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光谱分析

基于DMD的微小型近红外光谱仪系统主要分为:光源系统、分光成像光路系统、探测系统、光谱信息处理系统及专用软件。光谱仪的基本结构框图如下所示:



光谱仪采用DMD作为核心器件,工作原理为:光经过狭缝进入准直透镜,准直后的平行光通过光栅分光,由透镜成像在DMD面阵上;DMD对光谱进行波长选通,选通之后的光经过会聚透镜第二次成像在单探测器上;单探测器分时检测各个波长对应光强,最后经过光谱信息处理系统及专用软件处理后得到近红外光谱图

微小型近红外光谱仪通常采用阵列探测器进行光谱探测,但阵列探测器同时会引入象元的非均匀性和非线性误差,导致光谱准确度下降,而且成本较高。本论文的DMD微小型近红外光谱仪围绕DMD可编程控制的特点,同时实现了多种功能,即波长选通,斩波功能和数字变换功能DMD对光谱信号进行扫描选通,利用单元探测器就可以对光谱进行探测,避免了线阵探测器引入的非线性影响;斩波功能的实现取代了机械斩波器,简化了系统结构,提高了稳定性;数字变换功能将阿达玛变换应用到光谱信息处理中,提高光谱信号信噪比,有效提取微弱近红外光谱信号。DMD的这一特点为光谱信息处理总体方案及应用软件系统的设计提供了实现依据。

2.2 基于DMD的微小型近红外光谱仪光谱信号特点

对光谱信息进行正确的处理,必须要针对本论文的DMD微小型近红外光谱仪系统的近红外光谱信号特点开展研究。根据DMD微小型近红外光谱仪的光源特性、光路结构、探测器特性以及DMD的控制方法,分析总结本系统的光谱信号特点:

 

光谱信号微弱:从光源出射的光经过了样品池、入射出射狭缝、分光器件和多个透镜的作用,到达探测器的光能量是非常微弱的。对于微弱信号的采集和处理,可采用阿达玛算法对光谱进行分组测量,既增大光谱能量,又降低了随机噪声,提高信噪比。

掺杂噪声影响:近红外光谱信号由于本身的辐射特性,容易掺杂各种噪声的影响。如光源背景光,杂散光,探测器噪声,电路系统和电源的噪声等。基于信号的周期性特点和噪声的随机性特点,可以利用锁相放大技术对有用信息进行提取。除此之外,一些常用的光谱信息预处理方法也可起到一定的去噪作用。

交流调制信号:由于硫化铅探测器的光伏特性,光谱信号需要由DMD进行斩波调制,输出为原信号频率和斩波频率的交流调制信号。调制交流信号不稳定,易受干扰影响,需要利用锁相放大技术将信号进行解调。