基于DSP的拉曼光谱图像采集与处理系统
发布时间：2021-06-19 15:43
拉曼光谱分析法用于物质的检测,无需对样品进行预先处理,适用于固体、液体、气体以及任何混合形态的样品,同时还有非接触无损测量,操作简便,测定时间短,灵敏度高等优点,因此被广泛应用于物质的鉴别和结构分析等。但拉曼散射光强度通常只有激发光强度的10-6到10-12,远远低于瑞利散射光和外界杂散光等噪声,这对拉曼光谱系统的灵敏度和噪声抑制能力提出了很高的要求。目前小型便携式拉曼光谱仪多采用CCD或CMOS作为检测器,可以避免波长扫描过程方式,一次性获得全波段拉曼光谱图,但其灵敏度较之光电倍增管要低很多,很难满足微弱光谱信号检测所需的高灵敏度和信噪比要求,并且数据量更大,对处理器的性能的要求更高。本课题主要针对本研究所自主研发的小型便携式拉曼光谱仪LMGPY-290的拉曼光谱图像采集系统灵敏度不够高、曝光时间不够长、在近红外波段的光谱响应度低等问题进行改进,采用高灵敏度CMOS图像传感器研制新的拉曼光谱仪,设计和开发了基于DSP的拉曼光谱图像采集系统,从源头上提高拉曼光谱数据的可靠性,从而进一步提高拉曼光谱仪的性能。首先,设计了新的光谱图像采集系统,选...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-44-见光波段，而采用785nm激光激发出的拉曼光通常在近红外波段。根据第1章的调研，CMOS对近红外光的响应能力比可见光弱，而新开发光谱图像采集系统IMX-385能否采集到近红外波段的光谱，关系到拉曼光谱仪能否采集到基于785nm激光所激发出来的拉曼光，故通过实验测试本课题开发的光谱图像采集系统的长波响应上限。氙灯复色光单色仪单色光滤波片图4-3光谱响应测试系统采用如图4-3所示的方案，使光谱图像采集系统IMX-385所要采集的光是波长已知的单色光，检验光谱图像系统IMX-385能否采集到对应的光谱图像。由手册知7IPX150C氙灯的光是包含了200-2500nm连续波长范围的复色光。实验发现，单色仪输出的光并非是理想的单色光，当选择单色仪的输出光的波长为，其中会包含有极少的/2波长的倍频光。图4-4单色仪输出980nm波长光的光谱图像
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-47-表4-1LMGPY-290的光谱采集系统增益像素平均灰度值V灰度值间标准差PRNU10.042400.040601000.321730.139132001.013901.119105003.0256217.1936400025.2056418.233表4-2LMGPY-385的光谱采集系统增益像素平均灰度值V灰度值间标准差PRNU10.006650.176231010.673064.893272013.2302156.54505016.82222162.296400089.57183763.79根据第2章分析，延长曝光时间能提高光谱图像数据的信噪比，而增益是负责将采集到的信号放大。由于没有光信号输入，光谱图像采集系统采集到的是噪声信号，由于人眼难以观测，对其进行放大并根据强度着色处理之后观察分布规律，如图4-7所示，是将噪声信号处理后的图像。发现其噪声分布不均，但其分布的位置基本不变，可通过背景扣除算法解决均匀性问题。图4-7增强着色后的噪声图4.3532nm激光作为激发光的实验结果及分析4.3.1乙醇拉曼光谱图像采集实验及分析相对于其他物质而言，激光照射甲醇和乙醇时所激发出来拉曼光较强，并且甲醇和乙醇的特征峰明显，关于乙醇和甲醇拉曼测量的研究较多，容易找到标准来检验课题研发的拉曼光谱仪LMGPY-385采集到的拉曼光谱是否准确，乙醇与甲醇的拉曼光谱如图4-8所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉曼探头的发展及其生物医学应用[J]. 徐浩,朱勇康,陆燕飞,尹建华. 激光与光电子学进展. 2019(11)
[2]低照度CMOS图像传感器设计与实现[J]. 李金洪,邹梅. 红外与激光工程. 2018(07)
[3]Radiation Effects Due to 3 MeV Proton Irradiations on Back-Side Illuminated CMOS Image Sensors[J]. 张翔,李豫东,文林,周东,冯婕,马林东,王田珲,蔡毓龙,王志铭,郭旗. Chinese Physics Letters. 2018(07)
[4]光电倍增管特性及应用研究[J]. 陈超. 数字通信世界. 2018(07)
[5]拉曼光谱应用技术研究[J]. 何蔚,孙贤君. 标准科学. 2018(03)
[6]水质在线监测仪用微型分光系统的设计与分析[J]. 卢欣春,袁颖华,孙颖奇,赵舒迪,罗勇钢. 光学与光电技术. 2017(06)
[7]嵌入式单片机系统在图像采集中的运用分析[J]. 李海. 中国新通信. 2017(22)
[8]CCD与CMOS国内外技术发展综述[J]. 王世和,陈远金,刘彬. 内燃机与配件. 2017(13)
[9]CCD与CMOS图像传感器的现状及发展趋势[J]. 马精格. 电子技术与软件工程. 2017(13)
[10]高分辨宽光谱微型拉曼光谱仪的设计[J]. 谈梦科,郑海燕,田胜楠,郭汉明. 光学仪器. 2017(03)
博士论文
[1]光谱可调控大视场成像关键技术研究[D]. 徐映宇.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
