确定多反气室内的光斑分布的方法及计算设备

摘要

本发明公开了一种确定多反气室内的光斑分布的方法，包括：建立多反气室的光学模型，以便根据光学模型确定光线在多反气室内的路径，路径信息包括光线的反射次数以及光线在球面镜上形成的光斑分布图案；设定两个球面镜的相对距离范围，并基于预定距离间隔构建相对距离数组；针对相对距离数组中的每个相对距离值，设定光线分别以预定初始入射点坐标和预定初始入射角度入射，并确定光线的路径；选择反射次数在预定反射次数范围内、且光斑间距在预定光斑间距范围的路径作为候选路径，生成候选路径集合以及相应的候选光斑图案集合。此外，本发明还公开了相应的计算设备。根据本发明的方法，有利于提高多反气室在实际的光谱探测应用中的灵敏度和稳定性。

权利要求

1.一种确定多反气室内的光斑分布的方法，在计算设备中执行，所述多反气室包括第一球面镜和第二球面镜，光线适于从所述第一球面镜射入多反气室内，并在所述第一球面镜与第二球面镜之间进行多次反射后射出，且光线适于在所述球面镜上形成光斑分布图案；所述方法包括：

确定所述第一球面镜、第二球面镜的曲率半径和镜面直径，并基于所述曲率半径和镜面直径建立多反气室的光学模型，以便根据所述光学模型确定光线在多反气室内的路径，路径信息包括光线的出射点坐标、光线在第一球面镜和第二球面镜之间的反射次数以及光线在所述第一球面镜和第二球面镜上形成的光斑分布图案；

设定所述第一球面镜与第二球面镜的相对距离范围，并基于预定距离间隔构建相对距离数组；

针对所述相对距离数组中的每一个相对距离值，设定光线分别以预定初始入射点坐标和预定初始入射角度入射，并根据所述光学模型确定光线在多反气室内的路径；

选择所述反射次数在预定反射次数范围内、且在所述光斑分布图案中光斑间距在预定光斑间距范围的路径作为候选路径，其中，所述候选路径的选择步骤包括：选择所述反射次数在预定反射次数范围内、在所述光斑图案中光斑间距在预定光斑间距范围、且出射点坐标与所述预定初始入射点坐标相同的路径作为所述候选路径；以及为所述相对距离范围内的所有候选路径生成候选路径集合，并获取所述候选路径集合中每一个候选路径对应的光斑分布图案，生成候选光斑图案集合。

2.如权利要求1所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中，设定光线分别以预定初始入射点坐标和预定初始入射角度入射的步骤包括：设定光线的第一初始入射点坐标、第一初始入射角度，并分别基于预定坐标差值、预定角度间隔构建初始入射点坐标数组、初始入射角度数组；

设定光线分别以初始入射点坐标数组中的每一个初始入射点坐标、初始入射角度数组中的每一个初始入射角度入射。

3.如权利要求1所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中，所述光学模型为基于所述第一球面镜和第二球面镜所在的球面建立的球面方程，以及确定所述光线路径的步骤包括：

基于从第一球面镜入射的本次入射光线的入射点坐标、入射角度、以及所述球面方程，计算本次入射光线与所述第二球面镜的本次交点坐标，并确定经所述第二球面镜反射后的本次反射光线的反射角度；

将本次反射光线作为从第二球面镜入射的下一次入射光线，将所述本次交点坐标和本次反射光线的反射角度分别作为从第二球面镜入射的下一次入射光线的入射点坐标和入射角度；

基于所述下一次入射光线的入射点坐标和入射角度以及所述球面方程，计算下一次入射光线与所述第一球面镜的下一次交点坐标，并确定经所述第一球面镜反射后的下一次反射光线的反射角度；

通过重复以上步骤直到确定光线通过所述第一球面镜或第二球面镜从多反气室射出为止；

在确定光线通过所述球面镜射出后，基于所确定的多个交点坐标确定光线在所述第一球面镜和第二球面镜上形成的光斑分布图案。

4.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中：所述相对距离d的范围为d≤2R，其中，R为所述第一球面镜和第二球面镜的曲率半径。

5.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中：所述预定距离间隔为1mm。

6.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中：所述预定反射次数范围为6～1000次。

7.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中：预定光斑间距范围为不小于1mm。

8.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中：所述第一球面镜与第二球面镜同轴且对称布置，且所述第一球面镜和第二球面镜的曲率半径和镜面直径均相同。

9.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中，还包括步骤：

确定出射点坐标的稳定区间；

确定所述候选路径集合中每一个候选路径对应的出射点坐标以及对应的相对距离；

设定与相对距离对应的第一稳定指标；

基于所述相对距离和第一稳定指标确定实时相对距离，并基于该实时相对距离确定光线在多反气室内的第一实时路径，根据所述第一实时路径确定光线的第一实时出射点坐标；

判断所述第一实时出射点坐标是否在所述稳定区间内，如果在，则将对应的候选路径作为第一稳定路径，并为所述候选路径集合中的所有第一稳定路径生成第一稳定路径集合；

获取所述第一稳定路径集合中每一个第一稳定路径对应的光斑分布图案，生成第一稳定光斑图案集合。

10.如权利要求1‑3任一项所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中，还包括步骤：

确定出射点坐标的稳定区间；

确定所述候选路径集合中每一个候选路径对应的出射点坐标以及对应的初始入射角度；

设定与初始入射角度对应的第二稳定指标；

基于所述初始入射角度和第二稳定指标确定实时初始入射角度，并基于该实时初始入射角度确定光线在多反气室内的第二实时路径，根据所述第二实时路径确定光线的第二实时出射点坐标；

