CN119203858B - 基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪 - Google Patents

Abstract

基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪，属于中阶梯光栅光谱仪技术领域，尤其涉及中阶梯光栅光谱仪的结构优化；解决了现有中阶梯光栅光谱仪结构优化方法所存在的不是针对内部充气（氩气）产生的影响进行优化，不能分析由于充气产生的充气湍流导致的机械压力、温度以及光学介质折射率变化对光路的影响，进而产生误差的问题；所述方法包括：用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的步骤。所述基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪，适用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化，以检测远紫外光谱。

Description

基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪

技术领域

本发明涉及中阶梯光栅光谱仪技术领域，尤其涉及中阶梯光栅光谱仪的结构优化。

背景技术

汽油是工业社会最重要的动力燃料，汽油产品根据用途可分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油三大类。车用汽油作为车辆的主要燃料，它的质量情况直接影响车辆的性能，劣质汽油会导致交通事故和意外的发生：如导致车辆发动机持续抖动、发动机缸体粉末残留、冒黑烟、车辆频繁熄火等情况发生。诸如此类的由汽油质量问题引发的安全事故多次发生，使得人们更加重视汽油的生产技术及油品质量。因此，车用汽油质量检测对保障油品流通安全及交通道路安全具有重要意义。现有对汽油成份的检验指标及单项检验方法，一般为实验室检测法，检测时间长、检测项目单一、方式复杂、检测效率低，同时对多种影响汽油质量的成分无法做出检测。因此，亟需寻求一种可快速、多参数、高准确度检测汽油成分的方法或仪器。

通过对比多种指标的检测方法，如马达法、气相色谱法、研究法（发动机燃烧法）以及喷射法等，发现光谱检测方法是可以成为实现汽油成分快速、精确、高效检测的一种较好方法。中阶梯光栅光谱仪具有结构紧凑、性能稳定、宽波段、高分辨率、瞬态直读（检测速度快，可现场实时测量）等优点，可应用在航空航天、化工、石油、冶金、医疗、生物、食品、农业以及资源勘测等多个领域。为实现工业现场汽油成分多参数准确检测的目标，根据宽光谱范围和高分辨率的需求，可以使用中阶梯光栅光谱仪进行汽油成分检测。但是由于空气会吸收远紫外光谱的原因，目前的中阶梯光栅光谱仪只能检测200nm以上范围的光谱，无法对汽油成分检测所需要的真空紫外波段的光谱进行实际测量。

通过填充惰性气体的方式，可以减少空气对光谱的吸收，进而提高光谱仪检测光谱的范围。如氩气是一种稀有气体，有较高的稳定性和惰性，可杜绝紫外区特征光谱的吸收。为了满足工业现场汽油成分检测的使用需求，需要扩展中阶梯光栅光谱仪的检测范围到远紫外波段，此时必须使全部的光路处在惰性气体中，即在中阶梯光栅光谱仪内部充满氩气（当然从外部信号源采集到光谱仪的接收的位置也需要处于氩气中）。

但是区别于传统大气环境系统中的光谱仪，当中阶梯光栅光谱仪内充入高压氩气时，仪器内部的介质不再是均匀稳定的分布，氩气在仪器内部的不同空间与时间均会波动变化，对仪器的性能会产生的几个方面的问题：

（1）充气会导致氩气充气湍流直射光学元器件表面，使元器件出现鬼点。

（2）充气会导致光谱仪内部光线传输介质密度改变并且是非均匀变化，从而改变光线传输路径，与光学设计产生偏差。

（3）充气会导致仪器内不同区域压力差（光谱仪内部光机结构所受压力不均匀），进而对光路造成影响，从而产生测量误差。

总之，要想扩展现有中阶梯光栅光谱仪的光谱检测范围，需要进行结构优化。需要说明的是，现有对光谱仪进行结构优化的技术方案有很多，但都不是针对内部充气（氩气）产生的影响进行优化。

综上所述，目前亟需一种对中阶梯光栅光谱仪在内部充气影响方面进行结构优化的方法以及根据结构优化获得的充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

