基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪

摘要

本发明基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪属于光谱测量分析领域，该光谱仪采用光栅分光，采用DMD来选通光谱波长，使用单点光电探测器来采集光谱信号；使用交流耦合电路来采集探测器信号；使用DMD对光谱信号进行调制，使用锁相放大电路处理被调制的信号。本发明的有益效果是：该光谱仪具有较高的光谱分辨率，较高的信噪比。

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量分析技术领域，具体涉及一种基于DMD的非哈达玛变 换近红外光谱仪。

背景技术

近红外光谱仪分为传统的光学分光光谱仪、傅里叶数字变换光谱仪和声光 调制式光谱仪，其中光学分光光谱仪包括滤光镜分光、光栅分光两种。光栅光 谱仪中，探测器可以使用单点探测器和阵列探测器两种。

在光学分光光谱仪中，使用单点探测器的光谱仪需要使用电机来切换滤光 镜以选通不同波长，或者使用动镜来实现光谱在探测器上的扫描。而阵列探测 可以没有动镜，不需要进行光谱扫描。但是阵列探测器，特别是近红外探测器 的价格非常昂贵。随着技术的发展，出现了新的微机电系统（MEMS）器件， 其中的数字微镜器件（DMD）很快用在了光谱仪器中，它的出现使得分光光谱 仪可以采用单点探测器并且没有运动部件。

目前，市场上已经出现了DMD光谱仪，如上海复享仪器设备有限公司的以 哈达玛变换为基础的光谱仪，在科研机构和高校里也对基于DMD的光谱仪进行 了研究，如重庆大学对基于DMD的微小型近红外光谱仪系统进行了研究。调查 和检索发现，目前对基于DMD的光谱仪的研究及相关产品主要采用的是哈达玛 变化的方法对光谱信号进行处理。哈达玛变换的方法可以提高信噪比，但是其 解码过程比较复杂，特别是对于要求分辨率较高的场合，哈达玛矩阵更为复杂。

发明内容

为了解决现有哈达玛变换DMD光谱仪存在算法复杂的技术问题，本发明提 供一种基于DMD的非哈达玛变换近红外光栅光谱仪，其依然使用DMD对不同 波长的光进行选择和调制，并且使用锁相放大电路来解调，采集后得到的信号 直接是光谱信息，不需要大量的计算过程，提高了信号的信噪比。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪包括：DMD、汇聚透镜组、光电 探测器、交流耦合电路、锁相放大电路、低通滤波电路、AD采集电路、FPGA、 DMD控制器、USB接口电路、光源、狭缝、准直镜、光栅和成像透镜；交流耦 合电路与光电探测器连接，锁相放大电路与交流耦合电路连接，低通滤波电路 与锁相放大电路连接，AD采集电路与低通滤波电路连接，FPGA分别与锁相放 大电路、低通滤波电路、AD采集电路、DMD控制器、USB接口电路连接，DMD 控制器与DMD连接；光源的光通过狭缝后，被准直镜准直，再被光栅分光，然 后经过成像透镜在DMD上形成不同波长的狭缝的像，并按照波长顺序在DMD 上从左到右连续排列；DMD对不同的波长选通且调制，使单波长光经过汇聚透 镜组后汇聚在光电探测器上；FPGA通过DMD控制器控制DMD在两幅图像之 间做等时间周期的切换，同时FPGA发送给锁相放大电路一个两倍周期时间的 方波信号给锁相放大电路，并且方波的正周期对应条纹图像信号，方波的负周 期对应空白图像信号，并且无相位差；在DMD在定周期闪烁的过程中，光电探 测器将接收的光信号转换为电流信号；交流耦合电路将电流信号转化为电压信 号，并将电压信号的交流成分传输给锁相放大电路；锁相放大电路根据FPGA 给出的相位参考信号将交流信号与相位参考信号做乘积，得到的输出信号经过 低通滤波电路滤波后，得到与原始交流信号的幅值成比例的直流信号，AD采集 电路对滤波后的信号进行采集，得到单波长的光谱信号幅值。

本发明的有益效果是：使用DMD对光波长进行选通，去掉了传统光栅光谱 仪的动镜；采用DMD进行光信号调制，采用锁相放大器配合FPGA来进行解调， 运算过程得到简化，同时可以得到很高的信噪比。

附图说明

图1是本发明基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪的光路结构示意图。

图2是本发明基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪的电路结构示意图。

图3是本发明中的交流耦合电路图。

图4是本发明中的基于AD630的锁相放大电路图。

图5是本发明中的FPGA控制各个模块的时序图。

具体实施方式

下面结合附图本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明基于DMD的非哈达玛变换近红外光谱仪包括： DMD 1、汇聚透镜组2、光电探测器3、交流耦合电路4、锁相放大电路5、低 通滤波电路6、AD采集电路7、FPGA 8、DMD控制器9、USB接口电路10、 光源11、狭缝12、准直镜13、光栅14和成像透镜15；交流耦合电路4与光电 探测器3连接，锁相放大电路5与交流耦合电路4连接，低通滤波电路6与锁 相放大电路5连接，AD采集电路7与低通滤波电路6连接，FPGA8分别与锁 相放大电路5、低通滤波电路6、AD采集电路7、DMD控制器9、USB接口电 路10连接，DMD控制器9与DMD 1连接。

