CN110940657A - 一种对被测物体进行光谱检测的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及光谱检测技术领域，具体涉及一种对被测物体进行光谱检测的检测系统。一种对被测物体进行光谱检测的检测系统，包括：前端光谱测量设备和后端数据分析设备；前端光谱测量设备，用于向被检测的对象发射光谱；以及接收测量的数据；后端数据分析设备，用于接收前端光谱测量设备通过无线发送的测量数据；以及显示所述测量数据的二维图像；所述后端数据分析设备为移动终端。本申请的检测系统，可以被带到测量现场进行测量，并且前端光谱测量设备和后端的移动终端之间通过无线连接；使得前端和后端之间更加灵活，避免了现有技术中前端和后端之间的有线捆绑。

Description

一种对被测物体进行光谱检测的检测系统

技术领域

本发明实施例涉及光谱检测技术领域，具体涉及一种对被测物体进行光谱检测的检测系统。

背景技术

拉曼光谱是一种散射光谱。该光谱经常用于对检测对象的物质分析过程中。在土壤修复的过程中，需要用到拉曼光谱对土壤中的有机物进行分析；现有技术在检测时，前端需要使用能够产生拉曼光谱的光谱仪对土壤进行检测，后端设置安装有分析软件的台式电脑进行分析；前端与后端之间需要通过数据线相连接；导致了前端的光谱仪不能够灵活移动；决定了现有技术中在对某片土壤进行检测时，需要将收集土壤样本；然后带到前端所在地进行检测，异地检测导致了检测效率的降低，不方便。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种对被测物体进行光谱检测的检测系统，以解决现有技术中由于前端和后端由于有线连接而导致的不方便的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，一种对被测物体进行光谱检测的检测系统，包括：前端光谱测量设备和后端数据分析设备；

所述前端光谱测量设备，用于向被检测的对象发射光谱；以及接收测量的数据；

所述后端数据分析设备，用于接收前端光谱测量设备通过无线发送的测量数据；显示所述测量数据的二维图像；

所述后端数据分析设备为移动终端。

进一步地，所述前端光谱测量设备和后端数据分析设备通过无线相连接；

进一步地，所述前端光谱测量设备包括：光谱仪、控制电路板和外壳；

所述光谱仪和控制电路板位于外壳内；

所述光谱仪，用于向被测物体进行光谱测量以及生成测量数据；

所述控制电路板，用于接收光谱仪发送的测量数据；以及通过无线模块发送所述测量数据到后端数据分析设备。

进一步地，还包括物料平台，用于盛放被测量的物质；所述物料平台靠近光谱仪设置。

进一步地，所述外壳上设置有门；测量前，打开门，把采样的物质放在物料平台上；关门后，开始测量。

进一步地，还包括电源；所述外壳上还设置有电源开关；测量时，闭合电源开关；所述光谱仪和电路板接通电源；所述光谱仪开始工作；测量结束时，把电源开关断开，光谱仪和电路板结束测量。

进一步地，所述控制电路板采用Itop4412开发板。

进一步地，所述控制电路板包括：与光谱仪匹配的串口、控制芯片和无线发送模块；

所述串口，用于通过数据线与所述光谱仪的输出端口连接；接收所述光谱仪发送的检测数据；

控制芯片，用于存储光谱仪发送的检测数据；以及将所述检测数据发送给无线发送模块；

无线发送模块，用于将接收到的检测数据进行无线发送到智能终端。

进一步地，所述移动终端包括预处理模块，用于对所述检测数据进行预处理；其中，预处理包括以下的一种：高斯滤波、自适应滤波和中值滤波。

进一步地，还包括云端服务器；用于接收并存储控制电路板发送的测量数据。

本发明实施例具有如下优点：前端光谱测量设备和后端数据分析设备通过无线相连接；解决了现有技术中，前端光谱测量设备和后端数据分析设备有线连接而造成的不方便的问题；并且所述后端数据分析设备为移动终端，从而可以实现将前端光谱测量设备和后端数据分析设备在勘测现场进行测量，解决了现有技术中，异地测量的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种常见的拉曼光谱仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种对被测物体进行光谱检测的检测系统；

