本文關(guān)鍵詞：DMD-HT近紅外光譜儀關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：成分分析一直以來都是科學(xué)家以及廣大民眾認(rèn)知世界的重要途徑。光譜檢測技術(shù)作為成分分析的重要手段,以其快速、無損等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床、科學(xué)研究、食品檢測、石油化工、航天遙感以及環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域。有機物作為構(gòu)成世界的一個重要組成部分,被人發(fā)現(xiàn)的種類高達900萬種,而對有機物進行成分分析的譜段多集中于近紅外區(qū)。因為近紅外波段光譜微弱、噪聲來源多的特點,Hadamard變換(Hadamard Transform,HT)算法被引入到近紅外光譜探測中。與常規(guī)光譜探測相比,其Hadamard組合探測的方式將入(出)射狹縫的數(shù)量由一個提高到多個,增加了進入探測系統(tǒng)的能量,提高了光譜探測的信噪比。作為HT光譜儀最為理想的光譜組合探測的選通元件,數(shù)字微鏡(Digital Micro-mirror Device,DMD)同其他光譜選通元件相比具有編碼靈活且穩(wěn)定性強的特點。因而,近年來基于DMD的HT近紅外光譜儀得到了廣泛的研究。本課題組在對光譜儀市場進行調(diào)研的基礎(chǔ)上,同樣對該類型光譜儀進行了研制,并且為了適應(yīng)有機物檢測的需求將光譜儀的工作波段設(shè)置在近紅外區(qū)。首先,我們對DMD-HT光譜儀中的譜線彎曲現(xiàn)象進行了分析與校正。在DMD-HT光譜儀中,由于平面光柵的衍射規(guī)律、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計缺陷以及像差平衡的考量等因素導(dǎo)致狹縫的單色像出現(xiàn)了彎曲,從而導(dǎo)致光譜出現(xiàn)了混疊,最終使光譜儀的光譜分辨率下降。我們首先通過調(diào)整DMD使編碼條紋與譜線彎曲相重合,然后通過引入光譜校正矩陣對剩余的光譜混疊進行校正。仿真結(jié)果表明:經(jīng)過調(diào)整編碼條紋和數(shù)據(jù)處理后,光譜混疊得到了校正,光譜分辨率得到了提高。其次,我們對光譜儀中的聚光系統(tǒng)進行了重新設(shè)計。在DMD-HT光譜儀中,由于DMD的衍射效應(yīng)以及DMD-HT光譜儀中存在的雜散光,導(dǎo)致光譜聚光效率降低,雜散發(fā)生串?dāng)_,從而降低了DMD-HT光譜儀的信噪比。我們首先分析了DMD的衍射效應(yīng)和儀器雜散光,然后提出基于非成像的光學(xué)設(shè)計理念使用CPC重新設(shè)計聚光系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明:基于CPC的聚光系統(tǒng)在DMD-HT光譜儀光譜聚光效率與雜散光抑制兩方面都具有很好的表現(xiàn),并且基于CPC的聚光系統(tǒng)具有較大的公差容限。同樣將基于CPC的聚光系統(tǒng)擴展到雙光柵DMD-HT光譜儀中,光譜聚光效率同樣得到了提高。再次,我們對DMD-HT光譜儀中的光譜失真進行了分析與校正。在DMD-HT光譜儀中,由于儀器內(nèi)雜散光以及光譜響應(yīng)偏差的原因?qū)е鹿庾V產(chǎn)生失真。我們分別對這兩種原因進行了分析。一方面,我們對DMD-HT光譜儀中的雜散光進行了更為精確的分析與分類,然后從編碼方程的角度分析了其對光譜的影響。最終推導(dǎo)出了消雜散光的解碼方程,并通過數(shù)據(jù)處理對光譜進行了校正。仿真結(jié)果表明:雖然消雜散光算法對光譜的校正效果甚微,但是卻極大地提高了光譜吸光度的測準(zhǔn)范圍;另一方面,我對DMD-HT光譜儀中光譜響應(yīng)偏差進行了分析與分類。同樣從編碼方程的角度分析了光譜響應(yīng)偏差對光譜探測的影響并推導(dǎo)出了消光譜響應(yīng)偏差的解碼方程。然后通過在編碼過程中添加測試模板與實驗預(yù)采集的方式得到了光譜響應(yīng)偏差因子,最終通過數(shù)據(jù)處理對光譜進行了校正。通過比較校正后的光譜與AvaSpec-NIR256-1.7光譜儀所測光譜的相似性對校正算法進行了驗證。實驗結(jié)果表明:光譜響應(yīng)偏差校正算法簡單、有效。最后,我們對實時DMD-HT光譜儀的電學(xué)結(jié)構(gòu)與儀器專用軟件進行了設(shè)計并對原理樣機進行了穩(wěn)定性測試。在DMD-HT光譜儀中,由于HT編碼過程需要通過控制DMD實現(xiàn),同樣解碼過程需要專用的軟件進行處理,所以采集過程的合理性對光譜儀的實時性有很大的影響。本人分析了DMD-HT光譜儀的采集過程后重新設(shè)計了DMD-HT光譜儀的電學(xué)結(jié)構(gòu)從而提高了光譜采集速率。在此基礎(chǔ)上,編寫了光譜儀專用軟件。最后對原理樣機進行了穩(wěn)定性測試,為DMD-HT近紅外光譜儀進入市場奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH744.1

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