判断所述第二实时出射点坐标是否在所述稳定区间内，如果在，则将对应的候选路径作为第二稳定路径，并为所述候选路径集合中的所有第二稳定路径生成第二稳定路径集合；

获取所述第二稳定路径集合中每一个第二稳定路径对应的光斑分布图案，生成第二稳定光斑图案集合。

11.如权利要求10所述的确定多反气室内的光斑分布的方法，其中，还包括步骤：获取第一稳定路径集合和第二稳定路径集合均包括的所有稳定路径，以生成目标稳定路径集合；

获取所述目标稳定路径集合中每一个稳定路径对应的光斑分布图案，生成目标稳定光斑图案集合。

12.一种计算设备，包括：

至少一个处理器；和

存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程序指令包括用于执行如权利要求1‑11中任一项所述方法的指令。

13.一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1‑11中任一项所述的方法。

说明书

确定多反气室内的光斑分布的方法及计算设备

技术领域

[0001] 本发明涉及光谱探测技术领域，尤其涉及一种确定多反气室内的光斑分布的方法及计算设备。

背景技术

[0002] 光学多反气室已被广泛应用于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术中，可以在相对较小的体积内实现较长的光程，进而提高探测灵敏度，降低检测极限。光学多反气室
需要对气室内的反射镜进行精细的调节，以保证光束通过入射孔进入多反气室内，并在特
定的来回反射次数后，从出射孔射出。根据Lambert‑Beer定律，增加光和样品的作用距离，
能增大吸收信号的幅度，从而能有效提高光谱探测灵敏度，多次反射是实现长光程的有效
途径。在科研、环保、煤矿瓦斯监控等领域，用光谱吸收法分析、检测微量气体，如甲烷、一氧
化碳、氧气等，需要长光程的多反气室，光程越长，可探测浓度下限越低。

[0003] 目前常用的多反气室有：White气室、Herriott气室、Chernin气室和离散镜气室。其中，White型多反气室可以实现光束在多反气室内的多次反射，但是其设计本身存在一些
缺点，如体积过大，稳定性差，镜面有效利用率低等，限制了White气室的应用范围。Chernin
型多反气室是在White型多反气室基础上改进的光学多反气室，可以根据需要随时改变吸
收光程，但是其结构复杂，体积较大，限制了其在小型化仪器需求中的应用。Herriott气室
由两片相同的球面反射镜共轴对称构成，光线在反射镜上的反射光斑呈现单一的圆形或椭
圆形图案，导致对腔镜面积的利用率不高。离散镜多反气室克服了Herriott型多反气室的
缺点，提升了腔镜面积的利用率，可在镜面上形成李萨如图形的光斑分布，但是离散镜片的
加工成本较高，成品率低。

[0004] Herriott气室等基于普通球形反射镜的传统光学多反气室，在光斑不重合的情况下，光线在反射镜上的反射光斑只能产生一个圆形或椭圆形图案，存在镜面的有效面积利
用率较低的缺陷，难以实现在小型化结构的多反气室中产生较高的反射次数。

[0005] 为此，需要设计一种确定多反气室内的光斑分布的方法，以便提高实际应用中的多反气室的反射镜面的利用率，使光线在小型多反气室内实现更高的反射次数和光程。

发明内容

[0006] 为此，本发明提供了一种确定多反气室内的光斑分布的方法，以解决或至少缓解上面存在的问题。

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种确定多反气室内的光斑分布的方法，在计算设备中执行，所述多反气室包括第一球面镜和第二球面镜，光线适于从所述第一球面镜射
入多反气室内，并在所述第一球面镜与第二球面镜之间进行多次反射后射出，且光线适于
在所述球面镜上形成光斑分布图案；所述方法包括：确定所述第一球面镜、第二球面镜的曲
率半径和镜面直径，并基于所述曲率半径和镜面直径建立多反气室的光学模型，以便根据
所述光学模型确定光线在多反气室内的路径，所述路径信息包括光线在第一球面镜和第二
球面镜之间的反射次数以及光线在所述第一球面镜和第二球面镜上形成的光斑分布图案；
设定所述第一球面镜与第二球面镜的相对距离范围，并基于预定距离间隔构建相对距离数
组；针对所述相对距离数组中的每一个相对距离值，设定光线分别以预定初始入射点坐标
和预定初始入射角度入射，并根据所述光学模型确定该条件下光线在多反气室内的路径；
选择所述反射次数在预定反射次数范围内、且在所述光斑分布图案中光斑间距在预定光斑
间距范围的路径作为候选路径；以及为所述相对距离范围内的所有候选路径生成候选路径
集合，并获取所述候选路径集合中每一个候选路径对应的光斑分布图案，生成候选光斑图
案集合。

[0008] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，设定光线分别以预定初始入射点坐标和预定初始入射角度入射的步骤包括：设定光线的第一初始入射点坐
标、第一初始入射角度，并分别基于预定坐标差值、预定角度间隔构建初始入射点坐标数
组、初始入射角度数组；设定光线分别以初始入射点坐标数组中的每一个初始入射点坐标、
初始入射角度数组中的每一个初始入射角度入射。

