基于LabVIEW的光谱分析系统研究

光谱仪的发展方向是实用化和高精度化，本文将LabVIEW与光电检测相结合，使光谱分析系统具有高分辨率以及宽光谱测量范围，具有光学、硬件、上位机数据分析这几部分。选用CCD作为探测元件，通过实验对光谱对应的不同波长响应度标定对系统进行测试，最后达到用光谱分析系统能分辨出汞灯光谱特性普线的分析目的。

【关键词】LabVIEW 光谱 分析 CCD

光谱仪器是一种基于光学光谱的色散原理设计而成的一种光学仪器，一般来说由光源和照明系统，分光系统和接收系统三部分组成。光谱仪从接收系统来看可分为三种：目视系统、摄谱系统和光电系统。光谱仪器的分类方式有很多经典、新型、干涉、棱镜等等。近年又出现了光学多道分析仪DMA。 光谱仪快速发展在各个领域大展身手在重工业、轻工业、农业、生物学、医学、物理学、化学、天文学和空间物理中扮演着重要的角色。

1 光谱分析系统

系统包括以下几个模块：光纤探头模块，光谱传感的分光模块、光电转换模块及上位机接受显示模块。

1.1 光谱仪器的基本特性

基本特性：光谱工作区、色散率、分辨率和空间分辨力。光谱仪器的工作光谱区主要决定于反射率或光谱透过率仪器；色散率分为角色散率和线色散率；光谱仪的分辨率是指光谱仪分辨出波长相隔非常相近的两个光波的能力。在实验中光谱带宽是指窄带谱线在光谱仪中测得的谱线轮廓下降到最大值一半时所对应的轮廓宽度。分辨率高则带宽变窄。

1.2 光纤探头和分光系统

光纤探头系统包括光源和导光装置。光谱分析需要稳定的光源，光源分为连续光源和线光源。用于导光的光纤要具有低损耗低成本耐腐蚀抗干扰等特点。分光系统包括滤光片棱镜和光栅。

2 设计光谱信号的采集系统

光电探测器，负责接收信号采样和预处理如，CCD光电耦合器件， 分辨率、光谱范围、灵敏度、线性度和价格是选择光电探测器的主要参数。

驱动的设计，包括集成度高的专用IC驱动法，由晶振、存储器和计数电路构成的EPROM驱动法，按照编程直接由指令产生延时的单片机驱动法，具有速度快效率高、集成度高、稳定性好等特点的FPGA/CPLD驱动。作为可编程逻辑器件的FPGA和CPLD可以随时修改，大大提高了开发效率。所以，大规模可编程逻辑器件在电子系统设计应用越来越多。

CDD中电荷注入方法归纳起来可分为光注入和电注入，输出端会有不可避免的干扰，因此需要电荷的输出检测。

3 光谱分析系统中的虚拟仪器部分

仪器是现代仪器科学技术与微型计算机技术深层次相结合的产物，将会在测试仪器领域中占据着主导地位。虚拟仪器开发应用软件 LabVIEW，在工业制造、科研等测量领域发挥着至关重要的作用。本系统的软件设计由LabVIEW完成光谱分析系统的显示及分析等工作。

LabVIEW 系统流程图如图1。

LabVIEW需要在前面板和程序框图编程，将图形化的VI用连线连接，动态链接库需要调用DLL库。另外在运行当中其还需进行信号处理进行滤噪，进行滤波处理，使信号平滑稳定，去除杂质和背景噪声，归一化处理得到物质的特征光谱。

4 系统的测试及分析

CCD光电探测传感器件对不同光谱响应不同，所以在检测之前要对各个位置的像元所需要接受的波长的响应进行定标定标包括光谱定标和辐射定标。光谱定标工作完成后进行试验校准，使用标准灯进行测试，将会得到预期的效果。

测量结果有误差是在所难免的，主要是由于：在调整光路及光源波动时，导光所用光纤不理想时，滤波没有彻底时，光强值不够强大时都可造成测量误差。为此需要进行如下优化，1加强光学系统牢固性升级软件提高信噪比，2善于使用DLL，3改进光学系统结构，4大胆估计测量数值。

5 总结

本文首先对光谱仪器的基本特性进行了研究，分析了优异光电探测器CCD。要求高质量的分辨率和精确度，采用labVIEW入间进行分析，使系统的各个部分精确度达到了很好的设计要求。

参考文献

[1]陈力.基于arm7的可见光光谱采集系统设计[D].成都：电子科技大学，2008.

[2] 杨铭珍，关文祥，王玉成.看谱摄谱和光电直读三用光谱仪[D].辽宁师范大学（自然科学版），1979（03）.

[3] 刘盛纲，翁继东，陶天炯.超高分辨光谱仪的分辨率检测方法研究[D].中国工程物理研究院流体物理研究所，2013.

[4] 秦迎春.FPGA/CPLD可编程逻辑器件的发展前景 [D].解放军广州通信学院，2002.

[7] 臂巧邹.基于线阵CCD的机器人视觉系统的研究论文[D].兰州理工大学，2007.

作者单位

哈尔滨石油学院 黑龙江省哈尔滨市 150027