图3为本发明实施例提供的另一种对被测物体进行光谱检测的检测系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的设置有门的外壳的示意图；

图5为本发明实施例提供的系统界面与架构示意图；

图6为本发明实施例提供的主要功能和子功能拆解图；

图7为本发明实施例提供的所示的工具栏示意图；

图8为本发明实施例提供的一种档案内存储的数据的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种目标子测量区域的分布示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1所示的一种常见的拉曼光谱仪的结构示意图；拉曼光谱仪包括：激光产生装置、探头和接收处理装置；激光产生装置产生激光，探头将激光照在被测物体上；被测物体产生散射；探头接收散射光；接收处理装置对接收到的散射光进行光学处理，模数转换，生成数字信号。

现有技术中，拉曼光谱仪和后台的电脑处于实验室中；因为台式电脑不可能搬到野外去作业工作；所以现有技术中，往往需要把“千里之外”的样本带到实验室中才能进行检测。异地检测降低了检测的效率。

基于此，本申请提出了一种对被测物体进行光谱检测的检测系统，参见附图1所示的一种对被测物体进行光谱检测的检测系统；该系统包括：前端光谱测量设备21和后端数据分析设备22；

所述前端光谱测量设备21和后端数据分析设备22通过无线相连接；

其中，前端光谱测量设备21和后端数据分析设备22分别安装了无线通信模块；用无线通信模块进行相互通信；无线通信模块可以为蓝牙模块。

所述前端光谱测量设备21，用于向被检测的对象发射光谱；以及接收测量的数据；

所述后端数据分析设备22，用于接收前端光谱测量设备通过无线发送的测量数据；显示所述测量数据的二维图像；

其中，后端数据分析设备22上安装了专门处理检测数据的软件；该软件可以生成并且显示数据的二维图像；

所述后端数据分析设备22为移动终端。

现有技术中，后端数据分析设备22为PC台式电脑；台式电脑设置在实验室中；只能够异地测量，需要把采集的样本带到实验室中。降低了测量的效率和效果。本申请把后端数据分析设备22改为移动终端；从而增加了移动性、灵活性。

在一种实现方式中，参加附图3所示的另一种对被测物体进行光谱检测的检测系统的示意图；该系统中，前端光谱测量设备21包括：光谱仪211、控制电路板212和外壳213；

所述光谱仪211和控制电路板212位于密闭的外壳213内；

所述光谱仪211，用于向被测物体进行光谱测量以及生成测量数据；

所述控制电路板212，用于接收光谱仪211发送的测量数据；以及通过无线模块发送测量数据到后端数据分析设备22。

前端光谱测量设备21还包括物料平台214，用于盛放被测量的物质；所述物料平台214靠近光谱仪211设置。

参见附图4，所述外壳213上设置有门215；测量前，打开门215，把采样的物质放在物料平台214上；关门后，开始测量。

外壳213的外侧还设置有开关，内部设置有不间断电源UPS；用于为光谱仪以及电路控制板供电；

当开关闭合时，光谱仪211和电路控制板212得电开始工作；当开闭断开时，光谱仪211和电路控制板212失电结束工作。

在一种实施方式中，也可以不采用现成的开发板，而是制作一个电路板；自制的控制电路板至少包括：与光谱仪匹配的串口、控制芯片和无线发送模块；

所述串口，用于通过数据线与所述光谱仪的输出端口连接；接收所述光谱仪发送的检测数据；

控制芯片，用于通过串口接收光谱仪发送的检测数据；以及将所述检测数据发送给无线发送模块；

其中，控制芯片可以采用51单片机、可编程门阵列实现FPGA。

无线发送模块，用于将接收到的检测数据进行无线发送到智能终端。

在一种实施方式中，控制电路板采用Itop4412开发板。

下面详细介绍一下本申请的技术方案：本申请提出了一种基于双脉宽激光的土壤痕量有机污染物解析光谱仪的便携式前后端解决方案前端方案：本方案结合土壤修复特点：选择NIRQUEST512光谱仪和itop4412开发板作为前端硬件设备；