[0009] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述路径信息包括光线的出射点坐标；所述选择候选路径的步骤包括：选择所述反射次数在预定反射次数
范围内、在所述光斑图案中光斑间距在预定光斑间距范围、且出射点坐标与所述预定初始
入射点坐标相同的路径作为所述候选路径。

[0010] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述光学模型为基于所述第一球面镜和第二球面镜所在的球面建立的球面方程，以及所述确定光线路径的
步骤包括：基于从第一球面镜入射的本次入射光线的入射点坐标、入射角度、以及所述球面
方程，计算本次入射光线与所述第二球面镜的本次交点坐标，并确定经所述第二球面镜反
射后的本次反射光线的反射角度；将本次反射光线作为从第二球面镜入射的下一次入射光
线，将所述本次交点坐标和本次反射光线的反射角度分别作为从第二球面镜入射的下一次
入射光线的入射点坐标和入射角度；基于所述下一次入射光线的入射点坐标和入射角度以
及所述球面方程，计算下一次入射光线与所述第一球面镜的下一次交点坐标，并确定经所
述第一球面镜反射后的下一次反射光线的反射角度；在确定光线通过所述球面镜射出后，
基于所确定的多个交点坐标确定光线在所述第一球面镜和第二球面镜上形成的光斑分布
图案。

[0011] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述相对距离d的范围为d≤2R，其中，R为所述第一球面镜和第二球面镜的曲率半径。

[0012] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述预定距离间隔为1mm。

[0013] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述预定反射次数范围为6～1000次。

[0014] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，预定光斑间距范围为不小于1mm。

[0015] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，所述第一球面镜与第二球面镜同轴且对称布置，且所述第一球面镜和第二球面镜的曲率半径和镜面直径均
相同。

[0016] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，还包括步骤：确定出射点坐标的稳定区间；确定所述候选路径集合中每一个候选路径对应的出射点坐标以及
对应的相对距离；设定与相对距离对应的第一稳定指标；基于所述相对距离和第一稳定指
标确定实时相对距离，并基于该实时相对距离确定光线在多反气室内的第一实时路径，根
据所述第一实时路径确定光线的第一实时出射点坐标；判断所述第一实时出射点坐标是否
在所述稳定区间内，如果在，则将对应的候选路径作为第一稳定路径，并为所述候选路径集
合中的所有第一稳定路径生成第一稳定路径集合；获取所述第一稳定路径集合中每一个第
一稳定路径对应的光斑分布图案，生成第一稳定光斑图案集合。

[0017] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，还包括步骤：确定出射点坐标的稳定区间；确定所述候选路径集合中每一个候选路径对应的出射点坐标以及
对应的初始入射角度；设定与初始入射角度对应的第二稳定指标；基于所述初始入射角度
和第二稳定指标确定实时初始入射角度，并基于该实时初始入射角度确定光线在多反气室
内的第二实时路径，根据所述第二实时路径确定光线的第二实时出射点坐标；判断所述第
二实时出射点坐标是否在所述稳定区间内，如果在，则将对应的候选路径作为第二稳定路
径，并为所述候选路径集合中的所有第二稳定路径生成第二稳定路径集合；获取所述第二
稳定路径集合中每一个第二稳定路径对应的光斑分布图案，生成第二稳定光斑图案集合。

[0018] 可选地，在根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法中，还包括步骤：获取所述第一稳定路径集合和第二稳定路径集合均包括的所有稳定路径，以生成目标稳定路径
集合；获取所述目标稳定路径集合中每一个稳定路径对应的光斑分布图案，生成目标稳定
光斑图案集合。

[0019] 根据本发明的一个方面，提供了一种计算设备，包括：至少一个处理器；和存储有程序指令的存储器，其中，所述程序指令被配置为适于由所述至少一个处理器执行，所述程
序指令包括用于执行如上所述方法的指令。

[0020] 根据本发明的一个方面，提供了一种存储有程序指令的可读存储介质，当所述程序指令被计算设备读取并执行时，使得所述计算设备执行如上所述的方法。

[0021] 根据本发明的技术方案，提供了一种确定多反气室内的光斑分布的方法，基于多反气室的结构和原理，建立相应的多反气室的光学模型，基于光学模型来追迹光线的路径，
以确定光线在球面镜上的光斑分布情况。具体地，针对设定的每个相对距离值，均设定光线
以预定初始入射点坐标、预定初始入射角度入射，并确定光线的路径及对应的光斑分布图
案。另外，本发明基于光路传输稳定性设定预定反射次数范围、预定光斑间距范围，并基于
预定反射次数范围、预定光斑间距范围来选择符合条件的所有候选路径，生成候选路径集
合。通过获取每一个候选路径对应的候选光斑图案，能得到候选光斑图案集合。在实际应用
中，根据本发明的技术方案所确定的候选光斑图案集合，来选择最合适的光斑分布图案，并
基于确定的光斑分布图案来设置多反气室的相关参数，能保证光路传输的稳定性。在保证
光路传输稳定性的情况下，通过选择候选路径中对应的反射次数更高、总光程更长的路径，
从而提高多反气室在实际的光谱探测应用中的灵敏度以及可探测浓度的范围。

