CN214372918U - 光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光谱测量系统，所述光谱测量系统包括：探测器；测量装置，所述测量装置与所述探测器电连接，所述测量装置用于驱动所述探测器测量目标光谱信息；温控装置，所述温控装置与所述探测器连接，所述温控装置用于控制所述探测器的温度。本实用新型提供的光谱测量系统，通过设置测量装置来驱动探测器稳定工作，通过设置温控装置来控制探测器的温度，能够降低探测器的测量噪声，提高信噪比，从而提高测量精度。

Description

光谱测量系统

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，尤其涉及一种光谱测量系统。

背景技术

短波红外主要来源于太阳光源、高温物体主动热辐射以及人工短波红外光源等。很多地物目标在短波红外波段具有丰富的光谱特征和较高的光谱反射率。因此，短波红外探测技术可应用在军事上、深空探测领域、生物医疗、集成电路缺陷检测以及艺术品鉴别等领域。在应用短波红外技术时，需要测量短波红外连续光谱的波长和强度。

目前的光谱测量系统，具有较大的噪声波动，测量到的光谱信息不准确。

实用新型内容

本实用新型提供一种光谱测量系统，用以解决现有技术中高温会使得探测器产生较大的噪声波动，使得光谱测量系统测量结果不准确的缺陷，实现降低探测器的测量噪声，提高信噪比，从而提高测量精度。

本实用新型提供一种光谱测量系统，所述光谱测量系统包括：探测器；测量装置，所述测量装置与所述探测器电连接，所述测量装置用于驱动所述探测器测量目标光谱信息；温控装置，所述温控装置与所述探测器连接，所述温控装置用于控制所述探测器的温度。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控装置包括：第一制冷器，所述第一制冷器用于给所述探测器的外部环境降温；第二制冷器，所述第二制冷器用于给所述探测器的内部环境降温；温控芯片，所述第一制冷器与所述第二制冷器均与所述温控芯片电连接。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控装置包括：第一温度传感器，所述第一温度传感器设于所述探测器外，所述第一温度传感器与所述温控芯片电连接，所述温控芯片设置为基于所述第一温度传感器获取的所述探测器的外部环境温度，控制所述第一制冷器和所述第二制冷器。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控芯片设置为若所述探测器的外部环境温度低于预设温度阈值时，启动所述第二制冷器。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控装置还包括：第一驱动电路，所述第一制冷器通过所述第一驱动电路与所述温控芯片电连接，所述第一驱动电路包括MOS管桥式开关电路。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述第一制冷器与所述探测器通过导热金属连接，所述导热金属与所述探测器之间设有导热硅脂。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控装置还包括：第二温度传感器，所述第二温度传感器设于所述探测器内，所述第二温度传感器与所述温控芯片电连接，所述温控芯片设置为基于所述第二温度传感器获取的所述探测器的外部环境温度，控制所述第二制冷器。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述第二温度传感器为热敏电阻。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述温控装置还包括：第二驱动电路，所述第二制冷器通过所述第二驱动电路与所述温控芯片电连接，所述第二驱动电路包括OPA549功率运算放大器。

根据本实用新型提供一种的光谱测量系统，所述测量装置包括：模拟信号处理器，所述模拟信号处理器与所述探测器电连接；A/D采集器，所述A/D采集器与所述模拟信号处理器电连接；测量芯片，所述测量芯片的输出端与所述探测器电连接，所述测量芯片的输入端与所述A/D采集器电连接。

本实用新型提供的光谱测量系统，通过设置测量装置来驱动探测器稳定工作，通过设置温控装置来控制探测器的温度，能够降低探测器的测量噪声，提高信噪比，从而提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型提供的光谱测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型提供的光谱测量系统的测量装置的结构示意图；

图3是本实用新型提供的光谱测量系统的温控装置的结构示意图；

图4是本实用新型提供的光谱测量系统的温控装置的运行流程图之一；

图5是本实用新型提供的光谱测量系统的温控装置的运行流程图之二。

附图标记：

10：探测器； 20：测量装置； 21：模拟信号处理器；

22：A/D采集器； 23：测量芯片； 24：测量驱动电路；

30：温控装置； 31：第一制冷器； 32：第一温度传感器；

33：第一驱动电路； 34：第二制冷器； 35：第二温度传感器；

36：第二驱动电路； 37：温控芯片； 39：导热金属；

40：供电模块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合图1-图5描述本实用新型的光谱测量系统。

