CN104111114A - 一种光谱测量方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱测量方法、装置和系统，所述光谱测量方法将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值。本发明利用与待测电信号有相同频率的参考信号作为基准，从而可以更为精确地滤掉与其频率不同的噪声，提取出有用信号成分，具有较高的信噪比，同时对于微弱的信号也可以实现准确测量。

Description

一种光谱测量方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体公开了一种对光信号的光谱进行测量的光谱测量方法、装置和系统。

背景技术

光谱是光信号的辐射强度随波长(频率)的分布，其反应了光源的构成物质和其他的一些特性。我们今天所掌握的有关原子和分子结构方面的知识绝大部分都来自光谱的研究。在电磁辐射和物质相互作用时能观察到吸收或发射光谱，它们从多方面提供了原子和分子结构和它们与周围环境相互作用的信息。因此，光谱的观察在科学研究和生产生活中有着十分重要的意义。比较常用的光谱测量方法是使用光栅光谱仪，以光电二极管或光电倍增管作为光电探测器，有些光谱仪自带模数转换模块，可以直接将待测信号转换为数字信号，利用计算机对光谱仪进行扫描控制以及光谱显示。也有利用光栅光谱仪、光学斩波器和锁相放大器实现的光谱测量方案，使用光电二极管作为探测器，通过计算机控制光谱仪扫描、锁相放大器测量，从而得到光谱曲线。因此，在光谱测量过程中，对光谱的频率和相位的测量具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光谱测量方法、装置和系统。

为此，本发明采用的技术方案如下：

一种光谱测量方法，包括：将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值。

作为一种优选的技术方案，所述待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。

作为一种优选的技术方案，根据双相锁相方法计算出待测数字信号的幅值，或者待测数字信号的幅值和待测数字信号与参考信号之间的相位差。

一种光谱测量装置，包括：信号产生模块，将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；信号处理模块，用于将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；计算模块，用于根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值。

作为一种优选的技术方案，所述待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。

作为一种优选的技术方案，根据双相锁相方法计算出待测数字信号的幅值，或者待测数字信号的幅值和待测数字信号与参考信号之间的相位差。

一种光谱测量系统，包括光路模块和锁相放大模块，其中：

所述光路模块包含有光学斩波器，待测光信号经过所述光学斩波器中进行斩波处理；

所述处理模块包括用于输出与所述待测电信号相同频率的参考信号的斩波控制器和相敏检测器，所述相敏检测器包括乘法器和第一滤波器，所述乘法器的输入端连接所述光路模块和斩波控制器，输出端与所述第一滤波器连接。

作为一种优选的技术方案，所述光路模块还依次包括入射狭缝、反射镜、第一球面镜、平面衍射光栅，然后经第二球面镜聚焦于一CCD上。

作为一种优选的技术方案，所述锁相放大模块还依次包括放大模块、第二滤波器、模数转换模块和控制器，所述控制器还分别与FIFO的输入和输出端连接，以及与缓存器连接。

作为一种优选的技术方案，还包括显示模块，所述显示模块与所述控制器连接。

与现有技术相比，本发明利用与待测电信号有相同频率的参考信号作为基准，从而可以更为精确地滤掉与其频率不同的噪声，提取出有用信号成分，具有较高的信噪比，同时对于微弱的信号也可以实现准确测量。

附图说明

图1是本发明所述一种光谱测量方法一实施方式的流程图；

图2是图1示出的实施方式中待测数字信号的示意图；

图3是本发明所述一种光谱测量装置一实施方式的结构示意图；

图4是本发明所述一种光谱测量系统一实施方式的结构示意图；

图5是图4是中对CCD串行输出结果进行AD转换、并行存储和处理的示意图；

图6是利用本发明的实施方式光谱测量方法测得的汞灯光谱；

图中：

200：光谱测量装置；201：信号产生模块；202：信号处理模块；203：计算模块；300：光谱测量系统；310：光路模块；311：光学斩波器；312：入射狭缝；313：反射镜；314：第一球面镜；315：平面衍射光栅；316：第二球面镜；317：CCD；318：挡光板；319：斩波控制器；320：锁相放大模块；321：放大模块；322：第二滤波器；323：模数转换模块；324：控制器；325：SDRAM；330：显示模块。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的若干实施方式做进一步说明。

