CN104729994B

CN104729994B - 用于增强拉曼光谱仪信噪比的方法和装置

Info

Publication number: CN104729994B
Application number: CN201310710438.4A
Authority: CN
Inventors: 刘鸿飞; 蒋龙键; 李俊梅; 毛慧珍; 罗志军; 林佳
Original assignee: Photop Technologies Inc
Current assignee: Photop Technologies Inc
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN104729994A

Abstract

本发明公开了一种增强拉曼光谱仪信噪比的装置，包括主控制器、拉曼激光器、激光器恒流驱动电路、线性CCD、CCD信号处理电路，线性CCD电连接CCD信号处理电路，拉曼激光器电连接激光器恒流驱动电路，主控制器电连接线性CCD、CCD信号处理电路和激光器恒流驱动电路，主控制器接收外部命令信号，并控制电连接的部件。还有一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法。采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制和软件算法的修订，在使用低成本CCD的拉曼光谱仪，获得高信噪比信号，而且不需要增加任何硬件成本，可以明显地降低拉曼光谱仪的成本。

Description

用于增强拉曼光谱仪信噪比的方法和装置

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的方法和装置。

背景技术

拉曼光谱可以提供简单、快速、可重复且无损伤的定性定量物质分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤对物质进行测量分析。随着应用领域的不断扩展，拉曼光谱仪开始走入家庭，要进一步拓展拉曼光谱仪的应用领域，拉曼光谱仪的成本必须尽可能地降低。

由于拉曼散射光非常微弱，为了获得比较好的信噪比，以达到更好的最低检测限，拉曼光谱仪需要采用高性能的背照式CCD。但是由于背照式CCD成本过高，不利于设计低成本的拉曼光谱仪和拉曼光谱仪的推广。市场上的廉价CCD，如Sony产的ILX511、东芝产的TCD1304，其动态范围只有267和300，超过其动态范围的部分，则体现为非线性，即电信号增长幅度小于光强增加幅度，300左右的动态范围，无法满足拉曼光谱仪的信噪比测量要求。由于低价CCD的动态范围有限，即使采用延长积分时间的方法，受CCD自有的暗电流、噪声等因素的限制，也无法获得高信噪比的拉曼光谱信号，从而也就无法实现痕量物质测量。

发明内容

本发明提供，采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制和软件算法的修订，可以使低成本拉曼光谱仪获得较高的拉曼信号信噪比。克服了上述技术中存在的产品稳定性和可靠性差、生产制作难度大等问题，以满足高功率光纤激光器和高功率光纤放大器的需求。

本发明采用以下技术方案来实现：一种增强拉曼光谱仪信噪比的装置，包括主控制器、拉曼激光器、激光器恒流驱动电路、线性CCD、CCD信号处理电路，所述线性CCD电连接CCD信号处理电路，所述拉曼激光器电连接激光器恒流驱动电路，所述主控制器电连接线性CCD、CCD信号处理电路和激光器恒流驱动电路，主控制器接收外部命令信号，并控制电连接的部件。

优选的，还包括TEC温控电路，其中包括TEC和TEC驱动电路，所述主控制器电连接TEC驱动电路，TEC驱动电路电连接TEC，TEC贴在线性CCD和拉曼激光器上。

优选的，所述CCD信号处理器包括驱动电路和信号采集电路。

优选的，所述主控制器为FPGA、DSP或MCU。

进一步的，所述信号采集电路为直接信号电压采样电路或相关双采样电路，所述驱动电路包括三极管。

更进一步的，信号采集电路为相关双采样电路AD80066。

一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法，包括如下步骤：

步骤1：主控制器接收用户设定的积分时间T、激光功率W；

步骤2：主控制器控制CCD清理残留光生电荷；

步骤3：进行拉曼信号强度预扫描，确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t；

步骤4：分别进行n次欠饱和曝光，并分别收集CCD信号数据，保存在寄存器组中，前n-1次曝光时间为0.5×k秒，最后一次曝光时间为T-0.5×k秒；

步骤5：将n次欠饱和曝光的CCD信号数据进行累加，从而得到了整个拉曼光谱信号。

优选的，在步骤3中，所述确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t,包括：开启激光器0.5S后，关闭激光器，采集CCD数据，判断CCD采集到的最大信号幅度a，并以CCD饱和电压的70%除以信号幅度a,得到k，则CCD每次曝光的时间为t=0.5×k秒；欠饱和曝光次数n=[T/t]+1。如此，可以避开CCD的非线性区域，得到与光谱信号强度成比例的拉曼电信号。

本发明的有益效果是，采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制和软件算法的修订，在使用低成本CCD的拉曼光谱仪，获得高信噪比信号，而且不需要增加任何硬件成本，可以明显地降低拉曼光谱仪的成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的具体实施例示意图；