硕士论文
[1]基于FPGA的CMOS光谱采集系统[D]. 张宇舟.南京邮电大学 2018
[2]基于DSP+FPGA的高清图像跟踪系统研制[D]. 许建铮.电子科技大学 2018
[3]基于STM32芯片便携式尿液分析仪的设计[D]. 郑焱雄.南华大学 2018
[4]CMOS图像传感器温度噪声及去噪研究[D]. 王东方.哈尔滨工业大学 2017
[5]CMOS图像传感器图像数据采集硬件系统的设计与实现[D]. 赵璠.西安电子科技大学 2017
[6]基于DSP的图像处理基础平台设计与算法实现[D]. 罗宽怀.电子科技大学 2017
[7]拉曼光谱仪控制逻辑与信号采集系统研究[D]. 王亚运.重庆大学 2017
[8]线阵CCD直读光谱仪检测与处理系统设计[D]. 张良.东北大学 2017
[9]基于光电倍增管的数据采集系统设计[D]. 张珮.长春理工大学 2017
[10]直读光谱仪多通道线阵CCD信号采集与处理[D]. 王林月.华中科技大学 2017
本文编号：3238089
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-47-表4-1LMGPY-290的光谱采集系统增益像素平均灰度值V灰度值间标准差PRNU10.042400.040601000.321730.139132001.013901.119105003.0256217.1936400025.2056418.233表4-2LMGPY-385的光谱采集系统增益像素平均灰度值V灰度值间标准差PRNU10.006650.176231010.673064.893272013.2302156.54505016.82222162.296400089.57183763.79根据第2章分析，延长曝光时间能提高光谱图像数据的信噪比，而增益是负责将采集到的信号放大。由于没有光信号输入，光谱图像采集系统采集到的是噪声信号，由于人眼难以观测，对其进行放大并根据强度着色处理之后观察分布规律，如图4-7所示，是将噪声信号处理后的图像。发现其噪声分布不均，但其分布的位置基本不变，可通过背景扣除算法解决均匀性问题。图4-7增强着色后的噪声图4.3532nm激光作为激发光的实验结果及分析4.3.1乙醇拉曼光谱图像采集实验及分析相对于其他物质而言，激光照射甲醇和乙醇时所激发出来拉曼光较强，并且甲醇和乙醇的特征峰明显，关于乙醇和甲醇拉曼测量的研究较多，容易找到标准来检验课题研发的拉曼光谱仪LMGPY-385采集到的拉曼光谱是否准确，乙醇与甲醇的拉曼光谱如图4-8所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]拉曼探头的发展及其生物医学应用[J]. 徐浩,朱勇康,陆燕飞,尹建华. 激光与光电子学进展. 2019(11)
[2]低照度CMOS图像传感器设计与实现[J]. 李金洪,邹梅. 红外与激光工程. 2018(07)
[3]Radiation Effects Due to 3 MeV Proton Irradiations on Back-Side Illuminated CMOS Image Sensors[J]. 张翔,李豫东,文林,周东,冯婕,马林东,王田珲,蔡毓龙,王志铭,郭旗. Chinese Physics Letters. 2018(07)
[4]光电倍增管特性及应用研究[J]. 陈超. 数字通信世界. 2018(07)
[5]拉曼光谱应用技术研究[J]. 何蔚,孙贤君. 标准科学. 2018(03)
[6]水质在线监测仪用微型分光系统的设计与分析[J]. 卢欣春,袁颖华,孙颖奇,赵舒迪,罗勇钢. 光学与光电技术. 2017(06)
[7]嵌入式单片机系统在图像采集中的运用分析[J]. 李海. 中国新通信. 2017(22)
[8]CCD与CMOS国内外技术发展综述[J]. 王世和,陈远金,刘彬. 内燃机与配件. 2017(13)
[9]CCD与CMOS图像传感器的现状及发展趋势[J]. 马精格. 电子技术与软件工程. 2017(13)
[10]高分辨宽光谱微型拉曼光谱仪的设计[J]. 谈梦科,郑海燕,田胜楠,郭汉明. 光学仪器. 2017(03)
博士论文
[1]光谱可调控大视场成像关键技术研究[D]. 徐映宇.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2017
硕士论文
[1]基于FPGA的CMOS光谱采集系统[D]. 张宇舟.南京邮电大学 2018
[2]基于DSP+FPGA的高清图像跟踪系统研制[D]. 许建铮.电子科技大学 2018
[3]基于STM32芯片便携式尿液分析仪的设计[D]. 郑焱雄.南华大学 2018
[4]CMOS图像传感器温度噪声及去噪研究[D]. 王东方.哈尔滨工业大学 2017
[5]CMOS图像传感器图像数据采集硬件系统的设计与实现[D]. 赵璠.西安电子科技大学 2017
[6]基于DSP的图像处理基础平台设计与算法实现[D]. 罗宽怀.电子科技大学 2017
[7]拉曼光谱仪控制逻辑与信号采集系统研究[D]. 王亚运.重庆大学 2017
[8]线阵CCD直读光谱仪检测与处理系统设计[D]. 张良.东北大学 2017
[9]基于光电倍增管的数据采集系统设计[D]. 张珮.长春理工大学 2017
[10]直读光谱仪多通道线阵CCD信号采集与处理[D]. 王林月.华中科技大学 2017
本文编号：3238089
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