参见图1，图1是本发明所述一种光谱测量方法一实施方式的流程图。在图1示出的实施方式中，该光谱测量方法包括：

S101：将待测光信号通过光学斩波器斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；

S102：将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行低通滤波处理得到第一信号；

S103：根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值和与所述参考信号的相位差。

下面详细论述该实施方式涉及的光谱测量方法。

理想的方波信号在一个周期内的解析式为：

$S_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& -\frac{T}{2}\&le;t<0\\ A_{\mathrm{in}}& 0\&le;t\&le;\frac{T}{2}\end{array}\right.$

其中A_in为方波信号的峰峰值，T为方波信号的一个周期长度。

方波信号的傅里叶级数展开式为：

$S_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{{2A}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{\&pi;}}\{\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{3}\sin \left(3{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...+\frac{1}{n}\sin \left(n{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...\}$

其中ω₀为方波信号的频率，n为奇数，即方波信号的傅里叶级数展开式含有1、3、5、……等奇次谐波分量。

其中，ω₀与T有如下关系：

${\mathrm{\&omega;}}_0=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{T}$

待测光信号经过光学斩波器进行斩波处理，在一些优选实施方式中，待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。斩波后的待测光信号经转换成待测电信号，然后转换处理得到待测数字信号，其等效于一个理想的方波叠加上一定的噪声，如图2所示。该待测数字信号S_in(t)可以表示为：

$S_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{{2A}_{\mathrm{in}}}{\mathrm{\&pi;}}\{\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{3}\sin \left(3{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...+\frac{1}{n}\sin \left(n{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...\}+N\left(t\right)$

其中，N(t)表示叠加的噪声。

在步骤S101中，还需要产生与待测电信号的斩波频率相同的参考信号，例如通过与光学斩波器连接的斩波控制器319来产生该参考信号。为了能够更为准确得到测量结果，斩波控制器319应该被准确地控制和反馈斩波频率，得到的参考信号才有可能与被测数字信号严格同步。

在步骤S102中，可以通过相敏检测器(PSD，Phase Sensitive Demodulator)进行相乘处理和低通滤波，其基本模块包含一个将输入信号与参考信号相乘的乘法模块和一个对相乘结果进行低通滤波的滤波器模块。

与输入的待测数字信号有固定频率关系的参考信号S_ref(t)：

S_ref(t)＝A_refsin(ω₀t+θ)

将待测数字信号S_in(t)与参考信号S_ref(t)同时输入PSD模块进行乘法处理，得到的输出信号S_PSD(t)为：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{PSD}}\left(t\right)=S_{\mathrm{in}}\left(t\right)S_{\mathrm{ref}}\left(t\right)\\ =\frac{{2A}_{\mathrm{in}}{A}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\&pi;}}\{\sin \left({\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{3}\sin \left({3\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...\\ +\frac{1}{n}\sin \left(n{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...\}\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&theta;})\\ =\frac{A_{\mathrm{in}}{A}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\&pi;}}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)+\frac{A_{\mathrm{in}}{A}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\&pi;}}\cos (2{\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&theta;})\\ +\frac{2A_{\mathrm{in}}{A}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\&pi;}}\{\frac{1}{3}\sin \left(3{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...+\frac{1}{n}\sin \left(n{\mathrm{\&omega;}}_{0}t\right)+...\}\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&theta;})\\ +N\left(t\right)A_{\mathrm{ref}}\sin ({\mathrm{\&omega;}}_{0}t+\mathrm{\&theta;})\end{array}$

将上述输出信号S_PSD(t)通入低通滤波器可以得到其直流部分的第一信号S_out为：

$S_{\mathrm{out}}=\frac{A_{\mathrm{in}}{A}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\&pi;}}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)$