其中，NIRQuest512-2.5响应范围覆盖900-2500纳米，非常适用于分辨率要求高的激光特性测量等应用。采用滨松512像元的銦鎵化砷(InGaAs)阵列检测器，覆盖范围900-2500nm，与现有技术中的256像元的近红外系列相比，显著提高了光学分辨率。依据用户选择的光栅配件和入射狭缝的尺寸，分辨率可以达到4.1nm-6.3nm(FWHM)。并且暗噪声更低，适宜于长时间的曝光积分。

其中，iTOP-4412核心板是迅为电子推出的一款高端四核核心板，配备三星Exynos4412四核处理器，主频为1.4GHz，内置8GB存储空间。该板设计小巧。配备三星自家电源管理芯片，具有9路DC/DC和28路LDO输出电源，在-20℃至70℃范围的高低温运行测试中运行良好，运行稳定、功耗低。选配模块丰富，可涵盖物联网、工业现场、智能终端等应用，包括：SDIO-WIFI、USB-WIFI、GPS、蓝牙、AV-IN、USB摄像头、CAN总线、并口摄像头、VGA、RS-485、继电器、串口、矩阵键盘和zigbee等。

wifi模块则选用了360二代随身wifi，该产品信号强且稳定，并且使用广泛，易于二次开发。

光谱仪还可以采用以下中的一种：

瑞士Mira掌上型拉曼光谱仪、V2型全谱直读光谱仪、德国超普OBLFQSN750-Ⅱ/QSG750-Ⅱ真空直读光谱仪、V6型CCD全谱直读光谱仪、NIRQuest-RAMAN光谱仪。

传统土壤修复的过程中需要进行有机物分析，在有机物分析中，需要异地收集土壤样本，将异地收集到的土壤样本带到实验室中，通过有线的方式接入台式电脑，该方法前端检测与后端分析捆绑在一起，不够灵活方便。

本方案利用嵌入式解决方案，前端以光谱设备与开发板封装，收集处理原始光谱数据，并进行处理，建立无线传输模块，通过wifi协议与后端的数据分析设备22进行数据传输，通过后端系统软件实现对光谱数据的分析、以及进一步处理。后端可以但是不限于便携式平板电脑。实现了前端检测与后端分析的分离，更加灵活。

具体流程如下：

后端，即服务端，采用平板电脑实现；前端，即客户端采用光谱仪+Itop4412开发板实现；Itop4412开发板通过串口与光谱仪相连并互相传输数据；通过wifi模块与平板电脑互相传输数据；在itop4412开发板上烧写了Ubuntu系统；将360二代随身wifi驱动源码，在虚拟机中编译调试，得到能在itop4412开发板上运行的AP热点模式的驱动文件；将光谱仪驱动源码在虚拟机中调试编译，得到能在开发板上运行的可执行文件；编写基于socket通信协议的服务端代码，该代码包含读取光谱仪数据，且将光谱仪数据传输到服务端，编译成可执行文件，移植到开发板上。编写客户端代码，主要用于接收服务端传来的数据，并写成后端软件能打开的txt文件，也可以从平板电脑输入积分时间等参数并将参数传至光谱仪，编译调试成可执行文件，移植于平板。

值得强调的是，本申请采用的开发板不限于Itop4412开发板；只要是有接收数据功能；以及具备无线传输功能的开发板都可以；包括各种开发板；比如单片机开发板、ARM、FPGA、DSP开发板。

开发板是用来进行嵌入式系统开发的电路板，包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件组件。开发板一般由嵌入式系统开发者根据开发需求自己订制，也可由用户自行研究设计。开发板是为初学者了解和学习系统的硬件和软件，同时部分开发板也提供的基础集成开发环境和软件源代码和硬件原理图等。常见的开发板有51、ARM、FPGA和DSP开发板。

对于移动终端，安装了专门处理数据的软件；在软件上显示二维图像；并且还可以对数据进行预处理；

所述移动终端包括预处理模块，用于对所述检测数据进行预处理；其中，预处理包括以下的一种：高斯滤波、自适应滤波和中值滤波。

下面详细介绍一下本申请的移动终端中所安装的处理软件：

开发软件系统有很多重要因素，包括应用目标、系统结构和运行环境等等。

可移植性，软件的系统需具备可移植性。本申请将光谱仪控制、光谱可视化与前处理和光谱分析三者合一；因此本申请的软件的系统相对庞大，功能强大且齐全。不但可以在一般计算器上运行，更可以移植到掌上型装置上，让用户可以更加方便使用本系统。为了达到可移植性，也就是运行环境要能通用，因此选用Java语言作为基础开发。首先，在主流操作系统(Windows、Mac、Linux)，Java语言的代码会转换成Byte Code，接着只需要让要执行系统的硬件拥有Java虚拟机(Java Virtual Machine,JVM)，即可成功执行；