本实用新型实施例的光谱测量系统能够用于测量短波红外，短波红外是波长范围为1.1μm～2.5μm的红外辐射，主要来源于太阳光源、高温物体主动热辐射和人工短波红外光源等。短波红外波段的观测表现出诸多优势：(1)在恶劣环境下，仍然具有良好的成像能力；(2)短波红外适用性广泛，在白天可避免可见光强光的干扰，在夜晚探测灵敏度高，可用于全天候监控；(3)很多地物目标在短波红外波段具有丰富的光谱特征和较高的光谱反射率。因此，短波红外探测技术可应用在军事上、深空探测领域、生物医疗、集成电路缺陷检测、艺术品鉴别等。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种光谱测量系统，所述光谱测量系统包括：探测器10、测量装置20、温控装置30和供电模块40。

其中，探测器10、测量装置20以及温控装置30均与供电模块40电连接，供电模块40能够给探测器10、测量装置20以及温控装置30供电。

测量装置20与探测器10电连接，测量装置20用于驱动探测器10测量目标光谱信息。

可以理解的是，测量装置20和探测器10电连接，用于和探测器10实现数据交换，从而驱动探测器10稳定工作，能够对微弱的短波红外信号进行放大滤波等操作，测量出目标光谱信息，目标光谱信息可以是短波红外信号的波长和强度等信息。

探测器10可以为G11478型探测器，G11478是一款专为短波红外多通道光谱仪而设计的InGaAs线阵列图像探测器。探测器10光谱响应范围为900nm～2500nm，响应度在2200nm处达到最大，如表1所示，示意出G11478线阵列图像探测器的各种性能参数。

表1 G11478线阵列图像探测器性能参数

探测器类型	InGaAs
		像元数	256
像元高度	250μm
		像元宽度	50μm
光谱响应范围	900～2500nm
		工作温度	-40～70℃
暗电流	100pA

如图2所示，测量装置20可以包括：模拟信号处理器21、A/D采集器22、测量驱动电路24和测量芯片23。

其中，模拟信号处理器21与探测器10电连接，A/D采集器22与模拟信号处理器21电连接，测量芯片23的输出端通过测量驱动电路24与探测器10电连接，测量芯片23的输入端与A/D采集器22电连接。

测量芯片23可以为基于ARM Cortex-M3内核的芯片STM32F103RET6。

A/D采集器22可以包括A/D转换芯片，可以为高速24位逐次逼近型(SAR)ADC芯片LTC2380-24，LTC2380-24具有低噪声、低功率和无漏失码等特性，且内部自带一个集成型数字平均滤波器，方便易用，能够对转换结果进行1至65536次实时平均，从而显著地改善动态范围。LTC2380-24的部分性能参数如表2所示。

表2 LTC2380-24性能参数

性能参数	数值
		通道数	1
量化位数	24bits
		采样频率	2Msps
电源电压	2.5V
		参考电压	2.5～5.1V
量程范围	±VREF
		工作温度	-40～85℃

在实际使用时，测量装置20的测量芯片23的输出端和探测器10电连接，能够给探测器10的输入端发送驱动时序信号，驱动探测器10工作。

探测器10的输出端和模拟信号处理器21电连接，模拟信号处理器21能够对探测器10输出的信号进行差分放大、滤波和自动增益，得到光谱模拟信号。

模拟信号处理器21的输出端与A/D采集器22的输入端电连接，A/D采集器22能够将经过模拟信号处理器21处理后的光谱模拟信号进行数模转换得到光谱数字信号，A/D采集器22的内部可以具有集成型数字平均滤波器的芯片LTC2380-24，可通过软件设置数模转换的平均次数。

A/D采集器22的输出端与测量芯片23的输入端电连接，测量芯片23能够将光谱数字信号通过CAN总线传输到与之相连的外部上位机进行存储以及后续处理。

温控装置30与探测器10连接，温控装置30用于控制探测器10的温度。

发明人经过研究发现，目前的光谱测量系统在测量短波红外的光谱信息时不够准确，进一步研究发现，这是因为探测器在工作时的噪声较大导致的，研究发现，之所以产生较大的噪声，是因为探测器接收到的红外辐射具有热效应，会使得光谱测量系统的探测器温度较高，持续的高温会使得探测器故障率高，且高温会使得探测器产生较大的噪声波动，使得光谱测量系统测量结果不准确。