发明内容

本发明提出了基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪，解决了现有中阶梯光栅光谱仪结构优化方法所存在的不是针对内部充气（氩气）产生的影响进行优化，不能分析由于充气产生的充气湍流导致的机械压力、温度以及光学介质折射率变化对光路的影响，进而产生误差的问题。

本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，其技术方案如下：

所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，所述方法包括以下步骤：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的步骤；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的步骤；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的步骤；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

进一步的，提供一个优选实施方式，所述最佳位置选择方法包括以下步骤：

对每一个气体出入孔的备选位置进行迭代分析，将光线传输介质的均匀性最高的气体出入孔的备选位置作为气体出入孔的最佳位置；其中，每一次迭代分析的过程如下;

选择任意一个气体出入孔的备选位置，在仪器内部流体模型开设气体出入孔，获得开孔后的仪器内部流体模型；

对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型；

对网格划分后的流体模型进行流体模型分析，基于光线传输介质的均匀性判断方法，判断任意一个气体出入孔的备选位置对应的光线传输介质的均匀性。

进一步的，提供一个优选实施方式，所述对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型中包括网格依赖程度测试步骤，如下：

对开孔后的仪器内部流体模型进行面网格划分；

在面网格划分时，给定最小面网格尺寸，并据此设置多个待选最大网格尺寸；

根据不同待选最大网格尺寸，分析开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气分布变化情况；

根据开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气流入情况，获得不同时刻的氩气含量；在不同网格尺寸情况下，若同一时刻含量变化率累计<3%，则认为当前网格质量不影响分析精度，当前网格尺寸不再需要减小；

权衡网格尺寸和模型计算质量后，获得最终最大网格尺寸。

进一步的，提供一个优选实施方式，所述光线传输介质的均匀性判断方法如下：

光线传输介质的均匀性通过相对标准偏差判断；

式中，CV为相对标准偏差；S为标准偏差；为第j个采样点的密度值；为所有采样点的平均密度；n为采样点个数；

通过比较不同情况下的CV值来评判流体的均匀度，CV值越小，流体均匀度越高。

进一步的，提供一个优选实施方式，所述用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤如下：

根据气体出入孔的最终最佳位置，对中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度以及温度变化进行仿真，获得压力、介质密度以及温度变化仿真结果；

将压力、温度变化仿真结果耦合到静力分析模块，分析中阶梯光栅光谱仪的机械系统和光学元件的形变量；根据机械系统和光学元件的形变量，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

根据介质密度仿真结果，分析介质密度变化导致的折射率变化，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

判断光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值是否在阈值范围内：

若在阈值范围内，则中阶梯光栅光谱仪不需要结构优化；

否则，基于机械模型和光学模型对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化，直到光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值在阈值范围内，获得结构优化参数。

本发明还提出了基于流体模型分析的光谱仪结构优化装置，其技术方案如下：

所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，所述装置包括以下模块：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的模块；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的模块；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的模块；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的模块；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

本发明还提出了光谱仪，其技术方案如下：

所述光谱仪为充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪；所述充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪采用上述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化获得。

本发明还提出了一种计算机设备，其技术方案如下：

一种计算机设备，包括：处理器和存储器，所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法。

本发明还提出了一种计算机存储介质，其技术方案如下：

一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时，执行上述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法。

本发明还提出了一种计算机程序产品，其技术方案如下：

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法的步骤。

本发明有以下有益效果：

1.本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，可以清楚准确的设置充气型光谱仪器的气体出入孔位置，减少氩气充气湍流对元器件的影响。

2.本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，并通过流体分析方法明确光谱仪内部的由于充气导致的压力、介质密度、温度变化情况，从而明确对光机系统产生的误差影响，可以指导光学和机械系统进行优化补偿，提高中阶梯光栅光谱仪的测量准确率和稳定性。

3.本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，结构优化后获得的充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪，可以通过对仪器内充入惰性气体的方式来减少极远紫外光谱吸收，扩展检测光谱范围。

4.本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，结构优化后获得的充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪除了应用于工业现场汽油成份的在线多指标检测以外，还可以应用于其他需要扩展光谱检测范围的情形，如炼钢厂钢水成分检测，冶金、铸造、机械以及金属加工等领域的生产工艺控制，是激光诱导等离子体光谱、微波等离子体炬、电感耦合等离子体原子发射光谱等先进分析系统的优选分光仪器。