其次，Java的面向对象与代码管理，可以让程序员在实现代码时更有效率，且结构更为清楚。

系统结构，界定出软硬件之间的连接架构及API调用窗口。在软件系统方面，一方面实现传统拉曼光谱分析软件系统并加以结构化，另一方面增加多种算法处理功能，实现对拉曼光谱的进一步拓展。软件系统在Windows 10 64位上用eclipse做开发。

首先，软件系统对光谱数据的算法需求包括以下内容：

光谱噪音去除，包括以下三种：

第一种、基于信号与噪声频率特性之间的差异，包含中值滤波与小波滤波；

第二种、基于信号与噪声统计特性之间的差异，包含平均滤波、多项式平滑滤波与Kalman滤波；

第三种、基于信号与噪声波形模式之间的差异(针对非平稳随机噪声的处理)，包括模式滤波、形态滤波与基于小波奇异性分析的噪声峰辨识。

基于上述三种噪音处理方式，延伸出许多不同的光谱前处理技术。

一、平滑处理技术，优点是消除高频成分而保留低频成分，有效的提高信噪比，且速度快，缺点是会失去有用的高频信号数据，相关方法有自适应、Savitxky2Galay、傅立叶滤波、二项式平滑(高斯平滑)；

二、背景扣除处理技术，包括手动线性背景拟和、不对称最小二乘、全自动背景扣除算法与基于小波变换的背景扣除方法；

三、寻峰的技术包括简单寻峰、尝试寻峰、二阶导数寻峰、零卷积寻峰和手动寻峰。

还包括前处理方法，如：

标准正态变换(Standard Normal Variate,SNV)，对于一组样本x，计算出该样本的均值m和标准偏差s，x＝(x-m)/s消除光谱中激光光源功率变化、光强衰减等引起的噪声不能去除荧光背景干扰；

正交信号校正方法(Orthogonal Signal Correction,OSC)与小波变换(WaveletTransform,WT)等等。

关于软件的系统界面与架构，参加附图5所示的系统界面与架构示意图；

界面包括：参数设定区域、波形显示区域、档案控制区域、数值显示区域和功能设定区域；

其中，档案控制包括：档案的输出、档案的输入、前处理、硬件软控等。

参数设定区域，用来设定波形的参数；

波形显示区域，用来显示波形；

功能设定区域，用来对波形进行放大、缩小；

数字显示区域，用来显示波形的每一个点的数值；数值包括横坐标和纵坐标。

参见附图6所示的主要功能和子功能拆解图；

用户点击“档案”，弹出以下的对话框：

新增档案、开启档案、存储档案、另存档案、列印页面设定、列印；

点击“视图”，弹出以下对话框：

工具列、寻案路径、硬件状态、参数设定、数据表格；

点击“工具列”，弹出以下对话框：放大、缩小、平移、回到初始位置；

用户点击上述的任意一种对话框，实现相应的功能。

点击“工具”，弹出以下对话框：参见附图7所示的工具栏示意图；工具包括：平滑、去背、降噪、寻峰。

其中，平滑滤波，具体包括以下四种：Savitzky-Golay滤波；高斯滤波；中值滤波；自适应滤波；用户点击任意一种滤波，实现相应的滤波功能。

软件实现具体包括读写文件与资料可视化这两方面；

首先是读文件，进入软件系统界面后，在工具栏中选择Open File，进入选择档案界面，选择读入的档案。其中折线图是光谱数据的可视化呈现，下面的表格则是X轴与Y轴的数据，也就是折线图中点的坐标。