此处采用温控装置30和探测器10连接，给探测器10进行物理降温，从而能够控制探测器10的温度，这样就能避免探测器10因为短波红外辐射所造成的温度升高而产生噪声，当探测器10的温度降低到一定程度时，暗电流噪声较低，且变化趋于缓慢，就能去实现去噪。

本实用新型实施例提供的光谱测量系统，通过设置测量装置20来驱动探测器10稳定工作，通过设置温控装置30来控制探测器10的温度，能够降低探测器10的测量噪声，提高信噪比，从而提高测量精度。

如图3所示，在一些实施例中，温控装置30包括：第一制冷器31、第二制冷器34和温控芯片37。

其中，第一制冷器31用于给探测器10的外部环境降温。

可以理解的是，第一制冷器31可以设于探测器10的外部，通过空气对探测器10的机身进行散热；第一制冷器31也可以和探测器10的外壳直接接触，将探测器10机身的热量导出，实现对探测器10的机身进行散热。

比如，第一制冷器31可以为半导体制冷器TEC1-12706，第一制冷器31的冷端可以直接和探测器10的外壳表面接触，从探测器10的外壳上进行吸热，第一制冷器31的热端朝向背离探测器10的外部环境，这样就能够降低探测器10的机身温度。

半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需要制冷剂、体积小和重量轻的特点，工作比较稳定，操作简便，能够方便进行冷量调节。

半导体制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。TEC包括一些P型和N型对(组)，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与制冷原理。TEC1-12706部分性能参数如表3所示。

表3 TEC1-12706性能参数

级数	最大电压	最大电流	最大制冷温差	最大制冷功率
					1	15.2V	6A	67℃	51.4W

第二制冷器34用于给探测器10的内部环境降温。

可以理解的是，第一制冷器31的至少部分伸入探测器10内，可以将探测器10内部的热量导出，比如可以将探测器10内部的空气中的热量导向探测器10的机身，也可以将探测器10内部的热量直接导出到外部环境中。

比如，第二制冷器34也可以为半导体制冷器，第二制冷器34的冷端可以直接伸入到探测器10内部空间，从探测器10内部空间进行吸热，第二制冷器34的热端可以直接和探测器10的内壁接触，这样就能将探测器10内部空间的热量传导到探测器10内壁上，通过探测器10的外壳向外散热，这样就能够提升热传导的效率。

第一制冷器31与第二制冷器34均与温控芯片37电连接，温控芯片37可以根据探测器10的实际制冷需求，来控制第一制冷器31和第二制冷器34的工作状态，第一制冷器31和第二制冷器34可以同时工作，也可以交替工作，还可以两者相互协调配合工作，共同给探测器10进行降温。

如图3所示，在一些实施例中，温控装置30包括：第一温度传感器32。

第一温度传感器32可以为TSIC506F数字温度传感器。

TSIC506F传感器提供0.034℃极低的分辨率以最佳化温度控制，部分性能参数如表4所示，其具有低功耗(+3.3V供电时，电流最小值30μA)、长期稳定性高和测量方式简单等优点。

表4 TSIC506F性能参数

第一温度传感器32设于探测器10外，第一温度传感器32与温控芯片37电连接。

可以理解的是，第一温度传感器32可以和探测器10的外壳表面直接接触，测量探测器10外表面的温度，并将读取的温度值传递给温控芯片37，这样就能够使得温控芯片37实时掌握探测器10外壳的温度，从而及时作出控制第一制冷器31和第二制冷器34作出相应的反馈。

在一些实施例中，温控芯片37设置为若探测器10的外部环境温度低于预设温度阈值时，启动第二制冷器34。

比如可以将温度阈值设定为20℃，当第一温度传感器32识别的到的温度为低于20℃时，温控芯片37启动第二制冷器34，通过第二制冷器34对探测器10的内部进行降温，比如可以将探测器10内部环境的温度降到-20℃。

温控芯片37还可以设置为若探测器10的外部环境温度高于21℃时，启动第一制冷器31，通过第一制冷器31降低外部环境温度，若探测器10的外部环境温度低于19℃时，关闭第二制冷器34，从而使得探测器10的外部环境保持在20℃左右的恒定温度范围。

当然温控芯片37还可以设置为控制第一制冷器31间歇性制冷，比如每间隔一分钟开启一次第一制冷器31，第一制冷器31开启时工作时长为半分钟。

如图3所示，在一些实施例中，温控装置30还包括：第一驱动电路33。

第一制冷器31通过第一驱动电路33与温控芯片37电连接，第一驱动电路33包括MOS管桥式开关电路。

可以理解的是，MOS管桥式开关电路能够实现高效的能源转换，第一制冷器31通过第一驱动电路33和温控芯片37电连接，能够使得温控芯片37对第一制冷器31进行稳定高效地控制，降低制冷能耗。

