CN104198462A - 一种带定位功能的拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带定位功能的拉曼光谱仪，包括拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探测模块、主控单元以及定位模块，具有高精度、高分辨率的拉曼光谱探测能力；拉曼探头的激光输入端与拉曼激光光源连接，拉曼探头的激光输出端与分光系统连接；分光系统输出的光信号经光电探测模块进入到主控单元中；主控单元对光电探测模块采集到的拉曼信号进行处理，将采集到的拉曼数据与数据库中的拉曼数据进行对比，分析探测结果。本发明在拉曼光谱仪设计中集成定位技术，提供一种能同步完成时间、设备信息、采集对象、分析结果以及地理位置信息的便携式/手持式拉曼光谱仪，提高拉曼光谱仪系统的适用性与探测效率，保证数据信息的完整性。

Description

一种带定位功能的拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及一种具有定位功能的拉曼光谱仪，尤其涉及室外采集分析、野外探测以及空间探测中使用的拉曼光谱仪系统。

背景技术

随着光谱分析技术的快速发展，光谱仪系统得到了广泛的应用。在室外采集分析、野外探测和空间探测的应用中，光谱仪系统是物质探测分析不可或缺的部分。按照光谱仪系统大小可分为车载大型光谱仪设备、便携式光谱仪及手持式光谱仪等；根据系统原理可分为拉曼光谱仪、红外光谱仪、荧光光谱仪和紫外光谱仪等。

拉曼光谱仪的原理是当单色光照射到样品时，分子振动会使入射光发生拉曼频移，且该拉曼频移只与散射分子本身结构有关，与入射光频率无关，具有测试样品非接触性、非破坏性和测量时间短、样品所需量少的优点，适应用于样品无损分析。在分析过程中不会对样品造成化学的、机械的、光化学和热的分解，是分析科学领域的研究热点，被广泛应用于食品安全、医药、文物考古、宝石鉴定和法庭科学等方面。

在室外采集、野外探测和空间探测中，时间、地理位置、设备信息、采样对象和分析结果等内容是测量和探测中重要的组成部分，而传统的拉曼光谱仪系统仅对时间、设备信息、采样对象以及分析结果进行设置处理，而地理位置信息仍需另外采集与记录，存在不能实现实时记录、地理位置信息不具体等问题。因此，迫切需要在拉曼光谱仪系统设计中集成定位功能，并在软件设计中将其与其他测量系统一体化，提高探测的效率，保证数据信息的完整性。

现有文献介绍了拉曼光谱检测技术的基本工作原理，综述了国内外便携式拉曼光谱仪的研究现状，便携式拉曼光谱仪正成为一种可用于现场快速、非接触、无损伤检测的重要工具，可用于爆炸物和化学危险物质的鉴别，但未提及拉曼光谱仪具有定位功能。另外，有文献报道了一种利用拉曼光谱分析技术与表面增强技术的原位检测仪器，并将其应用于北极水质以及沉淀物的检测分析，其中每组测试数据采集后都需要备注测试点的地理位置信息，即测量位置的经纬度。结果表明在野外探测与现场测试中地理位置信息的重要性，但报道中所使用的拉曼光谱仪设备不具有定位功能。因此，研制一种具有定位功能的拉曼光谱仪具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种带定位功能的拉曼光谱仪，拉曼光谱仪系统在保证了拉曼光谱仪高精度、高分辨率的基础上，集成了北斗/GPS定位功能，针对室外采集、野外探测以及空间探测中数据测量需求，将拉曼光谱仪的检测光谱数据与时间、地理位置信息实时结合，保证了光谱测量信息完整性，提高了测量效率。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种带定位功能的拉曼光谱仪，包括拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块、主控单元和定位模块；所述拉曼探头的激光输入端与拉曼激光光源连接，拉曼探头的激光输出端与分光系统连接；所述分光系统输出的光信号经光电探测模块进入到主控单元中；所述主控单元对光电探测模块采集到的拉曼信号进行处理，将采集到的拉曼数据与数据库中的拉曼数据进行对比，分析探测结果；所述定位模块实时完成测量点地理位置信息的获取，并将数据传回主控单元。

进一步，所述光电探测模块包括CCD探测器、用于对CCD探测器进行温度控制的CCD温度控制电路、用于对CCD探测器进行驱动的CCD驱动电路；用于对拉曼信号进行转换的信号调理电路和将信号调理电路输出信号进行A/D转换的A/D转换电路。

进一步，所述主控单元包括FPGA和嵌入式系统，所述FPGA与嵌入式系统通过总线连接；所述FPGA用于对光电探测模块完成时序控制；所述嵌入式系统用于对拉曼信号进行去噪、预处理、矫正和定性定量处理。

进一步，还包括与嵌入式系统连接的激光控制模块，所述激光控制模块用于对拉曼激激光源进行控制。

进一步，还包括与嵌入式系统连接的LCD显示屏、与嵌入式系统连接的触摸屏、与嵌入式系统连接的键盘。

进一步，还包括外壳，所述拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块和主控单元集成在外壳内。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、该具有定位功能的拉曼光谱仪系统在保证了拉曼光谱仪高精度、高分辨率的基础上，集成了北斗/GPS定位功能，针对室外采集、野外探测以及空间探测中数据测量需求，将拉曼光谱仪的检测光谱数据与时间、地理位置信息实时结合，保证了光谱测量信息完整性，提高了测量效率。

2、本发明将所有组成部件集成在外壳内，实现了系统的便携化、小型化；

3、本发明提供一种能同步完成时间、设备信息、采集对象、分析结果以及地理位置信息的便携式/手持式拉曼光谱仪，提高拉曼光谱仪系统的适用性与探测效率，保证数据信息的完整性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的拉曼光谱仪总体结构示意图；