[0022] 进一步地，本发明在确定候选路径的基础上还考虑了光线出射点的稳定性，通过设定稳定性指标、稳定区间来确定目标稳定路径集合、目标稳定光斑图案集合。基于目标稳
定路径集合、目标稳定光斑图案集合有利于在实际应用中选择稳定性更高的路径和光斑分
布图案，并设置多反气室中相应的参数，保证通过多反气室在实际光谱探测应用中的稳定
性。

[0023] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够
更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

[0024] 为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面
旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述
以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的
部件或元素。

[0025] 图1示出了根据本发明一个实施例的计算设备100的示意图；

[0026] 图2示出了根据本发明一个实施例的多反气室200的结构示意图；

[0027] 图3示出了根据本发明一个实施例的确定多反气室内的光斑分布的方法300的流程示意图；

[0028] 图4示出了根据本发明一个实施例的入射光线的入射角度示意图；

[0029] 图5～图7分别示出了根据本发明一个实施例的确定多反气室内的光斑分布的方法形成的光斑分布图案的示意图。

具体实施方式

[0030] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例
所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围
完整的传达给本领域的技术人员。

[0031] 在根据本发明的技术方案中，通过在计算设备中建立多反气室的光学模型，利用计算设备来实现确定多反气室内的光斑分布的方法300。通过确定符合预定条件的光线的
候选路径及其对应的光斑分布图案，并基于候选光斑分布图案来设计在光谱探测应用中的
多反气室的相关参数。以下首先示出计算设备的一个示例。

[0032] 图1是示例计算设备100的示意框图。

[0033] 如图1所示，在基本的配置102中，计算设备100典型地包括系统存储器106和一个或者多个处理器104。存储器总线108可以用于在处理器104和系统存储器106之间的通信。

[0034] 取决于期望的配置，处理器104可以是任何类型的处理，包括但不限于：微处理器(μP)、微控制器(μC)、数字信息处理器(DSP)或者它们的任何组合。处理器104可以包括诸如
一级高速缓存110和二级高速缓存112之类的一个或者多个级别的高速缓存、处理器核心
114和寄存器116。示例的处理器核心114可以包括运算逻辑单元(ALU)、浮点数单元(FPU)、
数字信号处理核心(DSP核心)或者它们的任何组合。示例的存储器控制器118可以与处理器
104一起使用，或者在一些实现中，存储器控制器118可以是处理器104的一个内部部分。

[0035] 取决于期望的配置，系统存储器106可以是任意类型的存储器，包括但不限于：易失性存储器(诸如RAM)、非易失性存储器(诸如ROM、闪存等)或者它们的任何组合。系统存储
器106可以包括操作系统120、一个或者多个应用122以及程序数据124。在一些实施方式中，
应用122可以布置为在操作系统上由一个或多个处理器104利用程序数据124执行指令。

[0036] 计算设备100还可以包括有助于从各种接口设备(例如，输出设备142、外设接口144和通信设备146)到基本配置102经由总线/接口控制器130的通信的接口总线140。示例
的输出设备142包括图形处理单元148和音频处理单元150。它们可以被配置为有助于经由
一个或者多个A/V端口152与诸如显示器或者扬声器之类的各种外部设备进行通信。示例外
设接口144可以包括串行接口控制器154和并行接口控制器156，它们可以被配置为有助于
经由一个或者多个I/O端口158和诸如输入设备(例如，键盘、鼠标、笔、语音输入设备、触摸
输入设备)或者其他外设(例如打印机、扫描仪等)之类的外部设备进行通信。示例的通信设
备146可以包括网络控制器160，其可以被布置为便于经由一个或者多个通信端口164与一
个或者多个其他计算设备162通过网络通信链路的通信。

[0037] 网络通信链路可以是通信介质的一个示例。通信介质通常可以体现为在诸如载波或者其他传输机制之类的调制数据信号中的计算机可读指令、数据结构、程序模块，并且可
以包括任何信息递送介质。“调制数据信号”可以是这样的信号，它的数据集中的一个或者
多个或者它的改变可以在信号中编码信息的方式进行。作为非限制性的示例，通信介质可
以包括诸如有线网络或者专线网络之类的有线介质，以及诸如声音、射频(RF)、微波、红外
(IR)或者其它无线介质在内的各种无线介质。这里使用的术语计算机可读介质可以包括存
储介质和通信介质二者。

[0038] 计算设备100可以实现为包括桌面计算机和笔记本计算机配置的个人计算机。当然，计算设备100也可以实现为小尺寸便携(或者移动)电子设备的一部分，这些电子设备可
以是诸如蜂窝电话、数码照相机、个人数字助理(PDA)、个人媒体播放器设备、无线网络浏览
设备、个人头戴设备、应用专用设备、或者可以包括上面任何功能的混合设备。甚至可以被
实现为服务器，如文件服务器、数据库服务器、应用程序服务器和WEB服务器等。本发明的实
施例对此均不做限制。

[0039] 在根据本发明的实施例中，计算设备100被配置为执行根据本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法300。其中，计算设备100的应用122中包含执行根据本发明的确定多
反气室内的光斑分布的方法300的多条程序指令。

[0040] 需要说明的是，本发明的确定多反气室内的光斑分布的方法300是通过建立根据本发明的实施例中的多反气室的光学模型，并基于光学模型来追迹光线的路径，以确定多
反气室内的光斑分布情况。

