宽光谱高分辨率二维光谱信号探测系统设计

摘要

物质的目标特性等精细化识别中，要求光谱仪具有高分辨率和宽光谱工作范围。宽光谱高分辨率光路对探测系统的灵敏度、分辨率、动态范围、信噪比等提出了更高的要求，一般的探测系统无法满足。本文针对宽光谱范围高分辨率的中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路对二维光谱的探测需求，分析了探测器与光路系统的匹配关系，设计了具有高灵敏度、低噪声等特点的二维光谱探测系统。
　　本论文主要完成了以下工作:
　　(1)根据光谱的探测需求，完成了光谱信号探测系统的总体方案设计:包括总体探测器的选型原则、单元功能设计、主要技术参数、光学系统的匹配要求等。
　　(2)完成了探测系统硬件设计与调试:
　　硬件电路系统主要包括主控单元、探测器驱动单元、信号处理单元、数据存储单元以及数据传输单元等主要模块。在信号处理单元，为了消除噪声，本文提出了时序相关双采样方法，该方法具有精度高、动态范围大等的优点。
　　(3)完成了探测系统软件设计与调试:
　　探测系统的软件包括上位机软件和下位机软件，两者相互配合，实现了人机交互控制。
　　上位机软件是在Visual Studio平台上开发的，主要功能有:发送控制命令、接收处理数据、存储数据、成像以及图像处理等。
　　下位机软件是在USB固件编程框架的基础上完成的，其主要作用是接收上位机的控制命令并执行，达到控制硬件电路系统的目的。
　　(4)根据二维谱图产生原理，完成了一种谱图标定算法:
　　CCD探测到的谱图与理想谱图在位置和强度上有所偏差，本文提出了谱图标定算法，并完成了标定软件的编写。
　　(5)进行实验，并分析结果:
　　在白光和Hg光条件下分别进行实验，对测得的谱图进行分析与标定。实验结果表明，探测系统能够正确采集光谱图像。对实验数据进行分析，标定算法的精确度达到10-5数量级。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文完成的主要工作与论文结构安排

第二章 二维光谱仪探测系统总体方案设计

2．1 二维光谱仪探测系统总体方案设计

2．2 光学系统简介

2．2．1 中阶梯光栅及交叉色散光路

2．2．2 中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路

2．3 光学系统匹配设计

2．3．1 探测器主要参数选择分析

2．3．2 探测器分类

2．3．3 S10141-1109S简介

2．4 本章小结

第三章 探测系统硬件设计

3．1 硬件电路系统总体设计方案

3．2 CCD时序驱动单元

3．2．1 S10141-1109S驱动时序

3．2．2 电平转换和缓冲驱动

3．3 CCD信号处理单元

3．3．1 CCD信号预处理模块

3．3．2 时序相关双采样

3．4 CCD数据存储单元

3．5 CCD数据传输单元

3．5．1 数据传输方式

3．5．2 数据传输过程

3．5 主控单元CPLD内部电路设计

3．5．1 CCD驱动时序产生模块

3．5．2 CCD积分时间设置模块

3．5．3 USB计数器模块

3．6 电源管理单元

3．6．1 系统电源需求分析

3．6．2 电源方案设计

3．7 本章小结

第四章 软件设计

4．1 软件总体方案设计

4．2 下位机软件设计

4．2．1 USB固件编程框架

4．2．2 下位机程序

4．3 上位机软件设计

4．3．1 USB连接测试

4．3．2 下位机参数设置

4．3．3 数据接收、处理及存储

4．3．4 生成图像

4．4 图像处理

4．5 本章小结

第五章 二维谱图位置标定

5．1 中阶梯光栅光谱仪二维谱图还原

5．1．1 主色散坐标与衍射级次的关系

5．1．2 横向色散与衍射级次的关系

5．1．3 波长与主色散及横向色散坐标关系阵列的建立

5．1．4 中阶梯光栅光谱仪理想谱图

5．2 二维谱图位置标定

5．4 本章小结

第六章 实验结果与分析

6．1 硬件电路系统测试实验

6．2 光谱探测实验与结果

6．2 光谱标定

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