CN116662789A - 傅里叶红外光谱仪的信号处理方法、系统及可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及傅里叶红外光谱仪的信号处理方法、系统及可读存储介质，光谱仪的处理器包括FPGA，FPGA基于红外检测信号和经过高通滤波的激光检测信号得到的平均值为零附近的正弦波信号进行采样点的采集，FPGA具有七个寄存器，分别用于存储标志位、红外信号波峰值、红外信号波谷值、激光信号波峰值、激光信号波谷值、红外信号半周期值、红外信号全周期值；信号处理方法包括：采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。本发明在一个激光周期内采集四个等间距的采样点，实现0.1582μm采集一个采样点，最大检测波数达到31605.56cm‑1，使光谱检测范围覆盖可见光波段。
Description
技术领域
本发明属于光学检测分析技术领域，具体涉及一种傅里叶红外光谱仪的信号处理方法、系统及可读存储介质。
背景技术
公开号为CN116297284A的专利文献公开的傅里叶红外光谱仪采用数字信号处理的方法实现干涉图信号采集，有效提升采集能力，使动镜的移动速度不再需要匀速，且速度可达到100cm/s以上，有效提升检测分析效率。然而，有必要扩大最大检测波数，从而使光谱检测范围能够覆盖可见光波段。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供一种傅里叶红外光谱仪的信号处理方法、系统及可读存储介质。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种傅里叶红外光谱仪的信号处理方法，傅里叶红外光谱仪的处理器包括FPGA，FPGA基于红外检测信号和经过高通滤波的激光检测信号得到的平均值为零附近的正弦波信号进行采样点的采集，所述FPGA具有七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2；
所述信号处理方法包括：
采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。
作为优选方案，所述信号处理方法包括以下步骤：
（1）扫描开始前先对寄存器复位：m=0、max1=0、min1=0、max2=0、min2=0、zero1=0、zero2=0；
当正弦波信号进入正弦波下半周期，赋值m=1；当正弦波信号进入正弦波上半周期，赋值m=2；
（2）扫描开始；
（3）判断是否满足第一目标条件，第一目标条件为m=1且正弦波信号的信号值ad2大于0；若是，则为周期终点，赋值m=2并将周期终点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero2的赋值，以作为采样点；若否，转至步骤（4）；
（4）判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0；
若是，则赋值m=2，将ad2与max2进行比较，若ad2>max2，则赋值max2=ad2、max1=ad1；若ad2≤max2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波峰，将正弦波信号的波峰同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波峰值max1的赋值，并作为采样点；
若否，则判断m=1或m=2；若m=2，则为半周期点，赋值m=1并将半周期点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero1的赋值，以作为采样点；若m=1，则将ad2与min2进行比较，若ad2<min2，则赋值min2=ad2；若ad2≥min2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波谷，将正弦波信号的波谷同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波谷值min1的赋值，并作为采样点；
循环执行上述步骤（3）和（4），直至扫描结束。
作为优选方案，将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机，上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
作为优选方案，所述红外检测信号和经过高通滤波的激光检测信号得到的平均值为零附近的正弦波信号分别输入第一A/D转换器和第二A/D转换器，第一A/D转换器和第二A/D转换器采集的数字信号输入至FPGA。
作为优选方案，所述第一A/D转换器、第二A/D转换器的采样速率不小于10MHz。
本发明还提供一种傅里叶红外光谱仪的信号处理系统，应用如上方案所述的信号处理方法，所述信号处理系统包括：
寄存器单元，包括位于FPGA的七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2；
采样单元，用于采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。
作为优选方案，所述采样单元包括：
复位模块，用于扫描开始前先对寄存器复位；
赋值模块，用于标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2的赋值；
判断模块，用于判断是否满足第一目标条件，还用于判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0，还用于判断m=1或m=2，还用于判断ad2是否大于max2，还用于判断ad2是否小于min2；
执行模块，用于根据判断模块的判断结果执行相应的操作，还用于循环执行相应的步骤，直至扫描结束。
作为优选方案，信号处理系统，还包括：
上传单元，用于将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机；
上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
