CN109946264A - 一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，属于太赫兹时域光谱技术领域。本发明所述方法：采用LabVIEW软件搭接的光谱测量显示平台。平台外部连接的是时域光谱仪包括光学延迟线系统，光电探测器模块。主成分分析法(PCA)作为一种通过正交变换将高维的光谱信息降维，然后识别物质种类的方法，在光谱数据处理方面有着显著效果。利用PCA识别样品特征光谱，调用MATLAB COM Builder将该方法的主程序写入com组件，然后输入到光谱测量显示平台，当识别到样品的光谱信号，平台自动结束测量并保存源文件。本发明与现有技术相比，解决了太赫兹扫描阶段无效时间较长的问题，增加了自动识别和自动终止任务的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LabVIEW与主成分分析的光谱分析自动控制方法，属于太赫兹时域光谱技术领域。
背景领域
目前太赫兹时域光谱技术已经逐渐走向市场，所以我们在时域光谱系统的软硬件方面都需要大规模升级。比如，时域光谱系统趋向于小型化，飞秒激光器系统开始向集成化迈进，光谱仪的光路结构更加完善。一种小型化时域光谱仪发明出来(申请号：CN201810275830.3)，采用光纤激光器，优化第一透镜使其在被测物质上，光路稳定，聚焦准确。近年时域光谱系统为了进入市场，必须使系统能应对不同情况，不同材料构成的目标样品，在技术层面做出改进，包括远程控制，像有一种便携式光谱仪的远程调控装置(申请号：CN201810240113.7)开发出来，能够实时测量反馈到光谱仪的故障信息。曹贤贵等人利用LabVIEW和锁相放大器开发出一种激光功率测量系统。用来降低激光噪声对光学实验的影响，采用了锁相放大器配合光学斩波器进行降噪，依靠LabVIEW平台将上述功能集成为自动化软件系统，实现了实验操作和数据记录的自动化，极大地简化了操作流程。计算机控制端趋向于人工智能。诸如基于凸组合核函数的主成分分析法用于光谱特征提取(申请号：CN201510708560.7)。首先获取时域观测信号，然后对频谱曲线进行三次样条差值，截取可比的相同频率范围内数据进行重采样，完成数据归一化处理；对预处理完成的样本进行凸组合核函数映射，对映射后的基函数矩阵进行降维，最终实现太赫兹光谱特征提取。相较于激光器的改进难度较高，计算机控制端因为软硬结合的特点和人工智能算法的普及应用，其发展速度必然是太赫兹时域光谱系统各技术部分中最快的。目前根据在实际的光谱处理方面，更多注重于对一些成分光谱的降维分析，忽视了实时的光谱采集和分析。
发明内容
本发明提供了一种基于LabVIEW与主成分分析的光谱分析自动控制方法，以用于解决光谱测量无效时长冗余，人工操作复杂等现象。增加了智能化、快速化优势。
本发明采用的技术方案是：一种基于LabVIEW与主成分分析的光谱分析自动控制方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤一，搭建LabVIEW太赫兹光谱测量分析控制平台，它由多态vi、主程序面板、前面板构成，主程序面板包括波形显示、嵌套锁相SR830和延迟线平移台ESP300系统的子vi，LabVIEW软件中的GPIO接口连接外部硬件光谱仪，光谱仪包括光电转换器、通信I/O口、光电探测模块，光谱仪通信I/O口中的RS232与光电探测模块相接；
步骤二，在光谱测量分析控制平台设计幅值分析控件vi和频谱分析控件vi以及相位控件vi多态vi，在前面板建立串口管理库LLB，串口管理库LLB包含串口读写，串口初级读写，串口初始化的子vi程序；幅值分析控件vi有文件生成vi、文件读取vi、扫描时间百分比vi、数组转换vi、时域转频域vi；频谱分析控件vi和相位控件vi作为子vi集成与数据处理vi；