图3是本发明具体实施例中CCD信号采样电路示意图；

图4是本发明中拉曼激光器恒流驱动电路示意图；

图5是本发明中TEC温控电路的应用实例；

图6是本发明中方法实施例的工作流程图；

图7是本发明方法实施例中拉曼信号强度预扫描的工作流程图；

附图标号说明：1、线性CCD；2、CCD信号处理电路；3、主控制器；4、拉曼激光器；5、激光器恒流驱动电路；21、驱动电路；22、信号采集电路；221、相关双采样电路；61、TEC驱动电路；62、TEC；301、连接线；302、连接线；303、连接线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，为本发明的结构示意图，一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的装置，包括主控制器3、拉曼激光器4、激光器恒流驱动电路5、线性CCD1、CCD信号处理电路2，线性CCD1电连接CCD信号处理电路2，拉曼激光器4电连接激光器恒流驱动电路5，主控制器3电连接线性CCD1、CCD信号处理电路2和激光器恒流驱动电路5，主控制器3接收外部命令信号，并控制电连接的部件。

如图2所示，是本发明的一个具体实施例。TEC温控电路包括TEC62和TEC驱动电路61，主控制器电连接TEC驱动电路61，TEC驱动电路61电连接TEC62，TEC62贴在线性CCD1和拉曼激光器5上。CCD信号处理器2包括驱动电路21和信号采集电路22。低成本线性CCD1，可采用索尼ILX511、东芝TCD1304等，信号采集电路22可以为直接信号电压采样，也可以为相关双采样电路；拉曼激光器4采用785nm窄线宽激光器。主控制器3接收到来自计算机的采集信号命令后，控制线性CCD1清理其内部残留光生电荷，再控制激光器恒流驱动电路5，驱动拉曼激光器4输出指定功率的激光。

图3是本发明CCD信号采样电路的示意图。信号采样电路22采用16bit相关双采样电路AD80066221，连接线301与连接线302连接主控制器3与相关双采样电路221，其中连接线301主要用来将采样电路221采集到的数据传送给主控制器3，而连接线302的作用为主控制器对采样电路221的控制线；连接线303为主控制器3与线性CCD1之间的连接线。线性CCD1输出的电压信号微弱，容易受干扰，再加上CCD的输出阻抗较大，不足以驱动相关双采样电路221，所以在驱动电路21中采用Q1为三极管，用来对线性CCD1的输出电压进行放大，使之能够驱动相关双采样电路221。相关双采样电路221采集到的光谱信号，传送给主控制器3；主控制器3，通过控制信号线302控制CCD进行清除残留电荷、曝光时间等动作。

图4为本专利实施例中拉曼激光器恒流驱动电路的示意图；拉曼激光器输出功率的稳定性，对拉曼测试结果的一致性非常重要，因此需要进行恒流、恒温控制。采用负反馈恒流输出电流，可以对拉曼激光器进行恒流控制，其大概工作原理如下：U2A和U2B为双通道运算放大器的两个通道运放，U2A工作在负反馈状态，U2B工作在电压放大状态，构建成差分电压放大器。该电流正常工作时，可以将拉曼激光器的工作电流控制为：

其中，DAC785为DAC输出的控制电压。由于R91、R93、R96在设计时，均已确定，因此，可以通过调节DAC785来确定拉曼激光器的工作电流。

图5为本发明实施例中TEC温度控制电路的示意图；该电路主要通过ADN8831来实现。

本发明的操作过程如下：激光开启0.5秒后，关闭；主控制器3通过驱动电路和信号采集电路22采集CCD数据，并在主控制器3中进行计算，确定采集到的CCD最大信号幅度、曝光时间、欠饱和曝光次数等数据；主控制器3根据计算的结果，进行多次欠饱和曝光，并分别收集CCD信号数据，保存在主控制器3的内存中，主控制器3将所有欠饱和曝光的CCD信号数据进行累加，从而得到整个实现的拉曼光谱信号。

本发明还提供了一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的方法，如图6所示，包括如下步骤：

步骤1：主控制器接收用户设定的积分时间T、激光功率W；

步骤2：主控制器控制CCD清理残留光生电荷；

如图7所示，在步骤3中，确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t,包括：开启激光器0.5S后，关闭激光器，采集CCD数据，判断CCD采集到的最大信号幅度a，并以CCD饱和电压的70%除以信号幅度a,得到k，则CCD每次曝光的时间为t=0.5×k秒；欠饱和曝光次数n=[T/t]+1。如此，可以避开CCD的非线性区域，得到与光谱信号强度成比例的拉曼电信号。

如此，可以避开CCD的非线性区域，得到与光谱信号强度成比例的拉曼电信号。比如，总共积分时间为20s，分为4段时间来进行分别积分，得到4个光谱信号，每段积分时间为5s，然后将这4次光谱信号相加，得到完整的拉曼光谱信号。由于n次光谱信号相加，噪声的幅度增加为而信号幅度为S₁+S₂+…+S_n，则信噪比为假设这n次光谱信号完全相同，信号为S，噪声为N（多次测量的白噪声，不相关），则信噪比为即信噪比增加了倍。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims

1.一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：主控制器接收用户设定的积分时间T、激光功率W；

步骤2：主控制器控制CCD清理残留光生电荷；

步骤3：进行拉曼信号强度预扫描，确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t，包括：开启激光器0.5S后，关闭激光器，采集CCD数据，判断CCD采集到的最大信号幅度a，并以CCD饱和电压的70%除以信号幅度a，得到k；

2.如权利要求1所述的一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法，其特征在于，在步骤3中，所述CCD每次曝光的时间为t=0.5×k秒；欠饱和曝光次数n=[T/t]+1。