本发明还提供一种可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一项方案所述的信号处理方法。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明在一个激光周期内采集四个等间距的采样点，实现0.1582μm采集一个采样点，最大检测波数达到31605.56cm-1，使光谱检测范围覆盖可见光波段。
附图说明
图1是本发明实施例1的傅里叶红外光谱仪的构架图；
图2是本发明实施例1的傅里叶红外光谱仪的信号处理方法的流程图；
图3是本发明实施例1的采样点的采集原理示意图；
图4是本发明实施例1的傅里叶红外光谱仪的信号处理方法与对比例的信号处理方法的光谱对比图；
图5是本发明实施例1的傅里叶红外光谱仪的信号处理系统的构架图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示，本实施例的傅里叶红外光谱仪，包括红外光源、干涉仪、待测气体室、红外检测器、激光器、激光检测器、处理器和上位机。
其中，激光器为氦氖激光器，干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
本实施例的干涉仪的作用为：使红外光和激光都形成干涉。激光器和红外光源发出的激光和红外光都被分束器拆分成两束光，再经过动镜、定镜的反射，两束光又交汇在一起，而且由于动镜来回移动，相位一直在变化，定镜的相位固定不变，这样就形成了一个连续的不同相位差的干涉图谱。上述激光和红外光的干涉图分别被激光检测器和红外检测器记录得到激光检测信号和红外检测信号。上述各器件的具体结构以及工作原理可参考现有技术，在此不赘述。
本实施例的红外检测器输出的红外检测信号和激光检测器输出的激光检测信号传输至处理器进行信号处理，以进行采样点的采集。具体地，本实施例的处理器包括FPGA、第一A/D转换器、第二A/D转换器和高通滤波器，激光检测信号输入高通滤波器进行高通滤波以得到平均值为零附近的正弦波信号，红外检测信号和正弦波信号分别输入第一A/D转换器、第二A/D转换器，第一A/D转换器和第二A/D转换器的输出接入FPGA进行采样点的采集。
具体地，本实施例的FPGA具有七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2。其中，当正弦波信号进入正弦波下半周期，赋值m=1；当正弦波信号进入正弦波上半周期，赋值m=2。
如图2和图3所示，本实施例的傅里叶红外光谱仪的信号处理方法具体包括以下步骤：
（1）扫描开始前先对寄存器复位：m=0、max1=0、min1=0、max2=0、min2=0、zero1=0、zero2=0；
（2）扫描开始，数据输入；
（3）判断是否满足第一目标条件，第一目标条件为m=1且正弦波信号的信号值ad2大于0；若是，则为周期终点，赋值m=2并将周期终点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero2的赋值，以作为采样点；若否，转至步骤（4）；
（4）判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0；
若是，则赋值m=2，将ad2与max2进行比较，若ad2>max2，则赋值max2=ad2、max1=ad1；若ad2≤max2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波峰，将正弦波信号的波峰同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波峰值max1的赋值，并作为采样点；
若否，则判断m=1或m=2；若m=2，则为半周期点，赋值m=1并将半周期点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero1的赋值，以作为采样点；若m=1，则将ad2与min2进行比较，若ad2<min2，则赋值min2=ad2；若ad2≥min2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波谷，将正弦波信号的波谷同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波谷值min1的赋值，并作为采样点；其中，在半周期点赋值m=1之后，继续转至m=1条件下的ad2与min2进行比较的过程；
循环执行上述步骤（3）和（4），直至扫描结束。将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机，上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
由于傅里叶红外光谱仪的短波检测范围与数据点光程差相关，应用本实施例的信号处理方法可在一个激光周期内采集四个等间距的采样点，实现0.1582μm采集一个采样点，如图4所示，使用本实施例的信号处理方法采样的光谱仪的最大检测波数为31605.56cm-1，使光谱检测范围覆盖可见光波段。另外，现有技术中，公开号为CN116297284A的专利文献公开的傅里叶红外光谱仪（对比例）的最大检测波数为15802.78cm-1，光谱检测范围覆盖红外到近红外波段，无法覆盖可见光波段。
本实施例的第一A/D转换器、第二A/D转换器的采样速率不小于10MHz，实现高速采样，提升采样效率。
基于上述傅里叶红外光谱仪的信号处理方法，如图5所示，本实施例还提供傅里叶红外光谱仪的信号处理系统，包括寄存器单元、采样单元和上传单元。
本实施例的寄存器单元包括设于FPGA的七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2。
本实施例的采样单元用于采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。具体地，采样单元包括复位模块、赋值模块、判断模块和执行模块。
本实施例的复位模块用于扫描开始前先对寄存器复位；
本实施例的赋值模块用于标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2的赋值；
本实施例的判断模块用于判断是否满足第一目标条件，还用于判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0，还用于判断m=1或m=2，还用于判断ad2是否大于max2，还用于判断ad2是否小于min2；
