本文引入了新興的虛擬儀器技術，設計了一個基于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采集到的信號進行了濾波處理，增加了增益調(diào)整功能；采用最小二乘法實現(xiàn)了對系統(tǒng)的波長標定，并實現(xiàn)了光譜曲線的峰值尋找功能，且與傳統(tǒng)的線性定標法進行對比，進一步改善了測量精度。最后通過實驗結果表明，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，達到光譜分析的目的。

1.引言

隨著科學技術的發(fā)展和光譜分析系統(tǒng)的廣泛研究，人們對光譜分析系統(tǒng)的主要指標，如光譜測量范圍、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、自動化和高精度化。因此，本文引入了新興的虛擬儀器技術，設計了一個基于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，并且操作簡單，功能較強。

2.系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)結構

根據(jù)光譜分析采集系統(tǒng)的工作流程，將整個系統(tǒng)分為光學系統(tǒng)設計、硬件設計及應用程序設計三部分工作。光譜分析系統(tǒng)是典型的基于光電探測器進行測量的光電檢測儀器，所以結合系統(tǒng)的設計要求，為了滿足微型化以及低成本的要求，考慮使用線陣CCD探測器。光柵分出的光由TCD1304Ap型號線陣CCD采集接收，由調(diào)理電路進行放大濾波處理輸送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后由pXI-6289采集到數(shù)據(jù)輸送給上位機，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。這種設計結構簡單，光損耗小，分辨率高、信噪比高。現(xiàn)在流行的CaernyTurner分光系統(tǒng)是一種非常緊湊的光學系統(tǒng)，把光路盡可能的簡化。

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40kHz，并且為用戶提供32路模擬輸入通道，由于LabVIEW對其提供了驅(qū)動程序，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)指標要求，設計選擇使用TCD-1304Ap，由于輸出的模擬信號比較微弱，通常只有幾百毫伏，要想在實際應用中獲得高質(zhì)量的輸出信號和高的系統(tǒng)信噪比，必須先對CCD的輸出信號進行調(diào)理放大，經(jīng)過一個射級跟隨器進行功率放大，并對噪聲進行一定的抑制，最大限度的濾除暗電流和低噪聲信號所帶來的干擾。TCD1304Ap輸出的模擬信號送入到以CLC409搭建的差分電路進行處理。

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。所以要對得到的樣品光譜信息進行濾噪處理。

由信號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間信號。在LabVIEW中所要研究的都是數(shù)字濾波器（計算機中進行信號處理的都是數(shù)字信號）。

（l）多次測量結果的累加平均

在對原始數(shù)據(jù)進行濾波時，我們采用了多次測量，對測量結果進行累加最終取平均值的方法。測量的次數(shù)可以由用戶根據(jù)自己的要求自行設定。設用戶設定的測量次數(shù)為n次，則所得到的結果為：

（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某個數(shù)據(jù)的平滑處理。對于某次測量采集得到的N個數(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)個數(shù)。比如m為7，那么每個被處理的數(shù)據(jù)前后各取3個數(shù)據(jù)進行平滑濾波。

2.5軟件設計部分

前面板整體的布局是根據(jù)用戶對界面的操作需要而設計的。

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，比如波峰的自動尋找，波長的檢索以及顯示數(shù)值。系統(tǒng)的中間部分是CCD每個像元所對應的光強幅值。系統(tǒng)的右面部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，光強值與像元的相對應以及光強值與定標后的波長的相對應。所以實現(xiàn)了光譜圖像的顯示功能。

實現(xiàn)以上控制面板中功能的源代碼，是應用圖形編程語言編寫。框圖中包含有各種圖形化函數(shù)、常量、變量、算法結構和連線等，從前面板中接收到用戶輸入的數(shù)據(jù)后，就會到設備內(nèi)部運行相關指令參數(shù)進行相關操作，依據(jù)編好的程序，采用數(shù)據(jù)流的方式遍歷程序，最后給出運行結果反饋給用戶。

3.系統(tǒng)測試及分析

本節(jié)采取特性光譜標定的方法對光譜進行相應地光譜標定，找到特定譜線在CCD上對應像元點位置。測試中選用低壓汞燈來完成相對容易的光譜標定。汞燈有六條特性譜線：366.5nm，404.66nm，435.8nm，546.7nm，576.96nm，579.96nm，尋找出于基準光譜下的波峰值波長相關的幾條光譜曲線所對的CCD像素序號，并且通過運用最小二乘法來完成三階多項式的擬合。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的像元序號為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，導致采用最小二乘法三階多項式擬合相對線性擬合誤差要小一些，設擬合曲線方程為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，進而進行特征譜線的標定及測量工作。

4.結論

本文選用線陣CCD作為光電探測器件，實現(xiàn)寬光譜、高分辨率的測量需求。用LabVIEW結合pXI采集卡實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集、分析、顯示功能，具有開發(fā)周期短、簡單、實用等特點，穩(wěn)定性較好，能夠滿足多種光譜分析需求。