基于LabVIEW和CCD的光譜數(shù)據(jù)采集與分析設(shè)計(jì)

本文引入了新興的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的光譜分析及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過軟件編寫再次對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理，增加了增益調(diào)整功能;采用最小二乘法實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的波長(zhǎng)標(biāo)定，并實(shí)現(xiàn)了光譜曲線的峰值尋找功能，且與傳統(tǒng)的線性定標(biāo)法進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步改善了測(cè)量精度。最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以用所做的光譜分析系統(tǒng)分辨出汞燈光譜的特性譜線，達(dá)到光譜分析的目的。

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和光譜分析系統(tǒng)的廣泛研究，人們對(duì)光譜分析系統(tǒng)的主要指標(biāo)，如光譜測(cè)量范圍、分辨率、精度等方面，都提出了越來越高的要求，光譜儀現(xiàn)在的發(fā)展方向是微型化、自動(dòng)化和高精度化。因此，本文引入了新興的虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LabVIEW的光譜分析及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使光譜分析系統(tǒng)整體性能有所提高，并且操作簡(jiǎn)單，功能較強(qiáng)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)光譜分析采集系統(tǒng)的工作流程，將整個(gè)系統(tǒng)分為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)三部分工作。光譜分析系統(tǒng)是典型的基于光電探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量的光電檢測(cè)儀器，所以結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為了滿足微型化以及低成本的要求，考慮使用線陣CCD探測(cè)器。光柵分出的光由TCD1304AP型號(hào)線陣CCD采集接收，由調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波處理輸送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由PXI-6289采集到數(shù)據(jù)輸送給上位機(jī)，選擇LabVIEW接收數(shù)據(jù)、顯示及分析等工作。

2.2 分光系統(tǒng)部分

分光系統(tǒng)是光譜分析系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，直接決定著系統(tǒng)的分光性能。光譜儀器的分光方式有多種，根據(jù)光譜測(cè)量方式的不同，分為濾光片分光、棱鏡分光、光柵分光。本文選用的是光柵分光方式。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光損耗小，分辨率高、信噪比高?，F(xiàn)在流行的CaernyTurner分光系統(tǒng)是一種非常緊湊的光學(xué)系統(tǒng)，把光路盡可能的簡(jiǎn)化。

2.3 數(shù)據(jù)采集部分

采用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡PXI-6289，它可以直接插入工控機(jī)的PXI插槽中，即插即用，PXI-6289是一種高性能多功能數(shù)據(jù)采集卡，配有2.0GHz雙核處理器，轉(zhuǎn)換速度最大可達(dá)40kHz，并且為用戶提供32路模擬輸入通道，由于LabVIEW對(duì)其提供了驅(qū)動(dòng)程序，所以采集數(shù)據(jù)是可直接調(diào)用軟件中的采集函數(shù)，非常方便。

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)選擇使用TCD-1304AP，由于輸出的模擬信號(hào)比較微弱，通常只有幾百毫伏，要想在實(shí)際應(yīng)用中獲得高質(zhì)量的輸出信號(hào)和高的系統(tǒng)信噪比，必須先對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，經(jīng)過一個(gè)射級(jí)跟隨器進(jìn)行功率放大，并對(duì)噪聲進(jìn)行一定的抑制，最大限度的濾除暗電流和低噪聲信號(hào)所帶來的干擾。TCD1304AP輸出的模擬信號(hào)送入到以CLC409搭建的差分電路進(jìn)行處理。

2.4 數(shù)據(jù)處理部分

由于數(shù)據(jù)采集過程中內(nèi)在噪聲，光路噪聲等因素的存在，直接影響了系統(tǒng)的信噪比。所以要對(duì)得到的樣品光譜信息進(jìn)行濾噪處理。

由信號(hào)的處理方向可以分為兩種濾波器：

模擬濾波器和數(shù)字濾波器。傳統(tǒng)模擬濾波器的輸入和輸出都是連續(xù)的，而數(shù)字濾波器的輸入與輸出都是離散時(shí)間信號(hào)。在LabVIEW中所要研究的都是數(shù)字濾波器(計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理的都是數(shù)字信號(hào))。