本发明所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法、装置及光谱仪，适用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化，以检测远紫外光谱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的一个实施方式中，基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法的流程示意图；

图2为本发明的一个实施方式中，中阶梯光栅光谱仪的结构示意图；

附图标记：1、调节机构；2、聚焦镜；3、中阶梯光栅；4、入射孔；5、准直镜；6、反射棱镜；7、CCD。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点表述更清楚，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细、完整地描述。下述所描述的各个实施方式仅是本发明一部分优选方案，而不是全部的实施方案；下面描述的各个实施方式旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；本发明中各个实施方式所限定的技术特征的合理组合，以及基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在一实施方式中，提供基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，所述方法包括以下步骤：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的步骤；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的步骤；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的步骤；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

本实施方式中，通过分别确定气体出入孔在侧壁的XZ方向和Y方向上的最佳位置，以获得气体出入孔在三维模型上的最终最佳位置，以使充气出入孔位置对内部氩气（惰性气体）变化导致的影响最小，氩气流体均匀性最好。

本实施方式中，中阶梯光栅光谱仪的仪器内部流体模型，可以三维实体直接建模软件（如Space Claim）构建获得。例如，将光谱仪的机械系统导入Space Claim中，构建获得仪器内部流体模型。

本实施方式中，所述结构优化方法，既可以是在现有实际中阶梯光栅光谱仪的基础上进行结构优化，也可以直接设计一个充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪：

如果是在现有实际中阶梯光栅光谱仪的基础上进行结构优化：

则中阶梯光栅光谱仪的模型，是采用建模软件根据现有实际中阶梯光栅光谱仪进行建模获得的；

如果是直接设计一个充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪：

则中阶梯光栅光谱仪的模型，是采用建模设计软件直接设计出来的，其设计方法如下：

先根据光谱仪指标，进行中阶梯光栅光谱仪的光学系统设计，获得光学模型；

配合光学系统设计，进行中阶梯光栅光谱仪的机械结构设计（固定光学器件），获得机械模型；

根据机械模型，填充内部气体部分，获得流体模型。

需要说明的是，中阶梯光栅光谱仪在极远紫外波段测量时最理想方式为真空状态，但提供真空环境的真空泵等装置较为复杂，噪声干扰大，且往往不满足工业现场的防爆、振动等要求。采用填充惰性气体（如氩气）的方式，成本更低且能满足工业现场的防爆、振动等要求。

另外，在一实施方式中，在仪器内部流体模型的侧壁的XZ方向上气体出入孔的备选位置的选择条件如下：

选择条件1：应尽量保证光线传输介质的均匀性；

选择条件2：应尽量保证使仪器内部气体（如氩气）的快速充入并均匀稳定；

选择条件3：应尽量远离光学精密元器件摆放的位置，避免充气过程的震动产生的干扰影响光学系统的精密性；

选择条件4：应尽量避免充气产生的湍流直射光学元器件表面，以防元器件出现鬼点。

另外，在一实施方式中，所述最佳位置选择方法包括以下步骤：

对每一个气体出入孔的备选位置进行迭代分析，将光线传输介质的均匀性最高的气体出入孔的备选位置作为气体出入孔的最佳位置；其中，每一次迭代分析的过程如下;

选择任意一个气体出入孔的备选位置，在仪器内部流体模型开设气体出入孔，获得开孔后的仪器内部流体模型；

对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型；

对网格划分后的流体模型进行流体模型分析，基于光线传输介质的均匀性判断方法，判断任意一个气体出入孔的备选位置对应的光线传输介质的均匀性。

本实施方式中，可以采用Mesh进行网格划分。

本实施方式中，在进行网格划分时，可以进行网格加密，以提高分析精度。

本实施方式中，可以采用fluent仿真进行流体模型分析。

另外，在一实施方式中：对网格划分后的流体模型进行流体模型分析，基于光线传输介质的均匀性判断方法，判断任意一个气体出入孔的备选位置对应的光线传输介质的均匀性，如下：