利用双相锁相放大原理，得到X＝S_out1和Y＝S_out2，则可以计算出不依赖于相位差的输出幅值(即待测数字信号的幅值)：

$R=\frac{\mathrm{\&pi;}\sqrt{X^2+Y^2}}{A_{\mathrm{ref}}}=A_{\mathrm{in}}$

参考信号与待测数字信号之间的相位差可以由下式得到：

$\mathrm{\&theta;}={\tan }^{-1}\left(\frac{Y}{X}\right)$

参见图3，图3是本发明所述一种光谱测量装置200一实施方式的结构示意图。在图3示出的实施方式中，该装置包括：信号产生模块201，将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号。信号处理模块202，用于将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；计算模块203，用于根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值，或待测数字信号的幅值和与所述参考信号的相位差。

在一些优选实施方式中，所述待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。其中，计算模块203中根据双相锁相方法计算出待测数字信号的幅值，或者待测数字信号的幅值和待测数字信号与参考信号之间的相位差。由于该光谱测量装置的实现原理与光谱测量方法相同，此处不再进行赘述。

参见图4，图4是本发明所述一种光谱测量系统300一实施方式的结构示意图。在图4示出的实施方式中，该结构的光谱测量系统300，包括光路模块310和锁相放大模块320，其中：

所述光路模块310包含有光学斩波器311，待测光信号经过所述光学斩波器311中进行斩波后输出；

所述处理模块包括用于输出与所述待测电信号相同频率的参考信号的斩波控制器319，以及相敏检测器，所述相敏检测器包括乘法器和低通滤波器，所述乘法器的输入端连接所述光路模块310和斩波控制器319，输出端与所述第一滤波器连接，其中，第一滤波器可以是低通滤波器，用于根据实际需要滤除高频信号。

在图4示出的实施方式中，所述光路模块310以待测光信号通过次序还包括入射狭缝312、反射镜313、第一球面镜314、平面衍射光栅315，然后经第二球面镜316聚焦于一CCD317上，此外，还优选包括一挡光板318。光信号通过光学斩波器311进行斩波处理得到待测光信号，待测光信号依次通过入射狭缝312、反射镜313和第一球面镜314，投射到反射式的平面衍射光栅315上，平面衍射光栅315将待测光信号进行衍射分光，第二球面镜316将接收到的待测光信号聚焦在线阵CCD317上，其中CCD317是指电荷耦合元件，也可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

在图4示出的实施方式中，所述锁相放大模块320还依次包括放大模块321、第二滤波器322、模数转换模块323和控制器324，所述控制器324还分别与FIFO的输入和输出端连接，以及与缓存器连接。控制器324通过CCD驱动总线对CCD317进行驱动，按照一定的时序把CCD317上每个像素点的信号依次串行输出。如图5所示，按照像素点pix1、pix2到pixN的顺序将信号串行输出。在实际应用中，控制器324可以使用多种手段实现，例如可以是可编程逻辑器件FPGA，并且可以将所述相敏检测器在该控制器324中实现集成。其中，放大模块321优选为低噪声放大模块，第二滤波器322优选为抗混叠滤波器

相敏检测器对CCD317进行光电转换得到的电信号进行相关处理。放大模块321对该电信号进行适当地放大和噪声处理，再经过抗混叠滤波器322和模数转换处理器ADC实现模数转换得到待测数字信号。如图5所示，CCD317中N个像素点的串行输出电信号输入到模数转换处理器ADC，控制器324可以采用FIFO接收AD转换的结果进行缓存，然后从FIFO中将得到的串行数据按照一定的时序转换为并行数据，并保存在存储器SDRAM325中。控制器324从存储器SDRAM325中读取CCD317上每个像素点对应的数据，如图5所示，按照t0、t1到tM的时间顺序，结合在斩波控制器319提供的参考信号以及锁相环PLL的信号，利用相敏检测算法和数字锁相环算法对数据进行并行运算处理，即可得到每个像素点的电压幅度。