[0041] 其中，图2示出了根据本发明一个实施例的多反气室200的结构示意图。

[0042] 如图2所示，多反气室200包括同轴且对称布置的两个球面镜，分别为第一球面镜210和第二球面镜220。在第一球面镜210与第二球面镜220之间形成反射腔室250。其中，第
一球面镜210上设有入射孔211，光线适于从入射孔211射入多反气室的反射腔室250内，且
光线会在第一球面镜210与第二球面镜220之间进行多次反射，每次反射会在第一球面镜
210、第二球面镜220上产生反射光斑。光线在进行多次反射后通过第一球面镜210或第二球
面镜220射出反射腔室250。

[0043] 需要说明的是，根据本发明实施例中的多反气室200的结构和原理，光线在多反气室的反射腔室250内经过多次反射后，在球面镜上产生的多个反射光斑呈一定的规律分布，
而且，光斑分布图案的具体形状与两个球面镜的相对距离、光线的入射点坐标、光线的入射
角度相关。

[0044] 基于多反气室200的结构和原理，本发明提出了一种确定多反气室内的光斑分布的方法300。在方法300中，基于上述多反气室200的结构和原理，在确定多反气室200中第一
球面镜210、第二球面镜220的曲率半径和镜面直径后，通过Matlab语言编写程序来建立与
多反气室200相对应的光学模型，以使计算设备通过多条程序指令来执行本发明多反气室
内的光斑分布的方法300。这里，本发明不限于用Matlab软件来编写程序，现有技术中所有
能够实现建立多反气室的光学模型的编程软件均在本发明的保护范围之内。

[0045] 图3示出了根据本发明一个实施例的确定多反气室内的光斑分布的方法300的流程示意图。如图3所示，方法300始于步骤S310。

[0046] 在步骤S310中，先确定多反气室200的第一球面镜、第二球面镜的曲率半径和镜面直径。并基于两个球面镜的曲率半径和镜面直径建立多反气室的光学模型。这里，光学模型
是基于上述多反气室200的结构和原理建立的，从而，通过该光学模型能基于多反气室的结
构追迹光线在多反气室200内的路径，即是追迹光线通过第一球面镜210入射至多反气室
200内后，在第一球面镜210与第二球面镜220之间进行多次反射直至射出的路径。其中，路
径信息包括光线在第一球面镜和第二球面镜之间的反射次数、以及光线在第一球面镜和第
二球面镜上形成的光斑分布图案。另外，路径信息也包括光线的初始入射点坐标和反射点
坐标。

[0047] 随后，在步骤S320中，设定第一球面镜210与第二球面镜220的相对距离范围，并基于预定距离间隔构建相对距离数组。

[0048] 这里，基于相对距离范围、预定距离间隔构建相对距离数组后，可以从相对距离数组中依次获取每一个相对距离值。从而，能针对两个球面镜之间不同的相对距离值来追迹
和确定光线在多反气室内的路径。

[0049] 在一种实施方式中，基于多反气室200的结构和原理，并综合考虑光路传输的稳定性以及实用性，本发明设定第一球面镜210与第二球面镜220的相对距离d的取值范围为d≤
2R(R为第一球面镜和第二球面镜的曲率半径)。在此基础上，根据预定距离间隔来建立第一
球面镜与第二球面镜的相对距离数组。预定距离间隔例如为1mm，这里，本发明不限于该预
定距离间隔的数值，预定距离间隔的具体数值可以由本领域技术人员根据实际情况自行设
置。这样，在本实施方式中，基于相对距离d的最小取值(1mm)、最大取值(2Rmm)以及预定距
离间隔(1mm)能构建相对距离数组{dn}。dn为距离数组{dn}中的相对距离值，其中dn的取值
依次为：1mm，2mm，3mm……(2R‑1)mm，2Rmm。

[0050] 应当指出，基于多反气室200的原理，当两个球面镜的相对距离是确定值时，光线在反射腔室内的反射次数越多，总光程越长。但在实际应用中，还需要考虑光路传输的稳定
性。当反射次数过多时，反射光线过于密集，会导致反射光线之间容易产生干涉现象，造成
能量损失并产生周期性的干涉信号；当反射次数过少时，反射光线过于稀疏，虽然反射光线
之间不会产生干涉现象，但会导致总光程过短，从而影响实际应用中光谱探测灵敏度以及
可探测浓度范围。

[0051] 在一个实施例中，基于多反气室200的结构和原理，综合考虑光路传输的稳定性以及实用性，确定光线在反射腔室250内的预定反射次数范围为6～1000次。另外，为避免光斑
在球面镜上重合而形成干涉条纹，设置球面镜上的相邻的两个光斑之间的最小间距为1mm，
也就是说，本发明所确定的预定光斑间距范围为不小于1mm。

[0052] 随后，在步骤S330中，针对相对距离数组{dn}中的每一个相对距离值dn，设定光线分别以预定初始入射点坐标和预定初始入射角度从第一球面镜210入射，并根据光学模型
确定该条件下光线在多反气室200内的路径。

[0053] 需要说明的是，基于相似的原理，本发明综合考虑光路传输的稳定性以及实用性，来构建光线的初始入射点坐标数组、初始入射角度数组，以便从初始入射点坐标数组中依
次获取每一个初始入射点坐标作为预定初始入射点坐标、从初始入射角度数组中依次获取
每一个初始入射角度作为预定初始入射角度。应当理解，当设定两个球面镜的相对距离为
相对距离数组中的每一个相对距离值时，均设定光线分别以通过上述方法获取的每一个预
定初始入射点坐标、以及每一个预定初始入射角度入射。这样，对于两个球面镜设定的每一
个相对距离值，均对光线设定了初始入射点坐标数组中的所有初始入射点坐标、初始入射
角度数组中的所有初始入射角度，并追迹基于所设定的条件下光线在多反气室内的路径。

