一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法，系统包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块；本发明采用分段自动扫描的方法，依次将光栅转动到N个固定的角度上，采用阵列探测器分段采集光谱，从而实现覆盖全波段的精细光谱扫描，提高扫描速度以及采样分辨率；本发明中的分段显示与光谱拼接方法以探测器有效像元的中心位置为基准，计算得到每一段每个像元对应的波长值，从而实现覆盖全波段的光谱无缝拼接与显示。本发明有效结合了转动式光栅与固定式阵列探测器的特点，能够实现全波长范围内的快速扫描，并且能够提高采样分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及光栅光谱仪技术领域，特别涉及一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法。

背景技术

光栅光谱仪的两种主流的结构形式为：一种采用固定式光栅与阵列探测器，光栅分光后形成固定宽度与固定位置的光谱带，阵列探测器在成像谱面上接收光谱信息；一种是采用转动光栅与单点式探测器，通过电机带动光栅转动，改变入射角和衍射角，使得不同波长的光依次落在单点探测器上。

采用固定光栅与阵列探测器方式的光谱分光系统，全波段光谱分光后一次成像在阵列探测器光敏面上，即探测器一次需要采集全部光谱信息。由于探测器像元数有限，每个像元仅包含一个波长采样点的光谱信息，当波长范围很宽时，很多波长点的光谱信息采样不到，能够分辨的光谱细节受限，其分辨率较低。

采用转动光栅与单点式探测器方式的光谱分光系统，可通过光栅转动，不断改变入射角和衍射角，使得光落在单点探测器上，从而实现光谱扫描，但为保证每个波长点的光谱数据采集完整，需要电机在每个波长点上停下，或者以缓慢的速度转动，从而限制了宽波段光谱的快速扫描实现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法，以达到实现全波长范围内的快速扫描，并且能够提高采样分辨率的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种宽波段光谱快速扫描控制系统，包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块；

所述参数解析模块用于将用户在设置界面设置的参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；

所述扫描执行模块用于执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；

所述位置判断模块用于计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动；

所述探测器时序产生模块用于产生驱动探测器电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；

所述数据处理模块通过信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号，并将其转换为数字信号；

所述波形拼接模块用于对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在显示界面上显示出最终波形。

一种宽波段光谱快速扫描控制方法，采用如上所述的一种宽波段光谱快速扫描控制系统，包括如下步骤：

步骤1，用户在设置界面设置参数，下发给参数解析模块，参数解析模块将参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；

步骤2，扫描执行模块执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；

具体包括：

位置判断模块计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动，实现将光栅转动到不同的角度上；

探测器时序产生模块产生驱动探测器驱动电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；

步骤3，信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号并传入数据处理模块，数据处理模块将光谱信号转换为数字信号，再由波形拼接模块对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在界面上显示出最终波形。

上述方案中，步骤2中，将整个波段从起始波长到终止波长分成N个波段，分别下发每个波段i对应的光栅电机的位置值S

上述方案中，步骤2的具体流程包括如下步骤：

(1)下发自检指令，光栅电机寻找零位，根据反馈状态判断自检是否完成；

(2)根据起始波长、终止波长所对应的光栅位置与相邻两段光栅位置间隔之间的关系，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；

(3)根据第(2)步得到的光栅位置值，光栅电机依次下发光栅位置，并下发电机转动指令，并监测光栅电机是否转到位；

(4)等待光栅电机转动到位，阵列探测器进行分段光谱数据采集；

(5)每扫描一段就在坐标系上显示一段，在分段显示时，需要计算每段每个像元所对应的波长值；

(6)重复步骤(2)-(5)，进行分段的光谱数据采集，并进行显示拼接，最终实现覆盖全波段的光谱无缝拼接。

上述方案中，步骤(2)的具体方法如下：

首先，根据光栅方程公式计算得到起始波长、中心波长、终止波长所对应光栅位置；

光栅方程公式如公式(1)：

λ＝K

其中，λ为波长值，K

θ＝(S-S

其中，S

其中，γ为光栅电机的步距角，x为电机驱动器的细分数，t为传动机构的传动比；

光栅是由光栅电机驱动，因此，光栅位置实际是电机的驱动脉冲数；通过给光栅电机相应的驱动脉冲，则可以驱动光栅转动到对应的位置，根据以上公式(1)、公式(2)可得到光栅位置S，如公式(4)：

