光纤光谱仪信号处理系统设计与实现

发布时间：2020-09-01 20:46

　　光谱仪是一种基本的光学测量仪器,通过对光谱信号的测量和分析,可以实现物质结构和成分的鉴定以及材料光学属性的测量。光谱仪在工业现场、生物医学、现代科学等各个领域已得到广泛的应用。传统的光谱仪由于存在成本高、体积大的缺点,限制了其应用场景,因此国内外光谱仪朝着体积小、成本低和低功耗的方向发展,以适应原位和现场检测的需要。目前国内便携式光纤光谱仪的研究与国外相比还有很大的差距,因此研制一种体积小、功耗低、成本低的便携式光纤光谱仪,有着十分重要的意义。完整的光谱仪主要由色散分光系统部分、光谱信号采集部分和上位机数据处理与显示部分组成。本文主要研究便携式光纤光谱仪的信号探测处理与传输模块的设计与实现,该部分的正确性和稳定性是整个光谱仪系统正常工作的保证。本文根据课题技术指标,确定了探测电路模块的方案设计和器件选型,其中探测器选用了一款背照式面阵CCD图像传感器,具有高灵敏度、极大的动态范围和低噪声等优点。由于CCD传感器探测输出的是模拟信号,不利于信号的传输和处理,需要经过AD转换电路将信号数字化,接着光谱数据通过USB2.0协议传输给上位机进行分析处理和显示。同时选用了温湿度传感器监测系统环境的温湿度数据。该系统是以CPLD为控制中心,对各模块提供正常工作需要的驱动时序信号,并与USB2.0控制芯片CY7C68013A构成Slave FIFO传输模式,完成数据的稳定传输。在完成方案的原理性分析后,进行了原理图绘制、PCB制版、Verilog HDL代码编写、电路调试以及上位机软件联调测试等工作。最终实现了满足系统指标的光谱仪信号探测系统。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN911.7;TP212;TH744.1
【部分图文】：

光谱仪,结构组成

2 系统原理与总体方案设计本章首先对目前光谱仪系统的整体结构和工作原理做了介绍，然后根据本课题的设计目标，确定了信号探测处理与传输系统这部分的总体方案设计。并根据本课题的研究目标，选取了满足要求的 CCD 图像传感器。2.1 光谱仪的结构和原理光谱仪本质上是一个特殊的光电成像仪器，光谱测量主要包括光的波长、强度以及分布轮廓，被测光往往是物质散射、吸收或者受激发射的荧光。基本原理是将入射的被测光中不同波长的光通过色散系统分离开来，对应成像在接收器的不同位置。这样就将波长与位置的关系对应起来，利用光电探测器对不同位置的光强进行探测，便能得到被测光各个波长的光谱信息。

框图,系统设计,框图,电荷量

图 2-2 系统设计框图2.4 CCD 图像传感器的工作原理与性能电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）是 1970 年初发展起来的一种新型半导体器件[21][22]，其突出特点是以电荷作为信号载体，不同于以电流或电压作为信号的其它光电器件[23][24]。CCD 的基本功能包括信号电荷的产生、存储、转移和检测[25]。接下来介绍 CCD 的主要特性参数：电荷转移效率是表征 CCD 性能好坏的一个重要参数[26]，定义为：一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与之前势阱中的电荷量之比[27]。设原有的信号电荷量为 Q0，转移到下一个栅极势阱中的信号电荷量为 Q1（留在原来栅极下的电荷量为Q0-Q1），则电荷转移效率为Q0Q1η (2-1)

CCD探测器,入射光,前向,面阵CCD

图 2-3 滨松 S10420-1106-01 背照式面阵 CCD的前向照明式 CCD探测器来说，由于入射光照射过多晶硅电极，而多晶硅电极对所有的入射光都，因此大部分光在进入到 PN 结之前就损失掉了降。而背照式 CCD 将 PN 结放在结构电极的外侧耗，从而提高了探测器的量子效率。下图为 S10以看到，该器件在从紫外到近红外波段具有很高

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