图2是本发明的拉曼光谱仪电气控制图；

图3是本发明的拉曼光谱仪测量、定位流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1、2所示，一种带定位功能的拉曼光谱仪，包括拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块、主控单元和定位模块；所述拉曼探头的激光输入端与拉曼激光光源连接，拉曼探头的激光输出端与分光系统连接；所述分光系统输出的光信号经光电探测模块进入到主控单元中；所述主控单元对光电探测模块采集到的拉曼信号进行处理，将采集到的拉曼数据与数据库中的拉曼数据进行对比，分析探测结果；所述定位模块实时完成测量点地理位置信息的获取，并将数据传回主控单元。

所述拉曼激光光源拉曼光谱仪提供探测光源，通过光路或光纤与拉曼探头连接。所述拉曼激光光源为785nm窄线宽激光光源，其具有0.1nm的光谱线宽，输出功率0-300mW连续可调，该部分也可根据应用场合调整为其它波长或功率范围的激光光源；

所述拉曼探头实现拉曼散射光收集功能，通过光路或光纤与拉曼光谱仪连接。所述拉曼探头为785nm光纤探头。根据具体的需求，拉曼探头可配置不同尺寸与焦距的光学镜头，也可以链接微流控表面增强拉曼芯片系统。

所述光电探测模块包括CCD探测器、用于对CCD探测器进行温度控制的CCD温度控制电路、用于对CCD探测器进行驱动的CCD驱动电路、用于对拉曼信号进行转换的信号调理电路和将信号调理电路输出信号进行A/D转换的A/D转换电路。温度控制通过基于TEC控制设计的温度控制电路实现。信号调理通过低噪声、高灵敏度和宽动态范围的信号调理电路实现。

所述分光系统选用光学长波滤波，采用非对称交叉C-T型光路结构，保证了系统的像面大小与CCD尺寸之间的匹配，使拉曼光谱仪整机具有检测范围宽(150cm^-1-3300cm^-1)、检测精度高(0.6nm)等特点。

所述主控单元包括FPGA和嵌入式系统，所述FPGA与嵌入式系统通过总线连接；所述FPGA用于对光电探测模块完成时序控制，主要包括CCD驱动时序控制，A/D转换时序控制；所述嵌入式系统用于对拉曼信号进行去噪、预处理、矫正和定性定量处理。

在本实施例中，所述定位模块为北斗/GPS定位模块，用于实时完成测量点地理位置信息的获取，该部分也可以是通信SIM卡模块，即通过通信基站定位。

在本实施例中，拉曼光谱仪还包括与嵌入式系统连接的激光控制模块，所述激光控制模块用于对拉曼激激光源进行控制，用于控制激光的输出功率等参数。

在本实施例中，拉曼光谱仪还包括与嵌入式系统连接的LCD显示屏、与嵌入式系统连接的触摸屏、与嵌入式系统连接的键盘。

在本实施例中，拉曼光谱仪还包括外壳，所述拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块和主控单元集成在外壳内，通过整体设计构成便携式/手持式拉曼光谱仪。

如图3所示，本发明在使用时，首先设置测量激光功率，积分时间，制冷温度，测量次数等参数，然后系统会自动进行激光功率输出、光谱采集、CCD制冷、自动循环采集以及自动定位等工作。主控单元对拉曼信号进行去噪、预处理、矫正和定性定量处理，将采集的拉曼光谱数据与数据库中的拉曼光谱数据进行对比，分析探测结果。最后将拉曼光谱数据、分析结果、激光参数、测量时间、地理位置定位信息等打包存储，并发送到显示终端(LCD显示屏)。

本发明在保证了拉曼光谱仪高精度、高分辨率的基础上，集成了北斗/GPS定位功能，针对室外采集、野外探测以及空间探测中数据测量需求，将拉曼光谱仪的检测光谱数据与时间、地理位置信息实时结合，保证了光谱测量信息完整性，提高了测量效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种带定位功能的拉曼光谱仪，其特征在于：包括拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块、主控单元和定位模块；所述拉曼探头的激光输入端与拉曼激光光源连接，拉曼探头的激光输出端与分光系统连接；所述分光系统输出的光信号经光电探测模块进入到主控单元中；所述主控单元对光电探测模块采集到的拉曼信号进行处理，将采集到的拉曼数据与数据库中的拉曼数据进行对比，分析探测结果；所述定位模块实时完成测量点地理位置信息的获取，并将数据传回主控单元。

2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于：所述光电探测模块包括CCD探测器、用于对CCD探测器进行温度控制的CCD温度控制电路、用于对CCD探测器进行驱动的CCD驱动电路；用于对拉曼信号进行转换的信号调理电路和将信号调理电路输出信号进行A/D转换的A/D转换电路。

3.根据权利要求2所述的拉曼光谱仪，其特征在于：所述主控单元包括FPGA和嵌入式系统，所述FPGA与嵌入式系统通过总线连接；所述FPGA用于对光电探测模块完成时序控制；所述嵌入式系统用于对拉曼信号进行去噪、预处理、矫正和定性定量处理。

4.根据权利要求3所述的拉曼光谱仪，其特征在于：还包括与嵌入式系统连接的激光控制模块，所述激光控制模块用于对拉曼激光光源进行控制。

5.根据权利要求3所述的拉曼光谱仪，其特征在于：还包括与嵌入式系统连接的LCD显示屏、与嵌入式系统连接的触摸屏、与嵌入式系统连接的键盘。

6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于：还包括外壳，所述拉曼激光光源、拉曼探头、分光系统、光电探模块和主控单元集成在外壳内。