在图4示出的实施方式中，该光谱测量系统300还包括显示模块330，所述显示模块330与所述控制器324连接。显示模块330可以是一台计算机、膝上电脑、平板电脑、移动终端中的一种，可以通过USB通信模块与控制器324进行通信。对得到的每个像素点的电压幅度进行整理绘图，即可得到待测光信号的光谱图。对该光谱图进行波长定标和光强定标，则可以得到完整的待测光信号的光谱图。如图6所示，该光谱图是利用本发明的基于锁相放大技术的光谱测量方法测得的汞灯光谱图，该光谱图已经进行了波长定标，而光强取得是相对值。

在上述方法、装置或系统的实施方式中，光学斩波器311的斩波叶轮的占空比定义为待测光信号通过的时间与斩波周期的比值，斩波周期为光信号通过的时间与被阻挡的时间之和。根据实际测量的需要可以选择不同叶数的斩波叶轮，以及不同占空比的斩波叶轮。需要明确的是，输入的光信号通过的时间和被阻挡的时间优选是CCD317帧输出周期的整数倍，CCD317帧输出周期定义为所有像素点的信号完全输出所需要的时间，输入的光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值优选为其中n取大于1的整数。入射狭缝312的宽度和斩波频率会影响测量的精确度，提高斩波频率有助于避开环境噪声或敏感信号的影响，提高精确度，但对CCD317的灵敏度有更高的要求。

在上述的若干实施方式中，利用与待测电信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分，可以有效地去除CCD317固有的固定图形噪声和随机噪声，具有较高的信噪比，同时对于微弱的信号也可以实现准确测量。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (10)

1.一种光谱测量方法，其特征在于包括以下步骤：

将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；

将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；

根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值。

2.如权利要求1所述的一种光谱测量方法，其特征在于：所述待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。

3.如权利要求2所述的一种光谱测量方法，其特征在于：根据双相锁相方法计算出待测数字信号的幅值，或者待测数字信号的幅值和待测数字信号与参考信号之间的相位差。

4.一种光谱测量装置，其特征在于包括：

信号产生模块，将待测光信号通过光学斩波器进行斩波处理后，转换为待测电信号，进一步转换为待测数字信号，以及，通过斩波控制器产生与所述待测电信号频率相同的参考信号；

信号处理模块，用于将所述待测数字信号与参考信号相乘处理后，将相乘处理后的信号进行滤波得到第一信号；

计算模块，用于根据所述第一信号计算待测数字信号的幅值。

5.如权利要求4所述的一种光谱测量装置，其特征在于：所述待测光信号被阻挡的时间与通过的时间的比值为其中n取大于1的整数。

6.如权利要求5所述的一种光谱测量装置，其特征在于：根据双相锁相方法计算出待测数字信号的幅值，或者待测数字信号的幅值和待测数字信号与参考信号之间的相位差。

7.一种光谱测量系统，其特征在于：包括光路模块和锁相放大模块，其中：

所述光路模块包含有光学斩波器，待测光信号经过所述光学斩波器中进行斩波处理；

所述处理模块包括用于输出与所述待测电信号相同频率的参考信号的斩波控制器和相敏检测器，所述相敏检测器包括乘法器和第一滤波器，所述乘法器的输入端连接所述光路模块和斩波控制器，输出端与所述第一滤波器连接。

8.如权利要求7所述的一种光谱测量系统，其特征在于：所述光路模块还依次包括入射狭缝、反射镜、第一球面镜、平面衍射光栅，然后经第二球面镜聚焦于一CCD上。

9.如权利要求7或8所述的一种光谱测量系统，其特征在于：所述锁相放大模块还依次包括放大模块、第二滤波器、模数转换模块和控制器，所述控制器还分别与FIFO的输入和输出端连接，以及与缓存器连接。

10.如权利要求9所述的一种光谱测量系统，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块与所述控制器连接。