步骤三，在光谱测量分析控制平台的程序框图中嵌套ESP300系统的子vi，ESP300系统是一种微位移平移台，作为光学延迟线系统的底盘；ESP300系统的通信接口采用的是GPIB，驱动部分采用SMC100单轴步进电机，步进电机与光谱测量分析控制平台的GPIO数据接口相连，并且给步进电机单独建立LLB管理库；整个系统用来调节透射光和探测光的光程，使其相等；
步骤四，在光谱测量分析控制平台的程序框图中接入锁相放大器vi，锁相放大器采用美国的SR830，外部接口为输入输出子vi和com组件vi；
步骤五，建立用户文件夹user.lib，管理主控件面板的com组件、数据处理vi、频谱分析vi、ESP300系统的vi和SMC100单轴步进电机控制LLB管理库；
步骤六，打开MATLAB，编写用来识别样品光谱的PCA脚本文件，加入条件结构与定时程序，每隔1min调用PCA脚本识别数组，如果测得样品光谱，终止LabVIEW主控件的扫描测量，如果没有样品光谱信息，继续扫描，依次循环；
步骤七，在LabVIEW的平台主程序框图中加入与MATLAB相连的节点COM，将主成分分析法PCA提前编译成m文件，将m文件生成扩展文件.dll写入节点COM中，然后在LabVIEW中调用该组件，在程序中通过Math Script Node实时获取太赫兹信号；
步骤八，搭建空气激发-探测太赫兹时域光谱仪，根据四阶混频理论和相干偏置检测器，采用先分光再激发太赫兹的光路设计；
从入光口进来波长800nm，脉宽15fs的超短脉冲激光，通过沃拉斯顿镜分光，产生两束能量不同的光，分别是透射光和探测光，其中，透射光的能量占70％，探测光的能量占30％，两束光都要穿过硅片和BBO晶体(非线性光学晶体)，其中硅片用于过滤可见光，BBO晶体用于激发空气，最后生成超短太赫兹脉冲；
步骤九，光谱仪开始采集样品，进入探测器的太赫兹脉冲进入空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，将太赫兹信号转换成电信号；利用RS232串口传输至光谱测量控制端，同时透射样品的那束太赫兹脉冲也会进入光电探测器转换电信号传输至光谱测量控制端；光谱测量控制端每接收1min的数据，就会被识别是否为样品的特征信号；一旦测到样品信号，即刻停止扫描自动保存光谱文件；
步骤十，测量目标样品：点击前面板提前设置的布尔按钮，即可实现一键采集太赫兹信号，此时用户管理库的字vi库：常用功能vi，串口通信vi，归一化vi，数组vi同时工作，不需要用户自己调整测量参数，延迟线系统的运动平台ESP300会因为太赫兹信号透过样品，与探测光产生一定的光程差，且光程差会不断变化，其位置显示会实时更新。
具体地，所述步骤八中的时域光谱仪光路采用先分光后激发，在透射样品处和探测器内部分别引入飞秒激光，在透射光透射样品之前放置BBO晶体，在光电探测器内部放置BBO晶体，光谱仪内部的光电探测器采用空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，用于检测等离子体中的二次谐波，内部有光电倍增管PMT，通过PMT输出一系列电流尖峰，电流尖峰被馈入一个电流前置放大器，该放大器将信号放大并滤波成缓慢变化的电压信号，探测器电源5V DC，可检测的光谱范围：0.1-30THz；频域DNR：60dB(典型值)，最大70分贝；时域DNR：70dB(典型值)，最大80分贝；工作温度：15℃至35℃。
具体地，所述步骤九中光谱仪开始采集样品时一键连接端口：在光谱测量分析控制平台点击com口，找到总接口端点，即连接各个外部串口包括锁相、延迟线、数据采集，之后点击“自定义位置”即开始初始化，延迟线自动调节至39.3mm处，此时在没有样品情况下，探测光和透射光光程相等。
具体地，所述步骤六中测得样品光谱后，样品信号会在前面板显示，主控件可以显示样品信号的三种波形包括幅值波形，频谱波形，相位波形，其中的频谱波形和相位波形要通过频谱分析vi中的傅里叶变换，此函数集成在频谱分析vi。