当设置起始波长λ

其中，S

然后，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置的计算与判定准则如下：

1)如果S

2)如果S

①前半部分的第i段依次下发的光栅位置为S

②后半部分的第i段依次下发的光栅位置为S

③满足①、②条件则表明覆盖了整个设置的扫描范围；总的扫描段数为N＝(S

上述方案中，零级光对应光栅位置S

上述方案中，相邻两段的光栅位置间隔T通过以下方式得到：找一个光源的特征峰，先移动光栅电机至T

上述方案中，步骤(5)中，计算每段波段每个像元所对应的波长值的方法如下：

第i段波段的第j个像元的波长计算如下：

以阵列探测器有效像元的中心位置，即第M/2个像元为基准，M为阵列探测器的有效像元数量，则第j个像元与中心位置的成像夹角为Δα：

其中，f为系统焦距大小，l为阵列探测器上第j个像元到第M/2个像元的距离，j＝1,2,3…,M；

其中，p为阵列探测器的相邻像元间距大小；

当光栅转动Δα角度时，对应的光栅位置转动了ΔS步，从第j个像元到中心位置的光栅位置间隔为：

其中，δ为光栅的角分辨率；

因此，以M/2个像元为基准，分别向两边计算像元对应的波长值，则第i段的第j个像元对应的光栅位置为：

其中，S

结合公式(1)(2)，得出第i段的第j个像元对应的波长值λ

λ＝K

θ＝(S-S

其中，λ为波长值，K

通过上述技术方案，本发明提供的一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法具有如下有益效果：

(1)本发明中的分段自动扫描方法，依次将光栅转动到N个固定的角度上，并采用阵列探测器分段采集光谱。当设置起始波长λ

与现有技术相比，本发明的光栅电机无需在每个波长点位置停下，只需在设定扫描范围后计算出分段的段数N，依次转动到对应的光栅位置S

(2)本发明中的分段显示与光谱拼接方法，以阵列探测器有效像元的中心位置，即第M/2个像元为基准，通过第j个像元与中心位置的成像夹角Δα，计算第j个像元与中心位置的距离ΔS，推导出第i段的第j个像元对应的光栅位置，最终得到第i段的第j个像元对应的波长值λ

与现有技术相比，本发明极大发挥了阵列探测器的特点，利用阵列探测器分N次分段采集整个波长范围内的光谱信号，总的采样点数从M个增加到M*N个，将采样分辨率提高N倍，提升了对于光谱细节的分辨能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种宽波段光谱快速扫描控制系统示意图；

图2为本发明实施例所公开的分段扫描示意图；

图3为本发明实施例所公开的分段扫描流程图；

图4为本发明实施例所公开的分段下发光栅位置图；

图5为本发明实施例所公开的光谱数据拼接图；

图6为本发明实施例所公开的波长计算图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种宽波段光谱快速扫描控制系统，有效结合了转动式光栅与固定式阵列探测器的特点，能够实现全波长范围内的快速扫描，并且能够提高采样分辨率。如图1所示，包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块。每个模块的功能如下：

参数解析模块用于将用户在设置界面设置的参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；

扫描执行模块用于执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；

位置判断模块用于计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动；

探测器时序产生模块用于产生驱动探测器电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；

数据处理模块通过信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号，并将其转换为数字信号；

波形拼接模块用于对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在显示界面上显示出最终波形。

本发明公开了一种宽波段光谱快速扫描控制方法，采用如上所述的一种宽波段光谱快速扫描控制系统，包括如下步骤：

步骤1，用户在设置界面设置参数，下发给参数解析模块，参数解析模块将参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；