光源11的光通过狭缝12后，被准直镜13准直，再被光栅14分光，然后 经过成像透镜15在DMD 1上形成不同波长的狭缝的像，并按照波长顺序在 DMD 1上从左到右连续排列；DMD 1对不同的波长选通且调制，使单波长光经 过汇聚透镜组2后汇聚在光电探测器3上，并由光电探测器3将接收的光信号 转换为电信号。电信号经过交流耦合电路4之后，被锁相放大电路5进行提取 放大，再经低通滤波电路6进行滤波。之后，使用AD采集电路7处理滤波后 的信号，得到单波长的光谱信号幅值。

光谱的采集过程由FPGA 8控制，每一个最小分辨率的光谱波段对应信号的 处理和采集过程如下：FPGA8通过DMD控制器9来控制DMD 1在两幅图像之 间做等时间周期为T的切换，一幅单条纹图像，一幅空白图像；同时FPGA 8 发送给锁相放大电路5一个周期为2T的方波信号，并且方波的正周期对应单条 纹图像信号，方波的负周期对应空白图像信号，并且无相位差；在DMD 1在定 周期闪烁的过程中，光信号通过光电探测器3转化为电流信号，电流信号经过 交流耦合电路4转化为电压信号，并且该电压信号的交流成分通过电路传输到 下一级锁相放大电路5。锁相放大电路5根据FPGA 8给出的相位参考信号将交 流信号与相位参考信号做乘积，得到的输出信号经过低通滤波电路6滤波后， 得到与原始交流信号的幅值成比例的直流信号被AD采集电路7采集。每一个 最小分辨率波段的信号被采集处理后，得到的单波长的光谱信号幅值都存储在 FPGA 8中，最后通过USB接口电路10传输给上位机，由上位机来读取和分析 光谱数据。

图1的光谱仪光路结构保证了对近红外波段的光进行分光，并且在DMD 1 上按照波长顺序陈列狭缝12的像；DMD 1的分辨率决定了光谱最小分辨率。如 1024×768分辨率的DMD 1，对应的光谱分辨率最大为1024，如果波段范围是 1000nm～1600nm，那么光谱最小分辨率为0.586nm。分辨率很小对应近红外的引 用的价值不大。对应1024×768分辨率的DMD可以把使用2列或者更多列像素 对应一条光谱，这样降低分辨率可以增大信号的幅值，提高信噪比。

图2的光谱仪电路结构图显示了光谱信号获取的步骤和方法。和现有的分 光光谱仪相比，本发明基于DMD的光谱仪没有动镜，而是使用DMD进行波长 选择。测量某一波长的光谱值时，只需要该光谱对应的微镜阵列翻转，即显示 一幅单条纹图案，使得只有该条纹对应的波段的光进入光电探测器被测量。而 微镜阵列的控制使用DMD专用的DMD控制器，如德州仪器公司的0.7＂XGA 套件，能够实现微镜阵列的准确控制。

本发明不仅使用DMD进行光谱波长的选择，还使用DMD对该波长的光进 行调制。调制的方法是：使DMD显示的图案在空白图案和条纹图案做等周期切 换，使得被选通的光在光电探测器呈现等周期的有无切换。

光电探测器可以看成恒流源，当有恒定不变的光照时，可以得到恒定大小 的电流；当没有光照时，电流值为暗电流，近似为0；这个经过DMD调制后， 每一段光谱在光电探测器上可以得到方波电流。

如图3所示，方波电流经过电阻R3时在电阻R3上产生压降，在电阻R3 的上端得到方波电压值。该方波电压的平均值不为0，经过采样电容C2后，再 接一个电阻R4到地，可以使得电流的直流成分为0，只剩下交流成分，即得到 等幅值大小的方波电压，进而改方波电压的平均值为0。本发明使用探测器交流 耦合电路只采集在切换过程中得到的交流信号。该电路使光电探测器3处于具 有偏置电压的状态，并通过电阻将流过光电探测器3的电流转化为电压信号。 使用采样电容采集此电压信号，其直流成分为0，交流成分进入后面的初级放大 电路。

经过初级放大后，使用锁相放大电路5对信号进行二次放大。图4是基于 AD630的锁相放大器，它的输入信号包括待解调的输入信号和相位参考信号， 输出信号为放大的两个输入信号的乘积。经过后续的低通滤波电路6，可以得到 与原始交流信号的幅值成比例的直流信号。等到信号稳定之后AD采集电路7 可以得到具体的光谱幅值。

锁相放大器需要的相位参考信号由FPGA 8给出。FPGA 8给锁相放大器的 相位信号、FPGA 8向DMD控制器9发送的DMD开始显示新图像数据的脉冲 信息和DMD控制器9反馈给FPGA 8的同步信号的时序关系如图5所示。其中， A是FPGA向DMD控制器发送的DMD开始显示新图像数据的脉冲；B是DMD 控制器反馈给FPGA的同步信号，表示DMD图像稳定显示；C是FPGA发送给 锁相放大器的相位参考信号。DMD图像在条纹图像和空白图像之间切换一次， 相位参考信号经历一个周期。B与C上升沿和下降沿分别对齐，无相位差。

每一个光谱值的采集过程中，DMD图像处于在单条纹图像和空白图像之间 保持切换状态所经历的时间要大于低通滤波电路6的时间常数，这样才能在低 通滤波电路6后得到稳定的输出值。

整个光谱采集过程是每一个光谱值采集过程的集合。为了使整个过程持续 的时间最短，应该使每一个光谱值采集的过程时间最短，这就要求低通滤波电 路6的时间常数尽可能小，因此要求DMD调制光谱的调制频率越高越好。