DMD-HT近红外光谱仪关键技术研究

发布时间：2017-11-26 07:08

  本文关键词：DMD-HT近红外光谱仪关键技术研究

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【摘要】：成分分析一直以来都是科学家以及广大民众认知世界的重要途径。光谱检测技术作为成分分析的重要手段,以其快速、无损等优点广泛应用于医学临床、科学研究、食品检测、石油化工、航天遥感以及环境监测等多个领域。有机物作为构成世界的一个重要组成部分,被人发现的种类高达900万种,而对有机物进行成分分析的谱段多集中于近红外区。因为近红外波段光谱微弱、噪声来源多的特点,Hadamard变换(Hadamard Transform,HT)算法被引入到近红外光谱探测中。与常规光谱探测相比,其Hadamard组合探测的方式将入(出)射狭缝的数量由一个提高到多个,增加了进入探测系统的能量,提高了光谱探测的信噪比。作为HT光谱仪最为理想的光谱组合探测的选通元件,数字微镜(Digital Micro-mirror Device,DMD)同其他光谱选通元件相比具有编码灵活且稳定性强的特点。因而,近年来基于DMD的HT近红外光谱仪得到了广泛的研究。本课题组在对光谱仪市场进行调研的基础上,同样对该类型光谱仪进行了研制,并且为了适应有机物检测的需求将光谱仪的工作波段设置在近红外区。首先,我们对DMD-HT光谱仪中的谱线弯曲现象进行了分析与校正。在DMD-HT光谱仪中,由于平面光栅的衍射规律、光学系统设计缺陷以及像差平衡的考量等因素导致狭缝的单色像出现了弯曲,从而导致光谱出现了混叠,最终使光谱仪的光谱分辨率下降。我们首先通过调整DMD使编码条纹与谱线弯曲相重合,然后通过引入光谱校正矩阵对剩余的光谱混叠进行校正。仿真结果表明:经过调整编码条纹和数据处理后,光谱混叠得到了校正,光谱分辨率得到了提高。其次,我们对光谱仪中的聚光系统进行了重新设计。在DMD-HT光谱仪中,由于DMD的衍射效应以及DMD-HT光谱仪中存在的杂散光,导致光谱聚光效率降低,杂散发生串扰,从而降低了DMD-HT光谱仪的信噪比。我们首先分析了DMD的衍射效应和仪器杂散光,然后提出基于非成像的光学设计理念使用CPC重新设计聚光系统。仿真结果表明:基于CPC的聚光系统在DMD-HT光谱仪光谱聚光效率与杂散光抑制两方面都具有很好的表现,并且基于CPC的聚光系统具有较大的公差容限。同样将基于CPC的聚光系统扩展到双光栅DMD-HT光谱仪中,光谱聚光效率同样得到了提高。再次,我们对DMD-HT光谱仪中的光谱失真进行了分析与校正。在DMD-HT光谱仪中,由于仪器内杂散光以及光谱响应偏差的原因导致光谱产生失真。我们分别对这两种原因进行了分析。一方面,我们对DMD-HT光谱仪中的杂散光进行了更为精确的分析与分类,然后从编码方程的角度分析了其对光谱的影响。最终推导出了消杂散光的解码方程,并通过数据处理对光谱进行了校正。仿真结果表明:虽然消杂散光算法对光谱的校正效果甚微,但是却极大地提高了光谱吸光度的测准范围;另一方面,我对DMD-HT光谱仪中光谱响应偏差进行了分析与分类。同样从编码方程的角度分析了光谱响应偏差对光谱探测的影响并推导出了消光谱响应偏差的解码方程。然后通过在编码过程中添加测试模板与实验预采集的方式得到了光谱响应偏差因子,最终通过数据处理对光谱进行了校正。通过比较校正后的光谱与AvaSpec-NIR256-1.7光谱仪所测光谱的相似性对校正算法进行了验证。实验结果表明:光谱响应偏差校正算法简单、有效。最后,我们对实时DMD-HT光谱仪的电学结构与仪器专用软件进行了设计并对原理样机进行了稳定性测试。在DMD-HT光谱仪中,由于HT编码过程需要通过控制DMD实现,同样解码过程需要专用的软件进行处理,所以采集过程的合理性对光谱仪的实时性有很大的影响。本人分析了DMD-HT光谱仪的采集过程后重新设计了DMD-HT光谱仪的电学结构从而提高了光谱采集速率。在此基础上,编写了光谱仪专用软件。最后对原理样机进行了稳定性测试,为DMD-HT近红外光谱仪进入市场奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1

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