时解决了环境改变和仪器扰动对模型精度的影响问题。首先建立初始模型，利用光线追迹结果进行全像面拟合，获得标准模型。再利用Hg-Ar灯的特征谱线对标准模型进行二次拟合以修正偏差，从而完成光谱标定。最后采用多种元素灯的特征谱线对所提建模方法的精度进行验证。实验结果表明，所建立的谱图还原模型的全像面误差在2 pixel内，全波段波长平均提取误差为0.01 nm。所提方法将建模过程与标定技术相结合，使标定常态化，简化了建模流程，为中阶梯光栅光谱仪的应用推广提供了算法基础。

中阶梯光栅光谱仪凭借高光谱分辨率在各领域应用日益广泛，已经成为主要的光谱分析仪器之一。谱图还原技术是中阶梯光栅光谱仪数据处理的核心，通过建立波长和成像位置间的对应关系实现二维图像到一维谱图的快速还原。谱图还原的精度直接决定了中阶梯光栅光谱仪的性能，是仪器开发的重点和难点。鉴于此，本文综述谱图还原技术的发展，将其演变过程归纳为光线追迹、模型化和标定法等3个阶段，重点介绍各阶段谱图还原算法的核心思路与代表方法的原理。最后针对中阶梯光栅光谱仪谱图还原技术，归纳其发展历程、预测其发展趋势、展望其发展方向。

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

为了基于中阶梯光栅光谱仪特殊的二维原始光谱图像实现各波长与其强度信息的一一对应, 进而得到可以直接读取所需波段或波长光信号强度信息的一维光谱曲线。对其原始光谱进行分析研究, 通过获得接收像面上各波长光斑位置与探测器像元的精确对应关系, 实现谱图的还原处理。采用多项式拟合方法分别对中阶梯光栅光谱仪的棱镜色散方向和光栅色散方向上光斑的位置坐标进行拟合, 建立起波长与像面之间的关系式, 为减小光线追迹数量, 同时采用级次间拟合的方式建立谱图还原模型。实验结果表明: 通过该方法, 可实现快速、高精度的谱图还原模型建立, 模型的计算误差最大为0.023 92 mm, 即谱图还原精度优于1个像元。该算法具有较强的灵活性和普适性, 适用于各类中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型计算。

为了满足激光诱导等离子体分析系统（LIPS）对分光系统的分辨率， 光谱范围， 体积等多方面要求。 本文研制了一台中阶梯光栅光谱仪， 该光谱仪能同时获得所有谱段范围内的光谱信息， 令LIPS系统可实现快速在线实时分析。 并且， 该光谱仪采用可调节延迟时间的ICCD作为后端探测器， 令整个系统可根据实际实验情况选择最优延迟时间接收光谱， 提高了整个系统的信噪比。 最后， 搭建了一套激光诱导等离子体分析系统， 对研制的中阶梯光栅光谱仪在系统中的可用性进行验证。 通过对合金样品测试， 整个系统的分辨率达002 nm， 光谱范围覆盖190～600 nm。 并且研制的LIPS系统光谱重复性较好， 特征元素波长提取误差不超过001 nm， 可较准确的对样品成分进行分析。

研究了一种基于数字微镜器件（DMD）具有新型光路结构的中阶梯光栅光谱仪，并采用新的谱图信息接收方式来降低其使用成本和数据处理过程的复杂程度。将具有单波长选通功能的DMD与一维探测器光电倍增管（PMT）相结合接收中阶梯光栅光谱仪的光谱信息，在降低仪器成本的同时将中阶梯光栅光谱仪谱图还原算法与DMD扫描驱动算法相整合，提高了算法效率。由于DMD的填充因子比CCD稍低，该类光谱仪对成像质量和能量集中度提出了更高的要求。本文根据DMD型中阶梯光栅光谱仪特点，在有限的可挑选的光学材料下，采用多重优化的方式合理设计了中阶梯光栅光谱仪准直镜、中阶梯光栅、棱镜、聚焦镜等各个光学元件的光路结构参数, 并且在Czerny-Turner结构中加入校正透镜和场镜，校正了系统所有像差，提高了整个光学系统的成像质量和光谱分辨率。最终设计的光谱仪系统分辨率达0.01 nm，单个微反射镜内的光斑能量聚集度达到70%。

为了保证中阶梯光栅光谱仪能够具有足够的波段范围, 设计了一套校正装置,对该校正装置的校正原理、波段校正范围、校正分辨率等问题进行了讨论和研究。首先, 对中阶梯光栅光谱仪的光学元件进行了公差分析, 并介绍了自动光谱校正的原理和流程。选定聚焦镜作为调整环节并根据CCD接收器像面的利用情况给出了调整分辨率要求, 然后设计了校正装置, 并对校正装置的分辨率进行了理论计算。最后, 对校正装置的校正效果进行了实验验证。实验结果表明: 校正装置在方位方向的校正分辨率可达0.006 25°、俯仰方向的分辨率可达0.006 25°、前后方向的分辨率可达0.005 mm。校正装置可以将10像素的波段偏移调整回CCD正常接收范围内, 从而保证光谱仪器的全谱段波段范围。

中阶梯光栅光谱仪凭借交叉色散特性实现全谱瞬态直读, 面阵探测器接收的二维光谱图像需要还原成一维谱图以提取有效波长。 由于二维谱图含有庞大的数据, 且有效信息仅占极小比例, 因此在谱图还原前进行背景去除能够减小数据量、 提高运算速度。 详细分析了中阶梯光栅光谱仪二维图像的特点, 并针对其特点提出了背景去除算法。 将图像边缘检测方法应用于弥散光斑的检测中, 选择合适的边缘检测算子与原始图像卷积得到边缘图像, 设置边缘图像的全局阈值对其进行二值分割, 最终利用二值边缘图像映射原始图像得到去除背景的二维谱图。 依据不同元素灯在不同积分时间下所拍摄的谱图, 对比不同边缘检测算法的背景去除效果, 分析了各算子对算法速度、 精度的影响。 实验结果表明本文提出的算法运算简单、 边缘图像阈值易于计算、 目标提取精度高, 处理后的图像可以与谱图还原算法有效对接, 谱图处理速度显著提升。