其中，档案是指每一次测量结束后所生成的文件；其中包含有测量的数据。

参见附图8所示的一种档案内存储的数据的示意图；

写档，与读档大同小异，在要写档的页面停留，在工具栏中选择Save as，会跳至存储界面，点击Save，跳至存盘界面，选择存盘位置、格式与名称；点击“存盘”完成。

为了实现每分光谱都能清楚分别加上滤波器且不会互相干扰，将原本放在主界面左半部的参数控制放到分页中，而硬件控制放至工具中；还可以将硬件控制切割清楚。加上滤波器的部分，可以解决每分光谱都能清楚分别加上滤波器且不会互相干扰，还可以将硬件控制切割清楚。

具体实施时，导入文档中的数据后，可以将差分滤波器和平滑算法进行叠加，从而对数据进行优化处理。

在一种实施方式中，还包括云端服务器；用于接收并存储控制电路板发送的测量数据。

以土壤测量为例说明；假如被测量的土地的面积至少为1000平方米；面积巨大；则要设置多个测量点；比如，可以设置每一个单位面积上采样得到一个样本；就是1000个样本；至少测量1000次；数据量巨大；所以设置云端的服务器，用于接收并存储控制电路板发送的测量数据。

其中，移动终端与服务器的无线通信模块为GPRS通信模块。

服务器包括，接收模块，用于接收每一次控制电路板发送的测量数据；

服务器还包括电子地图模块，用于预先建立目标被测区域的电子地图；对以及对被测区域进行划分；得到多个子测量区域。

参见附图9所示的一种电子地图中目标子测量区域的分布示意图；在该电子地图的目标区域中，包含子目标区域1、子目标区域2、子目标区域3、子目标区域4、子目标区域5、子目标区域6、子目标区域7、子目标区域8、子目标区域9、子目标区域10、子目标区域11、子目标区域12、子目标区域13、子目标区域14、子目标区域15和子目标区域16。

发送模块，用于向移动终端发送信息，通知移动终端需要测量的目标子测量区域；

移动终端接收到服务器发送的消息后，显示目标子区域的标识；

用户手持移动终端移动到目标子测量区域中，对目标子测量区域进行采样测量；

方法还包括：服务器还可以通知移动终端向左、右、前、后移动的距离，从而指导现场的用户能够移动到目标子测量区域。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种对被测物体进行光谱检测的检测系统，其特征在于，包括：前端光谱测量设备和后端数据分析设备；

所述前端光谱测量设备，用于向被检测的对象发射光谱；以及接收测量的数据；

所述后端数据分析设备，用于接收前端光谱测量设备通过无线发送的测量数据；显示所述测量数据的二维图像；

所述后端数据分析设备为移动终端。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述前端光谱测量设备和后端数据分析设备通过无线相连接。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述前端光谱测量设备包括：

光谱仪、控制电路板和外壳；

所述光谱仪和控制电路板位于外壳内；

所述光谱仪，用于向被测物体进行光谱测量以及生成测量数据；

所述控制电路板，用于接收光谱仪发送的测量数据；以及通过无线模块发送所述测量数据到后端数据分析设备。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括物料平台，用于盛放被测量的物质；所述物料平台靠近光谱仪设置。

5.如权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述外壳上设置有门；测量前，打开门，把采样的物质放在物料平台上；关门后，开始测量。

6.如权利要求3所述的检测系统，其特征在于，还包括电源；所述外壳上还设置有电源开关；测量时，闭合电源开关；所述光谱仪和电路板接通电源；所述光谱仪开始工作；测量结束时，把电源开关断开，光谱仪和电路板结束测量。

7.如权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述控制电路板采用Itop4412开发板。

8.如权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述控制电路板包括

与光谱仪匹配的串口、控制芯片和无线发送模块；

所述串口，用于通过数据线与所述光谱仪的输出端口连接；接收所述光谱仪发送的检测数据；

控制芯片，用于存储光谱仪发送的检测数据；以及将所述检测数据发送给无线发送模块；

无线发送模块，用于将接收到的检测数据进行无线发送到智能终端。

9.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述移动终端包括预处理模块，用于对所述检测数据进行预处理；其中，预处理包括以下的一种：高斯滤波、自适应滤波和中值滤波。

10.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括云端服务器；用于接收并存储控制电路板发送的测量数据。

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