具体地，所述步骤七中在加载样品的太赫兹信号同时，基于PCA特征识别的MATLABCOM组件也在定时接收数据，其中每隔1min，光谱数据以TXT文本形式传输到组件中，进行光谱分析，加入主成分分析法与终止扫描程序的MATLAB脚本文件可以不间断地获得光谱文件并且能够保存。
本发明的有益效果是：采用LabVIEW软件和PCA光谱识别搭接的光谱测量显示平台，用来采集，控制和显示时域光谱仪所反馈出来的光谱信息，其中时域光谱仪包括光学延迟线系统，通信接口I/O，光电探测器模块，太赫兹透射模块；根据光谱仪的入光口进入的800nm飞秒光源，功率为2.5W左右红色激光经分光镜分出两路光源，一路透射光(功率大约为分光前的70％)对样品透射，一路探测光(功率占原来的30％)进入光电探测器，延迟线系统负责调节两路光程相等。当太赫兹透射样品过后，利用光电探测器和通信I/O口将光谱数据传送到计算机后端，由光谱测量显示平台采集，显示和控制，同时调用MATLAB COMBuilder将编译好的主成分分析法(PCA)终止扫描的脚本文件通过com组件输入光谱测量显示平台，当识别到样品的光谱信号之时，自动结束测量并保存源文件。本发明与现有技术相比，解决了太赫兹透射阶段存在的无效时间较长，增加了自动检测识别太赫兹特征光谱，即时保存光谱文件并且终止任务的功能。
本发明与现有技术相比，主要解决了光谱测量无效时长冗余，人工操作复杂等现象。增加了智能化、快速化优势。
附图说明
图1是本发明总的流程图；
图2是本发明的硬件系统图；
图3是实施例中自动控制测量缅甸玉光谱详细流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：如图1-3所示，一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱测量分析自动控制方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤一，搭建LabVIEW太赫兹光谱测量分析控制平台；
它由多态vi(vi：英文全称为virtual instrument，相当于C语言的函数或者子程序包)和主程序面板构成，主程序面板包括波形显示面板的主控件，嵌套锁相SR830和延迟线平移台ESP300系统的子vi。连接外部硬件光电转换器和通信I/O口。RS232与光电探测模块相接。
步骤二，在主控件面板设计幅值分析控件vi和频谱分析控件vi以及相位控件vi等多态vi，在前面板建立串口管理库LLB包含串口读写；
串口初级读写，串口初始化的子vi程序。幅值分析控件有文件生成vi、文件读取vi、扫描时间百分比vi、数组转换vi、时域转频域vi。频谱分析控件vi和相位控件vi作为子vi集成与数据处理vi。
步骤三，在主控件面板的程序框图中嵌套ESP300系统的子vi，ESP300系统是一种微位移平移台，作为光学延迟线系统的底盘；
ESP300的通信接口接上GPIB，驱动部分采用SMC100单轴步进电机，步进电机与主控件的GPIO数据接口相连并单独建立LLB管理库。整个系统用来调节两束光(透射光和探测光)的光程使其相等。
步骤四，在主控件面板的程序框图中接入锁相放大器vi；
锁相放大器采用美国的SR830，外部接口为输入输出子vi和com组件vi，锁相放大器预置参数为1kHz，USB的波特率为9200bd。
步骤五，建立用户文件夹user.lib；
管理主控件面板的com组件、串口通信vi、通用功能vi、数据处理vi、频谱分析vi、ESP300系统的vi和SMC100单轴步进电机控制LLB管理库。
步骤六，打开MATLAB；
编写用来识别样品光谱的PCA脚本文件，加入条件结构。PCA对于样品的主成分分析部分公式如下：
采集总体X的协方差矩阵Σ或相关系数矩阵R一般都是未知的，需要通过样本进行估计，设x1，x2，…，xn是均值向量μ、协方差Σ的p维总体中n个独立的抽样。取观测值矩阵为X：
其中，为均值向量μ的平均值，sij为协方差矩阵的值，样本协方差矩阵：