将网格划分后的流体模型导入Fluent仿真软件；

设置仿真环境，包括充气环境设置和流体动力学模型参数设置；流体动力学模型参数设置包括材料属性、操作条件、边界条件及湍流模型；

设置求解算法、设置收敛因子和残差值；

经初始化后，启动Fluent仿真软件进行迭代分析，当迭代残差值小于设定值后，认为系统收敛，达到稳定状态，获得流体模型分析结果，判断任意一个气体出入孔的备选位置对应的光线传输介质的均匀性。

另外，在一实施方式中，所述对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型中包括网格依赖程度测试步骤，如下：

对开孔后的仪器内部流体模型进行面网格划分；

在面网格划分时，给定最小面网格尺寸，并据此设置多个待选最大网格尺寸；

根据不同待选最大网格尺寸，分析开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气分布变化情况；

根据开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气流入情况，获得不同时刻的氩气含量；在不同网格尺寸情况下，若同一时刻含量变化率累计<3%，则认为当前网格质量不影响分析精度，当前网格尺寸不再需要减小；

权衡网格尺寸和模型计算质量后，获得最终最大网格尺寸。

需要说明的是，使用流体模型分析软件（如Fluent仿真软件）对如此复杂、精细的模型进行分析模拟，是对现有仪器设计和计算能力的极大挑战，所以需要在网格质量和计算能力之间取得平衡。网格划分是流体动力学分析模拟的关键，网格划分与计算目标的匹配程度、网格质量的高低，直接决定仿真模拟的准确度。

本实施方式中，在进行网格划分时，采用网格依赖程度测试步骤，以便确定光谱仪器内部流体模型（气体模型）建模选择的最优单元数（网格最大尺寸），使网格质量和计算能力之间取得平衡。

另外，在一实施方式中，最小面网格尺寸设定为0.001m；待选最大网格尺寸分别设置为0.256m、0.128m、0.064m、0.032m、0.016m、0.008m、0.004m、0.002m；最终最大网格尺寸为0.008m。

另外，在一实施方式中，所述光线传输介质的均匀性判断方法如下：

光线传输介质的均匀性通过相对标准偏差判断；

式中，CV为相对标准偏差；S为标准偏差；为第j个采样点的密度值；为所有采样点的平均密度；n为采样点个数；

通过比较不同情况下的CV值来评判流体的均匀度，CV值越小，流体均匀度越高。

本实施方式中，相对标准偏差CV表征相对变异量的度量，是一个无量纲值，可以用来比较均值显著不同的总体离散性，也可以比较流场均匀性的改善程度。

另外，在一实施方式中，所述用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤如下：

根据气体出入孔的最终最佳位置，对中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度以及温度变化进行仿真，获得压力、介质密度以及温度变化仿真结果；

将压力、温度变化仿真结果耦合到静力分析模块，分析中阶梯光栅光谱仪的机械系统和光学元件的形变量；根据机械系统和光学元件的形变量，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

根据介质密度仿真结果，分析介质密度变化导致的折射率变化，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

判断光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值是否在阈值范围内：

若在阈值范围内，则中阶梯光栅光谱仪不需要结构优化；

否则，基于机械模型和光学模型对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化，直到光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值在阈值范围内，获得结构优化参数。

本实施方式中，可以采用fluent仿真软件对压力、介质密度以及温度变化进行仿真。

本实施方式中，所述静力分析模块可以采用Ansys静力分析模块。

本实施方式中，可以采用光学设计软件CODE V或Zemax分析光学成像质量。

本实施方式中，对光谱仪的结构优化从机械、光学两部分考虑：

机械部分优化是将仿真结果反映到受力分析：

充气导致光谱仪内部受力不均匀—导致机械结构发生形变—导致光学器件发生变化（角度、面型等）—导致光线不按照原路径传播—导致探测器接收到的位置变化—导致还原到波长时的数据变化；