[0054] 具体而言，构建光线的初始入射点坐标数组的方法按照以下步骤执行：先设定光线的第一初始入射角度、预定角度间隔。进而，基于第一初始入射角度和预定角度间隔，构
建初始入射角度数组。相应地，构建光线的初始入射角度数组的方法按照以下步骤执行：先
确定光线的第一初始入射点坐标、预定坐标差值。进而，基于光线的第一初始入射点坐标和
预定坐标差值，构建初始入射点坐标数组。这样，对于每一个相对距离值，均设定光线分别
以初始入射点坐标数组中的每一个初始入射点坐标、以初始入射角度数组中的每一个初始
入射角度入射。

[0055] 根据一个实施例，光学模型是基于第一球面镜和第二球面镜所在的球面建立的球面方程。确定光线在多反气室内的路径的方法进一步按照以下步骤执行：

[0056] 基于从第一球面镜入射的本次入射光线的入射点坐标、入射角度、以及所述球面方程，计算本次入射光线与第二球面镜的本次交点坐标，并确定经第二球面镜反射后的本
次反射光线的反射角度；

[0057] 将本次反射光线作为从第二球面镜入射的下一次入射光线，将本次交点坐标和本次反射光线的反射角度分别作为从第二球面镜入射的下一次入射光线的入射点坐标和入
射角度；

[0058] 基于下一次入射光线的入射点坐标和入射角度以及球面方程，计算下一次入射光线与第一球面镜的下一次交点坐标，并确定经第一球面镜反射后的下一次反射光线的反射
角度；

[0059] 通过重复以上步骤，直到确定光线通过球面镜(第一球面镜或第二球面镜)从多反气室射出为止，从而能够确定光线在多反气室内的完整路径。

[0060] 应当指出，在确定光线通过球面镜射出后，是基于所确定的多个交点坐标来确定光线在第一球面镜、第二球面镜上形成的最终的光斑分布图案。

[0061] 根据本发明的一个实施例，第一球面镜210、第二球面镜220具有相同的曲率半径和镜面直径。这里，本发明对第一球面镜210、第二球面镜220的曲率半径和镜面直径的具体
数值不做限制。需要说明的是，在其它实施例中，第一球面镜210、第二球面镜220也可以具
有不同的曲率半径和镜面直径，并同样可根据本发明一个实施例中的计算光线在球面镜上
形成的光斑分布图案的方法来确定光斑分布图案。这里，对其它实施例不再做具体说明。

[0062] 根据一个实施例，多反气室200的第一球面镜210、第二球面镜220具有相同的曲率半径和镜面直径，且两个球面镜同轴对称布置。

[0063] 如图2所示，通过空间坐标来表示多反气室200的两个球面镜的位置关系,第一球面镜210上在x＝0的位置设有入射孔211。参见图4，入射光线以角度θ(在y‑z平面内与y轴的
夹角)和φ(在x‑z平面内与x轴的夹角)从该孔入射。两个球面镜的曲率半径均为R,镜面半
径为Rmir，相对距离为d。第一球面镜210、第二球面镜220的中心分别位于z＝‑d/2，z＝d/2
处。光线通过入射孔211入射至多反气室200内，在预定条件下，经过N次反射后，从半径为
Rhole的出射孔222射出。出射孔222的中心坐标为Phole＝[Xhole,Yhole,Zhole]。

[0064] 需要说明的是，出射孔222可以设置于第一球面镜210或第二球面镜220上，光线从入射孔211射入多反气室内，并在第一球面镜210与第二球面镜220之间进行N次反射后，从
该出射孔222射出。

[0065] 在满足重入条件时，出射孔222设置于第一球面镜210上并与入射孔211重合。也就是说，光线从入射孔211射入多反气室内，并在第一球面镜210与第二球面镜220之间进行N
次反射后，从入射孔211射出。

[0066] 进而，通过光线与球体相交的代数法来计算光线在球面镜上的光斑分布情况。

[0067] 具体地，设入射光线为 其中上标i代表第i次反射，和 分别为第i次反射的入射点坐标和入射方向向量。

[0068] 这里，是将入射角度θ和φ写成方向向量r(i)的形式，其中r(i)为单位向量。

[0069] 建立球面镜所在的球的方程，设球心坐标为 球面上各点坐标为 所建立的球的约束方程为
应当指出的是，奇数次反射和偶数次反射对应的球面镜不同，因此，对应的球心坐标也会如
下发生变化：

[0070]

[0071] 将入射光线代入球的约束方程整理可得：

[0072]

[0073] 其中，

[0074]

[0075] 方程(2)是一元二次方程，其解为：

[0076]

[0077] 当判别式B2‑4C＜0时，表示光线与球面镜无交点。在多反气室中，偏大的正根即远离光源与球面镜相交的点。当时间t求出后，实际的入射光线与球面镜的交点、交点的法向
量和光线的反射方向向量分别为：

[0078]

[0079]

[0080]

[0081] 这里，每个反射点坐标和反射光线的反射方向向量都可以看作是下一次反射的入射点坐标以及入射光线的方向向量，故，可以写成递归的形式：

[0082]