样本相关系数矩阵R′为：
这里将S作为∑的估计，R′作为R的估计，从S或R′求样品主成分，设λ′1≥λ′2≥λ′3≥…≥λ′p≥0为S的p个特征值，t′1，t′2，t′3，...，t′p为特征值对应的正交单位特征向量，样本p个主成分为y′i＝t′ix，i＝1，2，...，p，这时将样品xi观测值代入第j个主成分，称得到值y′ij＝t′ixi(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，p)。
将样品的主成分与总体对比分析，两者性质类似：
样品总方差：
第k个主成分的贡献率为：
前m个主成分的贡献率为：
第i个主成分y′i与变量xk的相关系数为：
同时加入循环指令，生成com组件，嵌套进入程序框图。
系统开始运作，激发空气产生等离子体；
等离子体辐射生成太赫兹波透射缅甸玉，太赫兹波载有缅甸玉的光谱信息经光电探测器转换成电信号不断输入到计算机控制端，每隔1min调用com组件，识别样品光谱，如果检测到样品的特征光谱，终止LabVIEW主控件的扫描测量。如果没有样品光谱信息，继续扫描，依次循环；
步骤七，在LabVIEW的平台主程序框图中加入与MATLAB相连的节点COM，将主成分分析法PCA提前编译成m文件，将m文件生成扩展文件.dll写入节点COM中，然后在LabVIEW中调用该组件，在程序中通过Math Script Node实时获取太赫兹信号；
步骤八，搭建空气激发-探测太赫兹时域光谱仪，根据四阶混频理论和相干偏置检测器，采用先分光再激发太赫兹的光路设计；
从入光口进来波长800nm，脉宽15fs的超短脉冲激光，通过沃拉斯顿镜分光，产生两束能量不同的光，分别是透射光和探测光，其中，透射光的能量占70％，探测光的能量占30％，两束光都要穿过硅片和BBO晶体，其中硅片用于过滤可见光，BBO晶体用于激发空气，最后生成超短太赫兹脉冲；
步骤九，光谱仪开始采集样品，进入探测器的太赫兹脉冲进入空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，将太赫兹信号转换成电信号；利用RS232串口传输至光谱测量控制端，同时透射样品的那束太赫兹脉冲也会进入光电探测器转换电信号传输至光谱测量控制端；光谱测量控制端每接收1min的数据，就会被识别是否为样品的特征信号；一旦测到样品信号，即刻停止扫描自动保存光谱文件；
步骤十，测量目标样品：点击前面板提前设置的布尔按钮，即可实现一键采集太赫兹信号，此时用户管理库的字vi库：常用功能vi，串口通信vi，归一化vi，数组vi同时工作，不需要用户自己调整测量参数，延迟线系统的运动平台ESP300会因为太赫兹信号透过样品，与探测光产生一定的光程差，且光程差会不断变化，其位置显示会实时更新。
进一步地，所述步骤八中的时域光谱仪光路采用先分光后激发，在透射样品处和探测器内部分别引入飞秒激光，在透射光透射样品之前放置BBO晶体，在光电探测器内部放置BBO晶体，光谱仪内部的光电探测器采用空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，用于检测等离子体中的二次谐波，内部有光电倍增管PMT，通过PMT输出一系列电流尖峰，电流尖峰被馈入一个电流前置放大器，该放大器将信号放大并滤波成缓慢变化的电压信号，探测器电源5VDC，可检测的光谱范围：0.1-30THz；频域DNR：60dB(典型值)，最大70分贝；时域DNR：70dB(典型值)，最大80分贝；工作温度：15℃至35℃。
进一步地，所述步骤九中光谱仪开始采集样品时一键连接端口：在光谱测量分析控制平台点击com口，找到总接口端点，即连接各个外部串口包括锁相、延迟线、数据采集，之后点击“自定义位置”即开始初始化，延迟线自动调节至39.3mm处，此时在没有样品情况下，探测光和透射光光程相等。