需要说明的是，（这里还有温度变化的影响，氩气从液体到气体气化过程有个温度降低，温度降低也会导致光学元件和机械元件面型变化）；

光学部分优化主要是优化光学参数，需要将仿真结果反映到光学参数上来，主要是：

介质密度改变—导致折射率变化—导致光线不按照原路径传播—导致探测器接收到的位置变化—导致还原到波长时的数据变化。

需要说明的是，机械结构的形变会影响光学参数的变化，最终影响光学成像质量，所述光学成像质量用于作为结构优化结果的判断标准，所述机械结构的形变是由充气导致，充气是从气体出入孔的最终最佳位置处充入，整体流程大致如下：

首先，获得气体出入孔的最终最佳位置；

其次，从气体出入孔的最终最佳位置充入氩气（惰性气体），对充气后的压力、介质密度以及温度变化进行仿真；

再次，根据压力、介质密度以及温度变化的仿真结果，确定机械模型（即光谱仪的机械系统）的形变；

再次，根据机械模型的形变，确定其对光学模型的光学参数的影响，分析光学成像质量；

再次，根据介质密度的仿真结果，分析介质密度变化导致的折射率变化，进一步分析光学成像质量；

最后，根据光学成像质量，判断是否进行结构优化；若需要结构优化，则调整光学模型的结构（如镜片厚度等光学参数）以及机械模型的结构，逐步迭代优化，直到光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值在阈值范围内，此时光学模型和机械模型的结构的调整参数作为结构优化参数，用于作为实际的中阶梯光栅光谱仪的结构优化参照。

另外，在一实施方式中，提供一个具体实施例，分析气体密度（介质密度）与折射率的关系：

基于洛伦兹-洛伦茨(Lorentz-Lorenz)方程建立起气体密度与折射率的关系，并通过克劳修斯-莫索蒂关系表达状态方程:

其中，为分子极化性，为相对电容率，是分子每单位面积的数量；

由于电介质的折射率n为：

其中，是相对磁导率；对于大多数介电质，；

所以，折射率近似为：

将折射率带入克劳修斯-莫索提方程式，通过洛伦兹-洛伦茨方程式建立气体密度与折射率的关系：

对洛伦兹-洛伦茨方程进行展开和修正，则高压状态方程和折射率的关系表示为：

其中，为摩尔密度，单位为；

a、b、c、d参数，通过法布里-珀罗干涉实验测得并拟合系数。

具体地，若充入高压氩气，则拟合出系数a=4.196，b=1.74，c=-85.9，d=-350。

进一步地，结合中阶梯光栅光谱仪的结构及充气压力、温度等条件，经过摩尔密度转换，当氩气密度为4.097时，此时氩气流体折射率为1.000646。

另外，在一实施方式中，提供一个具体实施例，分析充气造成中阶梯光栅光谱仪器件偏转的影响：

（a）对中阶梯光栅影响分析：

重点分析交叉色散分光元件的角度偏差，根据中阶梯光栅衍射方程：

其中， m为光谱衍射级次，λ为波长，为氩气流体折射率，d为光栅常数，为入射角度，为出射角度，γ为中阶梯光栅偏置角；

当由1变为1.000646时，波长165nm的入射光线经过中阶梯光栅衍射后出射角θ由28.375变化为28.324，角度变化量Δθ=0.051°。

（b）对色散棱镜影响分析：

同样地，根据中阶梯光栅光谱仪光学系统中棱镜的色散分光过程，有

；

其中，为氩气流体折射率，为棱镜材料折射率，为入射角度，为出射角度，σ为棱镜顶角，当由1变为1.000646时，入射光线经过棱镜分光后出射角由78.522°变化为78.408°，角度变化量Δθ=0.114°。

另外，在一实施方式中，提供基于流体模型分析的光谱仪结构优化装置，所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，所述装置包括以下模块：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的模块；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的模块；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的模块；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的模块；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

另外，在一实施方式中，提供光谱仪，所述光谱仪为充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪；所述充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪采用上述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化获得。

本实施方式中，所述充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪用于检测远紫外光谱。

以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明提供的技术方案的优点和有益之处，不过以上所述的几个具体实施方式并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的合理更改和改进、实施方式的合理组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的步骤；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的步骤；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的步骤；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的步骤；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

2.根据权利要求1所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，其特征在于，所述最佳位置选择方法包括以下步骤：

对每一个气体出入孔的备选位置进行迭代分析，将光线传输介质的均匀性最高的气体出入孔的备选位置作为气体出入孔的最佳位置；其中，每一次迭代分析的过程如下;