步骤2，扫描执行模块执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；

具体包括：

位置判断模块计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动，实现将光栅转动到不同的角度上；

探测器时序产生模块产生驱动探测器驱动电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；

步骤3，信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号并传入数据处理模块，数据处理模块将光谱信号转换为数字信号，再由波形拼接模块对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在界面上显示出最终波形。

具体的，本发明采用分段自动扫描的方法，依次将光栅转动到N个固定的角度上，采用阵列探测器分段采集光谱。步骤2中，如图2所示，将λ

如图3所示，步骤2的具体流程包括如下步骤：

(1)下发自检指令，光栅电机寻找零位，根据反馈状态判断自检是否完成；

(2)根据起始波长、终止波长所对应的光栅位置与相邻两段光栅位置间隔之间的关系，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；

首先，根据光栅方程公式计算得到起始波长、中心波长、终止波长所对应光栅位置；

光栅方程公式：

λ＝K

其中，λ为波长值，K

θ＝(S-S

其中，S

由于光栅是由光栅电机驱动的，并通过传动机构带动光栅转动，因此光栅位置实际是电机的驱动脉冲数。通过给电机相应的驱动脉冲，则可以驱动光栅转动到对应的位置，根据以上公式(1)、公式(2)可得到光栅位置S，如公式(4)：

当设置起始波长λ

然后，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；

当光栅转动到固定位置时(此处的固定位置：是指光栅转动到下面计算的Si的位置，i＝1,2,…,N，光栅依次在每个Si位置停下固定不动)，分光后的成像谱面将会铺满整个阵列探测器，因此，每次转动时按照探测器中心对应的光栅位置来下发。分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置的计算与判定准则如下：

1)如果S

其中，T为相邻两段的光栅位置间隔，可通过以下方式得到：找一个光源的特征峰，先移动光栅电机至T

2)如果S

①前半部分的第i段依次下发的光栅位置为S

②后半部分的第i段依次下发的光栅位置为S

③满足①、②条件则表明覆盖了整个设置的扫描范围；总的扫描段数为N＝(S

(3)根据第(2)步得到的光栅位置值，光栅电机依次下发光栅位置，并下发电机转动指令，并监测光栅电机是否转到位；这种方式减少了电机启动消耗的时间，扫描速度平均可提高T倍。

(4)等待光栅电机转动到位，阵列探测器进行分段光谱数据采集；

(5)每扫描一段就在坐标系上显示一段，如图5所示，横坐标显示的是实际的扫描波长，显示总的点数从M个增加到M*N个，M为阵列探测器的有效像元数量。则采样分辨率可从λ/M提高到λ/(M*N)，提升了N倍。

在分段显示时，需要计算每段每个像元所对应的波长值；

计算每段波段每个像元所对应的波长值的方法如下：

第i段波段的第j个像元的波长计算示意图如图6所示：

以阵列探测器有效像元的中心位置，即第M/2个像元为基准，M为阵列探测器的有效像元数量，则第j个像元与中心位置的成像夹角为Δα：

其中，f为系统焦距大小，l为阵列探测器上第j个像元到第M/2个像元的距离，j＝1,2,3…,M；

其中，p为阵列探测器的相邻像元间距大小；

当光栅转动Δα角度时，对应的光栅位置转动了ΔS步，从第j个像元到中心位置的光栅位置间隔为：

其中，δ为光栅的角分辨率；

因此，以M/2个像元为基准，分别向两边计算像元对应的波长值，则第i段的第j个像元对应的光栅位置为：

其中，S

结合公式(1)(2)，

λ＝K

θ＝(S-S

其中，λ为波长值，K

可得出第i段的第j个像元对应的波长值λ

(6)重复步骤(2)-(5)，进行分段的光谱数据采集，并进行显示拼接，最终实现覆盖全波段的光谱无缝拼接。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。