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。

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。

为了提高中阶梯光栅光谱仪光谱定标的效率和精度，基于谱图还原算法，提出了利用汞灯多条特征谱线联合定标的思想，设计了中阶梯光栅光谱仪的在线定标算法。以汞灯为定标光源进行光谱定标实验，结果表明该算法在谱图偏差不超过限定范围时可以自动修正谱图还原模型，选择的定标波长越多、分布越均匀，定标精度越高。对于250~600 nm波段内的中阶梯光栅光谱仪，选择5个以上的定标波长可以使定标精度达到仪器理论分辨率0.01 nm。该方法实现了中阶梯光栅光谱仪的自动化光谱定标，使光谱仪在保证高光谱分辨率的前提下更具实用性，具有工程应用价值。

中阶梯光栅光谱仪通过交叉色散形成的二维光谱图,无法直接对入射光的波长进行光谱标定。为此，建立了C-T型棱镜透射式中阶梯光栅光谱仪的谱图还原模型，分别分析了棱镜和光栅色散方向的色散规律以及棱镜与光栅之间的相互作用关系，并且建立了波长与像面坐标的关系表达式。根据该类中阶梯光栅光谱仪的光路结构特点，以及光束在各个光学元件的传输特性，校正各光学元件引入的坐标计算误差，最终精确计算出波长所对应的像面坐标,完成谱图还原模型的建立。通过该方法建立的模型可快速准确地对该类型中阶梯光栅光谱仪二维谱图进行谱图还原及波长标定，模型的计算误差小于一个像元。

中阶梯光栅光谱仪具有高色散、 高分辨率、 宽波段、 全谱瞬态直读等诸多优点, 是先进光谱仪器的代表之一。 在中阶梯光栅光谱仪民用化、 商品化的发展趋势之下, 其二维谱图图像处理的地位越来越重要。 目前, 国内一般先利用质心提取算法计算光斑质心再结合谱图还原算法计算有效波长, 但这种方法难以达到较为理想的要求。 为了提升运算速度、 波长提取精度以及成像误差补偿能力, 提出了基于谱图还原的有效波长提取算法。 利用谱图还原算法, 将探测器拍摄的二维谱图转换为一维图, 通过改进的直方图双峰法选取阈值对一维图降噪, 实现了二维谱图中全部有效(x, y)点对应波长的一次性提取。 先将二维谱图转换为一维图进行图像处理, 使算法在提升运算速度的基础上提取精度也得到了改善, 还可以对一定范围内的成像误差进行补偿。 采用标准汞灯作为待测光源开展了中阶梯光栅光谱仪成像实验, 并使用该算法进行数据处理。 实验结果表明, 不仅能够自动补偿光谱仪0.05 μm(两个像元)以内的成像偏差, 而且能在精确提取有效波长的基础上大幅提升运算速度, 波长误差小于0.02 nm, 满足中阶梯光栅光谱仪图像处理的要求。

研究了与中阶梯光栅光谱仪相关的二维重叠光谱的实时还原与波长自动标定技术。基于分光系统主色散及横向色散规律及它们之间的相互关系，建立了3个变换矩阵M1，M2和M3，由此给出了中阶梯光栅光谱仪面阵CCD上所有接收点处空间坐标与波长关系的谱图矩阵Mλ-XY，利用中心波长与自由光谱区特性获得了理想的无重叠谱图数据模型。提出了信号光斑识别方法，并对信号光斑位置坐标进行准确定位；结合所建立的谱图数据模型，实现了对二维重叠谱图的快速还原与标定。实验结果表明: 该方法在中阶梯光栅光谱仪谱图分析中不仅实时性强，而且波长精度可达0.01 nm，满足中阶梯光栅光谱仪高分辨率、全谱瞬态直读等要求。