拉曼光谱仪控制逻辑与信号采集系统研究

摘要

拉曼光谱属于无损光谱分析技术，包含分子振动或转动的信息，又称分子的“指纹谱”。拉曼光谱受水分子的干扰小，被广泛应用于生物技术、医学、矿物学、材料科学、环境监测等众多领域。但是拉曼散射信号极其微弱，极易淹没在噪声中，信噪比很低，给拉曼光谱信号的探测和采集提出了较高的要求。CCD探测器感光度高、探测光谱范围广，适合弱光检测，是微弱拉曼信号探测的优先选择。但是CCD传感器输出信号中存在复位噪声和随机噪声，对拉曼光谱信号有较大影响。因此，如何有效的抑制CCD的噪声，以提高信噪比，是实现拉曼光谱高质量采集的关键。
　　本文针对高质量拉曼光谱信号采集需求，开展CCD探测器信号采集与处理系统的研究，重点研究光谱信号的采集与噪声抑制方法、数据完整帧捕捉算法、上位机软件降噪处理等，研制高性能拉曼光谱采集系统。论文的主要工作内容如下：
　　①综述CCD探测器信号采集与处理系统以及拉曼光谱数据处理的国内外研究现状，分析了各种信号处理方法的优缺点，阐述了论文的主要内容。
　　②分析了拉曼光谱技术的基本原理和CCD探测器的特性。基于拉曼光谱的特点，以及CCD探测器输出信号的特性，确立了拉曼光谱采集的总体方案。
　　③研究了数字相关过采样算法，实现了对CCD输出信号复位噪声的消除以及对随机噪声的有效抑制；研究了数据完整帧捕捉算法，实现了有效光谱数据的完整采集。完成了数字电路各模块的逻辑设计，并利用Modelsim对各个模块及整个采集系统控制逻辑进行了功能仿真验证。
　　④研究了光谱采集软件的设计方法以及光谱数据处理技术。完成了USB固件程序设计和上位机光谱采集软件设计。重点研究了多帧平均、滑动窗口平均和高斯滤波三种软件去噪算法。
　　⑤搭建实验测试平台，以汞灯为测试对象，对光谱采集系统的控制逻辑和信号采集软件进行测试。测试结果表明：系统准确捕捉并采集到了完整帧光谱信号；在不同积分时间下，与相关双采样相比，数字相关过采样算法的信号均方差降低了51%—63%，信噪比显著提高；对比三种软件去噪算法，多帧平均去噪效果最好且对光谱峰高的影响最小。用本文设计完成的采集系统，成功获取了多种生物样本的拉曼光谱。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 本章小结

2 拉曼光谱技术基本原理和采集方案设计

2.1 拉曼光谱技术的基本原理

2.2 CCD探测器的特性分析

2.3 拉曼光谱采集方案设计

2.4 本章小结

3 拉曼光谱采集系统控制逻辑设计

3.1 控制逻辑总体方案

3.2 数字相关过采样算法原理

3.3 CCD驱动器控制模块

3.4 完整帧捕捉模块

3.5 信号模数转换控制逻辑

3.6 光谱信号处理模块

3.7 USB通信控制逻辑

3.8 本章小结

4 光谱采集软件设计及数据处理

4.1 USB固件程序设计

4.2 上位机采集软件设计

4.3 拉曼光谱去噪方法

4.4 本章小结

5 系统测试与实验分析

5.1 控制逻辑测试

5.2 上位机采集软件测试

5.3 光谱测试

5.4 样品测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B. 作者在攻读硕士学位期间申请专利

C. 作者在攻读硕士学位期间申请的软件著作权