基于LabVIEW的光譜數據采集與分析

【摘要】選用CCD探測器采集光譜信號，然后由PXI采集卡傳輸數據與PC機通訊，并使用LabVIEW編寫測試程序，實現對光譜儀的光譜數據處理、采集、分析、顯示等功能。通過軟件編寫再次對采集到的信號進行了濾波處理，增加了增益調整功能；采用最小二乘法實現了對系統(tǒng)的波長標定，并實現了光譜曲線的峰值尋找功能，且與傳統(tǒng)的線性定標法進行對比，進一步改善了測量精度。最后通過實驗結果表明，可以用所做的光譜分析系統(tǒng)分辨出汞燈光譜的特性譜線，達到光譜分析的目的。

【關鍵詞】LabVIEW；光譜分析；虛擬儀器；CCD

1.引言

隨著科學技術的發(fā)展和光譜分析系統(tǒng)的廣泛研究，人們對光譜分析系統(tǒng)的主要指標，如光譜測量范圍、分辨率、精度等方面，都提出了越來越高的要求，光譜儀現在的發(fā)展方向是微型化、自動化和高精度化。因此，本文引入了新興的虛擬儀器技術，設計了一個基于LabVIEW的光譜分析及數據采集系統(tǒng)，使光譜分析系統(tǒng)整體性能有所提高，并且操作簡單，功能較強。

2.系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

根據光譜分析采集系統(tǒng)的工作流程，將整個系統(tǒng)分為光學系統(tǒng)設計、硬件設計及應用程序設計三部分工作。光譜分析系統(tǒng)是典型的基于光電探測器進行測量的光電檢測儀器，所以結合系統(tǒng)的設計要求，為了滿足微型化以及低成本的要求，考慮使用線陣CCD探測器。光柵分出的光由TCD1304AP型號線陣CCD采集接收，由調理電路進行放大濾波處理輸送給A/D模數轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，最后由PXI-6289采集到數據輸送給上位機，選擇LabVIEW接收數據、顯示及分析等工作。

2.2 分光系統(tǒng)部分

分光系統(tǒng)是光譜分析系統(tǒng)中的關鍵部件，直接決定著系統(tǒng)的分光性能。光譜儀器的分光方式有多種，根據光譜測量方式的不同，分為濾光片分光、棱鏡分光、光柵分光。本文選用的是光柵分光方式。這種設計結構簡單，光損耗小，分辨率高、信噪比高。現在流行的CaernyTurner分光系統(tǒng)是一種非常緊湊的光學系統(tǒng)，把光路盡可能的簡化。

2.3 數據采集部分

采用NI公司的數據采集卡PXI-6289，它可以直接插入工控機的PXI插槽中，即插即用，PXI-6289是一種高性能多功能數據采集卡，配有2.0GHz雙核處理器，轉換速度最大可達40kHz，并且為用戶提供32路模擬輸入通道，由于LabVIEW對其提供了驅動程序，所以采集數據是可直接調用軟件中的采集函數，非常方便。

根據系統(tǒng)指標要求，設計選擇使用TCD-1304AP，由于輸出的模擬信號比較微弱，通常只有幾百毫伏，要想在實際應用中獲得高質量的輸出信號和高的系統(tǒng)信噪比，必須先對CCD的輸出信號進行調理放大，經過一個射級跟隨器進行功率放大，并對噪聲進行一定的抑制，最大限度的濾除暗電流和低噪聲信號所帶來的干擾。TCD1304AP輸出的模擬信號送入到以CLC409搭建的差分電路進行處理。

2.4 數據處理部分

由于數據采集過程中內在噪聲，光路噪聲等因素的存在，直接影響了系統(tǒng)的信噪比。所以要對得到的樣品光譜信息進行濾噪處理。

由信號的處理方向可以分為兩種濾波器：模擬濾波器和數字濾波器。傳統(tǒng)模擬濾波器的輸入和輸出都是連續(xù)的，而數字濾波器的輸入與輸出都是離散時間信號。在LabVIEW中所要研究的都是數字濾波器（計算機中進行信號處理的都是數字信號）。

（l）多次測量結果的累加平均

在對原始數據進行濾波時，我們采用了多次測量，對測量結果進行累加最終取平均值的方法.測量的次數可以由用戶根據自己的要求自行設定。設用戶設定的測量次數為n次，則所得到的結果為：

（1）

（2）光譜圖像的平滑濾波

與上述平均值濾波方式有所不同的是，這里所論述的平滑濾波方式是在空間上對某個數據的平滑處理。對于某次測量采集得到的N個數據，我們采用以下的平滑濾波公式：

（2）

其中，S為x1的處理鄰域，m為S所包含的數據個數。比如m為7，那么每個被處理的數據前后各取3個數據進行平滑濾波。

2.5 軟件設計部分

前面板整體的布局是根據用戶對界面的操作需要而設計的。

系統(tǒng)主界面如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)主界面

界面的左面部分是系統(tǒng)的控制面板，主要控制執(zhí)行系統(tǒng)的某一些任務，比如波峰的自動尋找，波長的檢索以及顯示數值。系統(tǒng)的中間部分是CCD每個像元所對應的光強幅值。系統(tǒng)的右面部分主要實現數據的顯示，光強值與像元的相對應以及光強值與定標后的波長的相對應。所以實現了光譜圖像的顯示功能。

實現以上控制面板中功能的源代碼，是應用圖形編程語言編寫?？驁D中包含有各種圖形化函數、常量、變量、算法結構和連線等，從前面板中接收到用戶輸入的數據后，就會到設備內部運行相關指令參數進行相關操作，依據編好的程序，采用數據流的方式遍歷程序，最后給出運行結果反饋給用戶。

3.系統(tǒng)測試及分析

本節(jié)采取特性光譜標定的方法對光譜進行相應地光譜標定，找到特定譜線在CCD上對應像元點位置。測試中選用低壓汞燈來完成相對容易的光譜標定。汞燈有六條特性譜線：366.5nm，404.66nm，435.8nm，546.7nm，576.96nm，579.96nm，尋找出于基準光譜下的波峰值波長相關的幾條光譜曲線所對的CCD像素序號，并且通過運用最小二乘法來完成三階多項式的擬合。倘若這六條譜線為y1、y2、y3、y4、y5、y6，采集到的六條譜線與之相關的像元序號為x1、x2、x3、x4、x5、x6，由于光譜數寬度的選擇比較窄以及像面彎曲等其他原因，導致采用最小二乘法三階多項式擬合相對線性擬合誤差要小一些，設擬合曲線方程為y=p（x），則：

（3）

曲線方程通過（xi，yi）處的偏差為：

（4）

按照最小二乘原則可以得到最小二乘方程式的系數解，由此可確定擬合方程，進而進行特征譜線的標定及測量工作。

4.結論

本文選用線陣CCD作為光電探測器件，實現寬光譜、高分辨率的測量需求。用LabVIEW結合PXI采集卡實現光譜數據采集、分析、顯示功能，具有開發(fā)周期短、簡單、實用等特點，穩(wěn)定性較好，能夠滿足多種光譜分析需求。

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