选择任意一个气体出入孔的备选位置，在仪器内部流体模型开设气体出入孔，获得开孔后的仪器内部流体模型；

对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型；

对网格划分后的流体模型进行流体模型分析，基于光线传输介质的均匀性判断方法，判断任意一个气体出入孔的备选位置对应的光线传输介质的均匀性。

3.根据权利要求2所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，其特征在于，所述对开孔后的仪器内部流体模型进行网格划分，获得网格划分后的流体模型中包括网格依赖程度测试步骤，如下：

对开孔后的仪器内部流体模型进行面网格划分；

在面网格划分时，给定最小面网格尺寸，并据此设置多个待选最大网格尺寸；

根据不同待选最大网格尺寸，分析开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气分布变化情况；

根据开孔后的仪器内部流体模型内部光主光线平面氩气流入情况，获得不同时刻的氩气含量；在不同网格尺寸情况下，若同一时刻含量变化率累计<3%，则认为当前网格质量不影响分析精度，当前网格尺寸不再需要减小；

权衡网格尺寸和模型计算质量后，获得最终最大网格尺寸。

4.根据权利要求2所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，其特征在于，所述光线传输介质的均匀性判断方法如下：

光线传输介质的均匀性通过相对标准偏差判断；

式中，CV为相对标准偏差；S为标准偏差；为第j个采样点的密度值；为所有采样点的平均密度；n为采样点个数；

通过比较不同情况下的CV值来评判流体的均匀度，CV值越小，流体均匀度越高。

5.根据权利要求1所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法，其特征在于，所述用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的步骤如下：

根据气体出入孔的最终最佳位置，对中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度以及温度变化进行仿真，获得压力、介质密度以及温度变化仿真结果；

将压力、温度变化仿真结果耦合到静力分析模块，分析中阶梯光栅光谱仪的机械系统和光学元件的形变量；根据机械系统和光学元件的形变量，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

根据介质密度仿真结果，分析介质密度变化导致的折射率变化，分析中阶梯光栅光谱仪的光学系统的光学成像质量；

判断光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值是否在阈值范围内：

若在阈值范围内，则中阶梯光栅光谱仪不需要结构优化；

否则，基于机械模型和光学模型对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化，直到光学成像质量与给定光学成像质量要求的差值在阈值范围内，获得结构优化参数。

6.基于流体模型分析的光谱仪结构优化装置，所述光谱仪为中阶梯光栅光谱仪，其特征在于，所述装置包括以下模块：

用于获取中阶梯光栅光谱仪的模型的模块；

中阶梯光栅光谱仪的模型包括光学模型、机械模型以及仪器内部流体模型；

用于在仪器内部流体模型上，选择气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的XZ方向的备选位置中，确定气体出入孔在侧壁的XZ方向的最佳位置的模块；

用于在仪器内部流体模型上，保持侧壁的XZ方向上的气体出入孔的最佳位置不动，选择气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置的模块；

用于基于光线传输介质的均匀性判断方法，采用最佳位置选择方法从气体出入孔在侧壁的Y方向上的备选位置中，确定气体出入孔的最终最佳位置的模块；

用于基于气体出入孔的最终最佳位置、机械模型和光学模型，模拟中阶梯光栅光谱仪内部由于充气条件导致的压力、介质密度、温度变化而产生的光学成像质量变化，并根据光学成像质量变化进行结构优化模拟，获得结构优化参数的模块；

所述气体出入孔的最终最佳位置和结构优化参数用于对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化；中阶梯光栅光谱仪经结构优化后，获得充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪。

7.光谱仪，其特征在于，所述光谱仪为充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪；所述充惰性气体型宽波段中阶梯光栅光谱仪采用权利要求1-5任意一项权利要求所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法对中阶梯光栅光谱仪进行结构优化获得。

8.一种计算机设备，包括：处理器和存储器，其特征在于，所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1-5任意一项权利要求所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法。

9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时，执行权利要求1-5任意一项权利要求所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现权利要求1-5任意一项权利要求所述的基于流体模型分析的光谱仪结构优化方法的步骤。