本实施例的执行模块用于根据判断模块的判断结果执行相应的操作，还用于循环执行相应的步骤，直至扫描结束。
上述各功能模块的详细工作过程可参考上述信号处理方法中的详细描述，在此不赘述。
本实施例的上传单元用于将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机，上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
本实施例还提供可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述信号处理方法，实现信号处理的智能化。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种傅里叶红外光谱仪的信号处理方法，傅里叶红外光谱仪的处理器包括FPGA，FPGA基于红外检测信号和经过高通滤波的激光检测信号得到的平均值为零附近的正弦波信号进行采样点的采集，其特征在于，所述FPGA具有七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2；
所述信号处理方法包括：
采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。
2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法包括以下步骤：
（1）扫描开始前先对寄存器复位：m=0、max1=0、min1=0、max2=0、min2=0、zero1=0、zero2=0；
当正弦波信号进入正弦波下半周期，赋值m=1；当正弦波信号进入正弦波上半周期，赋值m=2；
（2）扫描开始；
（3）判断是否满足第一目标条件，第一目标条件为m=1且正弦波信号的信号值ad2大于0；若是，则为周期终点，赋值m=2并将周期终点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero2的赋值，以作为采样点；若否，转至步骤（4）；
（4）判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0；
若是，则赋值m=2，将ad2与max2进行比较，若ad2>max2，则赋值max2=ad2、max1=ad1；若ad2≤max2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波峰，将正弦波信号的波峰同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波峰值max1的赋值，并作为采样点；
若否，则判断m=1或m=2；若m=2，则为半周期点，赋值m=1并将半周期点同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为zero1的赋值，以作为采样点；若m=1，则将ad2与min2进行比较，若ad2<min2，则赋值min2=ad2；若ad2≥min2，则不赋值；直至判断至正弦波信号的波谷，将正弦波信号的波谷同步对应的红外检测信号的信号值ad1作为红外信号波谷值min1的赋值，并作为采样点；
循环执行上述步骤（3）和（4），直至扫描结束。
3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机，上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
4.根据权利要求1-3任一项所述的信号处理方法，其特征在于，所述红外检测信号和经过高通滤波的激光检测信号得到的平均值为零附近的正弦波信号分别输入第一A/D转换器和第二A/D转换器，第一A/D转换器和第二A/D转换器采集的数字信号输入至FPGA。
5.根据权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，所述第一A/D转换器、第二A/D转换器的采样速率不小于10MHz。
6.一种傅里叶红外光谱仪的信号处理系统，应用如权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理系统包括：
寄存器单元，包括位于FPGA的七个寄存器，分别用于存储标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2；
采样单元，用于采集正弦波信号的波峰、波谷、周期终点和半周期点同步对应的红外检测信号的信号点作为采样点。
7.根据权利要求6所述的信号处理系统，应用如权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述采样单元包括：
复位模块，用于扫描开始前先对寄存器复位；
赋值模块，用于标志位m、红外信号波峰值max1、红外信号波谷值min1、激光信号波峰值max2、激光信号波谷值min2、红外信号半周期值zero1、红外信号全周期值zero2的赋值；
判断模块，用于判断是否满足第一目标条件，还用于判断正弦波信号的信号值ad2是否大于0，还用于判断m=1或m=2，还用于判断ad2是否大于max2，还用于判断ad2是否小于min2；
执行模块，用于根据判断模块的判断结果执行相应的操作，还用于循环执行相应的步骤，直至扫描结束。
8.根据权利要求7所述的信号处理系统，其特征在于，还包括：
上传单元，用于将FPGA采集的所有采样点对应的max1、min1、zero1、zero2上传至傅里叶红外光谱仪的上位机；
上位机对所有采样点构成的干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。
9.一种可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任一项所述的信号处理方法。
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- 2023-07-31 CN CN202310944685.4A patent/CN116662789B/zh active Active
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