拉曼光譜儀控制邏輯與信號(hào)采集系統(tǒng)研究.pdf

1、拉曼光譜屬于無(wú)損光譜分析技術(shù)，包含分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息，又稱分子的“指紋譜”。拉曼光譜受水分子的干擾小，被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)、礦物學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。但是拉曼散射信號(hào)極其微弱，極易淹沒在噪聲中，信噪比很低，給拉曼光譜信號(hào)的探測(cè)和采集提出了較高的要求。CCD探測(cè)器感光度高、探測(cè)光譜范圍廣，適合弱光檢測(cè)，是微弱拉曼信號(hào)探測(cè)的優(yōu)先選擇。但是CCD傳感器輸出信號(hào)中存在復(fù)位噪聲和隨機(jī)噪聲，對(duì)拉曼光譜信號(hào)有較大影響。因此，如何有

2、效的抑制CCD的噪聲，以提高信噪比，是實(shí)現(xiàn)拉曼光譜高質(zhì)量采集的關(guān)鍵。
　　本文針對(duì)高質(zhì)量拉曼光譜信號(hào)采集需求，開展CCD探測(cè)器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)研究光譜信號(hào)的采集與噪聲抑制方法、數(shù)據(jù)完整幀捕捉算法、上位機(jī)軟件降噪處理等，研制高性能拉曼光譜采集系統(tǒng)。論文的主要工作內(nèi)容如下：
　?、倬C述CCD探測(cè)器信號(hào)采集與處理系統(tǒng)以及拉曼光譜數(shù)據(jù)處理的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了各種信號(hào)處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了論文的主要內(nèi)容。
　

3、?、诜治隽死庾V技術(shù)的基本原理和CCD探測(cè)器的特性。基于拉曼光譜的特點(diǎn)，以及CCD探測(cè)器輸出信號(hào)的特性，確立了拉曼光譜采集的總體方案。
　?、垩芯苛藬?shù)字相關(guān)過(guò)采樣算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CCD輸出信號(hào)復(fù)位噪聲的消除以及對(duì)隨機(jī)噪聲的有效抑制；研究了數(shù)據(jù)完整幀捕捉算法，實(shí)現(xiàn)了有效光譜數(shù)據(jù)的完整采集。完成了數(shù)字電路各模塊的邏輯設(shè)計(jì)，并利用Modelsim對(duì)各個(gè)模塊及整個(gè)采集系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行了功能仿真驗(yàn)證。
　　④研究了光譜采集軟件的設(shè)計(jì)方

4、法以及光譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)。完成了USB固件程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)光譜采集軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了多幀平均、滑動(dòng)窗口平均和高斯濾波三種軟件去噪算法。
　?、荽罱▽?shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，以汞燈為測(cè)試對(duì)象，對(duì)光譜采集系統(tǒng)的控制邏輯和信號(hào)采集軟件進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)準(zhǔn)確捕捉并采集到了完整幀光譜信號(hào)；在不同積分時(shí)間下，與相關(guān)雙采樣相比，數(shù)字相關(guān)過(guò)采樣算法的信號(hào)均方差降低了51%—63%，信噪比顯著提高；對(duì)比三種軟件去噪算法，多幀平均去噪效果最好且對(duì)光譜峰