(l)多次測(cè)量結(jié)果的累加平均

在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波時(shí)，我們采用了多次測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行累加最終取平均值的方法。測(cè)量的次數(shù)可以由用戶根據(jù)自己的要求自行設(shè)定。設(shè)用戶設(shè)定的測(cè)量次數(shù)為n次，則所得到的結(jié)果為：

(2)光譜圖像的平滑濾波

與上述平均值濾波方式有所不同的是，這里所論述的平滑濾波方式是在空間上對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)的平滑處理。對(duì)于某次測(cè)量采集得到的N個(gè)數(shù)據(jù)，我們采用以下的平滑濾波公式：

其中，S為x1的處理鄰域，m為S所包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。比如m為7，那么每個(gè)被處理的數(shù)據(jù)前后各取3個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。

2.5 軟件設(shè)計(jì)部分

前面板整體的布局是根據(jù)用戶對(duì)界面的操作需要而設(shè)計(jì)的。

系統(tǒng)主界面如圖1所示：

界面的左面部分是系統(tǒng)的控制面板，主要控制執(zhí)行系統(tǒng)的某一些任務(wù)，比如波峰的自動(dòng)尋找，波長(zhǎng)的檢索以及顯示數(shù)值。系統(tǒng)的中間部分是CCD每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)幅值。系統(tǒng)的右面部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，光強(qiáng)值與像元的相對(duì)應(yīng)以及光強(qiáng)值與定標(biāo)后的波長(zhǎng)的相對(duì)應(yīng)。所以實(shí)現(xiàn)了光譜圖像的顯示功能。

實(shí)現(xiàn)以上控制面板中功能的源代碼，是應(yīng)用圖形編程語(yǔ)言編寫?？驁D中包含有各種圖形化函數(shù)、常量、變量、算法結(jié)構(gòu)和連線等，從前面板中接收到用戶輸入的數(shù)據(jù)后，就會(huì)到設(shè)備內(nèi)部運(yùn)行相關(guān)指令參數(shù)進(jìn)行相關(guān)操作，依據(jù)編好的程序，采用數(shù)據(jù)流的方式遍歷程序，最后給出運(yùn)行結(jié)果反饋給用戶。

3.系統(tǒng)測(cè)試及分析

本節(jié)采取特性光譜標(biāo)定的方法對(duì)光譜進(jìn)行相應(yīng)地光譜標(biāo)定，找到特定譜線在CCD上對(duì)應(yīng)像元點(diǎn)位置。測(cè)試中選用低壓汞燈來完成相對(duì)容易的光譜標(biāo)定。汞燈有六條特性譜線：366.5nm，404.66nm，435.8nm，546.7nm，576.96nm，579.96nm，尋找出于基準(zhǔn)光譜下的波峰值波長(zhǎng)相關(guān)的幾條光譜曲線所對(duì)的CCD像素序號(hào)，并且通過運(yùn)用最小二乘法來完成三階多項(xiàng)式的擬合。倘若這六條譜線為y1、y2、y3、y4、y5、y6，采集到的六條譜線與之相關(guān)的像元序號(hào)為x1、x2、x3、x4、x5、x6，由于光譜數(shù)寬度的選擇比較窄以及像面彎曲等其他原因，導(dǎo)致采用最小二乘法三階多項(xiàng)式擬合相對(duì)線性擬合誤差要小一些，設(shè)擬合曲線方程為y=p(x)，則：

按照最小二乘原則可以得到最小二乘方程式的系數(shù)解，由此可確定擬合方程，進(jìn)而進(jìn)行特征譜線的標(biāo)定及測(cè)量工作。

4.結(jié)論

本文選用線陣CCD作為光電探測(cè)器件，實(shí)現(xiàn)寬光譜、高分辨率的測(cè)量需求。用LabVIEW結(jié)合PXI采集卡實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集、分析、顯示功能，具有開發(fā)周期短、簡(jiǎn)單、實(shí)用等特點(diǎn)，穩(wěn)定性較好，能夠滿足多種光譜分析需求。