[0083]

[0084] 光线在多反气室内来回反射，当第N‑1次反射后到达设有出射孔的球面镜时，如果光线在球面镜上坐标满足条件：

[0085]

[0086] 则光线将从该出射孔透射出来。

[0087] 如果光线能在多反气室内稳定反射，需满足条件：

[0088]

[0089] 随后，在步骤S340中，在光线路径中选择反射次数在预定反射次数范围内、且在光斑分布图案中光斑间距在预定光斑间距范围的路径作为候选路径。这里，光线的路径包括
了基于每一种设定的预定距离值、预定初始入射点坐标和预定初始入射角度参数下所确定
的光线的路径。光斑分布图案是光线在第一球面镜、第二球面镜上反射形成的所有光斑的
集合，光斑间距包括光斑分布图案中任意相邻两个光斑之间的间距。如前文所述，预定反射
次数范围为6～1000次，预定光斑间距范围为不小于1mm。

[0090] 最后，在步骤S350中，为相对距离范围内的所有候选路径生成候选路径集合，并获取候选路径集合中每一个候选路径所对应的光斑分布图案，生成候选光斑图案集合。

[0091] 应当指出，基于设定的每一种相对距离值、预定初始入射点坐标和预定初始入射角度参数下所确定的光线的路径，分别对应一个光斑分布图案。根据设定的预定反射次数
范围、预定光斑间距范围来确定符合条件的路径作为候选路径，每一个候选路径也分别对
应一个候选光斑图案。候选光斑图案集合即是根据本发明的技术方案所确定的光斑分布图
案的集合。在实际应用中，根据本发明的技术方案所确定的候选光斑图案集合，来选择最合
适的光斑分布图案，并基于确定的光斑分布图案来设置多反气室的相关参数，能保证光路
传输的稳定性。在保证光路传输稳定性的情况下，通过选择候选路径中对应的反射次数更
高、总光程更长的路径，从而提高多反气室在实际的光谱探测应用中的灵敏度以及可探测
浓度的范围。

[0092] 根据一个实施例，选择候选路径的方法进一步包括以下步骤：选择反射次数在预定反射次数范围内、在光斑图案中光斑间距在预定光斑间距范围、且出射点坐标与预定初
始入射点坐标相同的路径作为候选路径。这里，在选择候选路径时，进一步限定了路径中的
出射点坐标与预定初始入射点坐标相同，这样能保证所选择的候选路径满足重入条件，即
是出射点与入射点重合。在实际应用中，基于满足重入条件的候选路径集合来选择候选路
径后，基于确定的候选路径来设置光线的初始入射点坐标及对应的入射孔，能实现光线从
入射孔射入多反气室、并在多反气室内进行多次反射后，从入射孔射出。

[0093] 在根据本发明的实施例中，路径信息还包括路径所对应的光程。通过对每一种候选路径，建立光程、光斑分布图案、相对距离、初始入射角度、初始入射点坐标之间的对应关
系，生成对应关系列表，从而能根据对应关系列表分析光斑分布图案与光程、相对距离、初
始入射角度、初始入射点坐标之间的关系，以便在实际应用中选择最合适的光斑分布图案，
并根据该光斑分布图案来设置多反气室的相关参数。

[0094] 在一种实施方式中，第一球面镜和第二球面镜的曲率半径R均为100mm，镜面直径D均为50.8mm。

[0095] 当两个球面镜的相对距离d为106mm时，通过确定其它参数，对光线进行追迹，基于上述方法所确定的光斑分布结果为图5示出的花瓣形的光斑分布图案。另外，多反气室的容
3
积为330.0cm，光在两个球面镜之间经过了138次反射，并可实现14.6米长的有效光程。

[0096] 当两个球面镜的相对距离为107mm时，通过确定其它参数，对光线进行追迹。基于3
上述算法所确定的光斑分布图案如图6所示。另外，多反气室的容积为332.1cm ，光在两个
球面镜之间经过了183次反射，并可实现19.7m长的有效光程。

[0097] 可以看出，图5和图6示出的光斑分布图案均为花瓣形，两者的区别在于光斑分布图案所包括的花瓣的数量不同，图5示出的图案包括6个花瓣，图6示出的图案包括10个花
瓣。

[0098] 另外，当两个球面镜的相对距离d为123mm时，通过确定其它参数，对光线进行追迹，基于上述算法所确定的光斑分布结果为图7示出的7个圆形的光斑分布图案。另外，多反
3
气室的容积为364.5cm ，光在两个球面镜之间经过了231次反射，并可实现28.4米长的有效
光程。

[0099] 基于上述实施方式可知，通过调节两个球面镜的相对距离以及光线的入射点位置和光线入射角度，可在球面镜上形成不同的光斑分布图案。各光斑分布图案对应的参数详
见表1，由表1可知，7个圆形的光斑分布图案所对应的多反气室能实现相对最高的反射次数
和光程，有效光程可达28.4米。

[0100] 表1

[0101]