进一步地，所述步骤六中测得样品光谱后，样品信号会在前面板显示，主控件可以显示样品信号的三种波形包括幅值波形，频谱波形，相位波形，其中的频谱波形和相位波形要通过频谱分析vi中的傅里叶变换，此函数集成在频谱分析vi。
进一步地，所述步骤七中在加载样品的太赫兹信号同时，基于PCA特征识别的MATLAB COM组件也在定时接收数据，其中每隔1min，光谱数据以TXT文本形式传输到组件中，进行光谱分析。一般地光谱测量程序对于扫描的时长是固定的，一旦中途停止，无法保存源文件。加入主成分分析法与终止扫描程序的MATLAB脚本文件可以不间断地获得光谱文件并且能够保存。加入主成分分析法与终止扫描程序的MATLAB脚本文件可以不间断地获得光谱文件并且能够保存。
本发明所述方法：采用LabVIEW软件搭接的光谱测量显示平台。LabVIEW作为实现本发明功能的主要数据采集与分析的工具，实现了智能化和自由定制的目的。平台外部连接的是时域光谱仪，它是太赫兹时域光谱系统外部硬件部分，包括光学延迟线系统，通信接口I/O，光电探测器模块，太赫兹透射模块。从时域光谱仪的入光口进来的800nm飞秒光源，功率为2.5W左右激光经分光镜分出两路光源，一路透射光(功率大约为分光前的70％)对样品透射，一路探测光(功率占原来的30％)两路光束利用空气激发等离子体产生太赫兹波再进入光电探测器，延迟线系统负责调节两路光程相等。而基于LabVIEW的光谱测量显示平台负责控制光谱仪和采集光谱仪的数据当太赫兹透射样品过后，利用光电探测器和通信I/O口将光谱数据传送到计算机后端，由光谱测量显示平台采集，显示和控制。主成分分析法(PCA)作为一种通过正交变换将高维的光谱信息降维，然后识别物质种类的方法，在光谱数据处理方面有着显著效果。这里利用主成分分析法(PCA)识别样品特征光谱，调用MATLABCOM Builder将该方法的主程序写入com组件，加入循环嵌套和定时，然后输入到LabVIEW的光谱测量显示平台，当识别到样品的光谱信号之时，LabVIEW平台自动结束测量并保存源文件。本发明与现有技术相比，解决了太赫兹扫描阶段无效时间较长的问题，增加了自动识别和自动终止任务的功能。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于:包括如下步骤：
步骤一，搭建LabVIEW太赫兹光谱测量分析控制平台，它由多态vi、主程序面板、前面板构成，主程序面板包括波形显示、嵌套锁相SR830和延迟线平移台ESP300系统的子vi，LabVIEW软件中的GPIO接口连接外部硬件光谱仪，光谱仪包括光电转换器、通信I/O口、光电探测模块，光谱仪通信I/O口中的RS232与光电探测模块相接；
步骤二，在光谱测量分析控制平台设计幅值分析控件vi和频谱分析控件vi以及相位控件vi多态vi，在前面板建立串口管理库LLB，串口管理库LLB包含串口读写，串口初级读写，串口初始化的子vi程序；幅值分析控件vi有文件生成vi、文件读取vi、扫描时间百分比vi、数组转换vi、时域转频域vi；频谱分析控件vi和相位控件vi作为子vi集成与数据处理vi；
步骤三，在光谱测量分析控制平台的程序框图中嵌套ESP300系统的子vi，ESP300系统是一种微位移平移台，作为光学延迟线系统的底盘；ESP300系统的通信接口采用的是GPIB，驱动部分采用SMC100单轴步进电机，步进电机与光谱测量分析控制平台的GPIO数据接口相连，并且给步进电机单独建立LLB管理库；整个系统用来调节透射光和探测光的光程，使其相等；
步骤四，在光谱测量分析控制平台的程序框图中接入锁相放大器vi，锁相放大器采用美国的SR830，外部接口为输入输出子vi和com组件vi；
步骤五，建立用户文件夹user.lib，管理主控件面板的com组件、数据处理vi、频谱分析vi、ESP300系统的vi和SMC100单轴步进电机控制LLB管理库；
步骤六，打开MATLAB，编写用来识别样品光谱的PCA脚本文件，加入条件结构与定时程序，每隔1min调用PCA脚本识别数组，如果测得样品光谱，终止LabVIEW主控件的扫描测量，如果没有样品光谱信息，继续扫描，依次循环；