[0102] 另外，由于多反气室200在实际应用中，会受环境的温度等因素的影响，两个球面镜之间的相对距离、光线的入射角度的实际值会与理论值存在偏差。因此，在根据本发明的
实施例中，还考虑并分析了光线出射点的稳定性。通过设定稳定性指标，基于稳定性指标对
候选路径集合中所有候选路径的稳定性进行检测，以便确定稳定路径以及对应的稳定光斑
分布图案。其中，稳定性指标包括与第一球面镜、第二球面镜的相对距离相关的第一稳定指
标，以及与光线的初始入射角度相关的第二稳定指标。需要说明的是，第一稳定指标、第二
稳定指标可以理解为，是本发明分别针对两个球面镜的相对距离和光线的初始入射角度设
定的偏差值。

[0103] 另外，对于出射点稳定性的判断依据还需要确定出射点坐标的稳定区间，这里，稳定区间的具体设置与实际应用中的出射孔的位置和大小相关，从而根据本发明的技术方案
来判断在实际应用中，预定距离和初始入射角度存在偏差的情况下，光线能否从原出射孔
射出。也就是说，基于本发明设定的稳定性指标来改变候选路径对应的相对距离、初始入射
角度(理论值)的情况下，如果改变后得到的光线的实际路径所对应的实际出射点坐标在稳
定区间内，则说明该候选路径符合稳定性标准，可以作为稳定路径，该稳定路径对应的光斑
分布图案作为稳定光斑分布图案。反之，则说明该候选路径不符合稳定性标准。

[0104] 根据一个实施例，确定稳定路径和稳定光标分布图案的方法按照以下步骤执行：

[0105] 确定出射点坐标的稳定区间，并确定候选路径集合中每一个候选路径对应的出射点坐标以及对应的相对距离、初始入射角度。

[0106] 设定与相对距离对应的第一稳定指标、以及与初始入射角度对应的第二稳定指标。

[0107] 基于相对距离和第一稳定指标确定实时相对距离，并基于该实时相对距离确定光线在多反气室内的第一实时路径，根据第一实时路径确定光线的第一实时出射点坐标。判
断第一实时出射点坐标是否在稳定区间内，如果在，则将对应的候选路径作为第一稳定路
径，并为候选路径集合中的所有第一稳定路径生成第一稳定路径集合。获取第一稳定路径
集合中每一个第一稳定路径对应的光斑分布图案，生成第一稳定光斑图案集合。

[0108] 以及，基于初始入射角度和第二稳定指标确定实时初始入射角度，并基于该实时初始入射角度确定光线在多反气室内的第二实时路径，根据第二实时路径确定光线的第二
实时出射点坐标。判断第二实时出射点坐标是否在稳定区间内，如果在，则将对应的候选路
径作为第二稳定路径，并为候选路径集合中的所有第二稳定路径生成第二稳定路径集合。
获取第二稳定路径集合中每一个第二稳定路径对应的光斑分布图案，生成第二稳定光斑图
案集合。

[0109] 应当理解，第一稳定路径集合、第一稳定光斑图案集合即是满足与相对距离对应的第一稳定指标所得到的结果。第二稳定路径集合、第二稳定光斑图案集合即是满足与初
始入射角度对应的第二稳定指标所得到的结果。

[0110] 进而，通过获取第一稳定路径集合和第二稳定路径集合均包括的所有稳定路径，来生成最终的目标稳定路径集合。相应地，通过获取目标稳定路径集合中每一个稳定路径
对应的光斑分布图案，来生成目标稳定光斑图案集合。目标稳定路径集合、目标稳定光斑图
案集合即是既满足第一稳定指标又满足第二稳定指标的情况下所得到的结果。

[0111] 基于所确定的目标稳定路径集合、目标稳定光斑图案集合，有利于在实际应用中选择稳定性更高的路径和光斑分布图案，并设置相应的球面镜的相对距离、光线初始入射
点坐标和初始入射角度等参数，保证通过多反气室在实际光谱探测应用中的稳定性。

[0112] 这里描述的各种技术可结合硬件或软件，或者它们的组合一起实现。从而，本发明的方法和设备，或者本发明的方法和设备的某些方面或部分可采取嵌入有形媒介，例如可
移动硬盘、U盘、软盘、CD‑ROM或者其它任意机器可读的存储介质中的程序代码(即指令)的
形式，其中当程序被载入诸如计算机之类的机器，并被所述机器执行时，所述机器变成实践
本发明的设备。

[0113] 在程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备一般包括处理器、处理器可读的存储介质(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)，至少一个输入装置，和至
少一个输出装置。其中，存储器被配置用于存储程序代码；处理器被配置用于根据该存储器
中存储的所述程序代码中的指令，执行本发明的数据存储方法和/或数据查询方法。

[0114] 以示例而非限制的方式，可读介质包括可读存储介质和通信介质。可读存储介质存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据等信息。通信介质一般以诸如载
波或其它传输机制等已调制数据信号来体现计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它
数据，并且包括任何信息传递介质。以上的任一种的组合也包括在可读介质的范围之内。

[0115] 在此处所提供的说明书中，算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与本发明的示例一起使用。根据上面的描述，构造这类
系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可
以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为
了披露本发明的最佳实施方式。

[0116] 在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结
构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

[0117] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施
例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的
权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵
循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都
作为本发明的单独实施例。

[0118] 本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备
不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个
子模块。

[0119] 本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单
元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或
子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何
组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任
何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权
利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代
替。

[0120] 此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的
范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任
意之一都可以以任意的组合方式来使用。

[0121] 此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法
元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在
此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行
的功能。

[0122] 如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必
须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

[0123] 尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，
本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限
定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本
技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本
发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。