步骤七，在LabVIEW的平台主程序框图中加入与MATLAB相连的节点COM，将主成分分析法PCA提前编译成m文件，将m文件生成扩展文件.dll写入节点COM中，然后在LabVIEW中调用该组件，在程序中通过Math Script Node实时获取太赫兹信号；
步骤八，搭建空气激发-探测太赫兹时域光谱仪，根据四阶混频理论和相干偏置检测器，采用先分光再激发太赫兹的光路设计；
从入光口进来波长800nm，脉宽15fs的超短脉冲激光，通过沃拉斯顿镜分光，产生两束能量不同的光，分别是透射光和探测光，其中，透射光的能量占70％，探测光的能量占30％，两束光都要穿过硅片和BBO晶体，其中硅片用于过滤可见光，BBO晶体用于激发空气，最后生成超短太赫兹脉冲；
步骤九，光谱仪开始采集样品，进入探测器的太赫兹脉冲进入空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，将太赫兹信号转换成电信号；利用RS232串口传输至光谱测量控制端，同时透射样品的那束太赫兹脉冲也会进入光电探测器转换电信号传输至光谱测量控制端；光谱测量控制端每接收1min的数据，就会被识别是否为样品的特征信号；一旦测到样品信号，即刻停止扫描自动保存光谱文件；
步骤十，测量目标样品：点击前面板提前设置的布尔按钮，即可实现一键采集太赫兹信号，此时用户管理库的字vi库：常用功能vi，串口通信vi，归一化vi，数组vi同时工作，不需要用户自己调整测量参数，延迟线系统的运动平台ESP300会因为太赫兹信号透过样品，与探测光产生一定的光程差，且光程差会不断变化，其位置显示会实时更新。
2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：
所述步骤八中的时域光谱仪光路采用先分光后激发，在透射样品处和探测器内部分别引入飞秒激光，在透射光透射样品之前放置BBO晶体，在光电探测器内部放置BBO晶体，光谱仪内部的光电探测器采用空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，用于检测等离子体中的二次谐波，内部有光电倍增管PMT，通过PMT输出一系列电流尖峰，电流尖峰被馈入一个电流前置放大器，该放大器将信号放大并滤波成缓慢变化的电压信号，探测器电源5V DC，可检测的光谱范围：0.1-30THz；频域DNR：60dB，最大70分贝；时域DNR：70dB，最大80分贝；工作温度：15℃至35℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：
所述步骤九中光谱仪开始采集样品时一键连接端口：在光谱测量分析控制平台点击com口，找到总接口端点，即连接各个外部串口包括锁相、延迟线、数据采集，之后点击“自定义位置”即开始初始化，延迟线自动调节至39.3mm处，此时在没有样品情况下，探测光和透射光光程相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：
所述步骤六中测得样品光谱后，样品信号会在前面板显示，主控件可以显示样品信号的三种波形包括幅值波形，频谱波形，相位波形，其中的频谱波形和相位波形要通过频谱分析vi中的傅里叶变换，此函数集成在频谱分析vi。
5.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：
所述步骤七中在加载样品的太赫兹信号同时，基于PCA特征识别的MATLAB COM组件也在定时接收数据，其中每隔1min，光谱数据以TXT文本形式传输到组件中，进行光谱分析，加入主成分分析法与终止扫描程序的MATLAB脚本文件可以不间断地获得光谱文件并且能够保存。
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