如图3所示，在一些实施例中，第一制冷器31与探测器10通过导热金属39连接，导热金属39与探测器10之间设有导热硅脂。

可以理解的是，第一制冷器31可以通过导热金属39和探测器10的外壳表面接触，导热金属39可以为导热黄铜、导热铝材或者其他导热性强的金属材料，通过导热金属39能够将探测器10的外壳上的热量快速传递给第一制冷器31，第一制冷器31可以对探测器10的外壳进行吸热，实现快速散热降温。

导热金属39和探测器10的外壳表面之间可以均匀涂抹导热硅脂，这样能够使得导热金属39和探测器10的外壳紧密贴合。

如图3所示，在一些实施例中，温控装置30还包括：第二温度传感器35。

第二温度传感器35设于探测器10内，第二温度传感器35与温控芯片37电连接。

第二温度传感器35测量的是探测器10内部环境的温度，温控芯片37可以设置为当第二温度传感器35测量的温度值低于-21℃，控制第二制冷器34停止工作，这样就能避免第二制冷器34持续工作，造成探测器10内部的温度过低，消耗不必要的电能。

如图3所示，在一些实施例中，第二温度传感器为热敏电阻，热敏电阻可以为负温度系数(NTC)热敏电阻，可以设计热敏电阻和定值电阻串联分压作为第二温度传感器35，热敏电阻对于-20℃这种低温比较敏感，这样提高对探测器10内部环境温度的测量精度。

如图3所示，在一些实施例中，温控装置30还包括：第二驱动电路36。

第二制冷器34通过第二驱动电路36与温控芯片37电连接，第二驱动电路36包括OPA549功率运算放大器。

可以理解的是，第二驱动电路36可以为大电流驱动电路，可以采用OPA549功率运算放大器，OPA549功率运算放大器是一种高电压大电流功率运算放大器，OPA549功率运算放大器能够提供极好的低电平信号，能够输出高电压和大电流，可驱动各种负载。该器件的主要特点：输出电流大，连续输出电流可达8A,峰值电流可达10A；工作电压范围宽，单电源为+8V～+60V,双电源为±4V～±60v；输出电压摆动大，有过热关闭功能，电流极限可调，有使能及禁止功能，转换效率(压摆率)最高为9V/μs；工作温度范围为-40℃～+85℃。

通过第二驱动电路36，能够给第二制冷器34提供较大的电流，从而使得第二制冷器34能够快速高效地将探测器10的内部环境温度降低到较低的温度。

在一些实施例中，测量装置20首先驱动G11478型探测器稳定工作，根据探测器10输出信号的特点，采用包括差分放大、低通滤波和可编程增益电路的模拟信号处理器21得到模拟光谱信号，由A/D采集器22将模拟信号转化为数字光谱信号，并在采集过程中应用数字平均滤波算法，降低随机噪声。

如图4所示，探测器10测量过程中，温控装置30工作保证探测器10外部环境温度和内部环境温度的相对稳定。温控过程以实测的温度数据作为输入，应用数字增量型PID算法调节输出，基于公式

Δu(n)＝u(n)-u(n-1)

调解温度输出，其中，K_P表示比例系数；T_I表示积分时间系数；T_D表示微分时间系数；T表示采样周期；n表示采样时刻；Δu(n)表示第n个采样时刻输出值的一个增量；而增量型PID算法中实际作用于第二制冷器34的输出值Δu(n)＝u(n)-u(n-1)。

增量型PID算法的应用需确定一些参数。首先是采样周期T，根据奈奎斯特采样定理，信号中频率最高分量为f_max，则采样周期T_max＝1/2f_max，T选择在T_max内可保证采样信息不丢失，且T不能小于控制器完成一次工作所需的时间Tmin。确定采样周期T后，温控装置30采用工程整定法确定PID控制的比例系数K_P、积分时间系数T_I以及微分时间系数T_D。

设ΔT为实际温度值与目标温度值偏差的阈值，当第n个采样点时刻的偏差值e(n)>ΔT时，说明温控装置30温度的偏差较大，此时输出值u(n)设为最大值u_max，提高温控装置30的动态响应速度。

当第n个采样点时刻的偏差量e(n)<ΔT时，此时实际温度值与目标值相差较小，应用数字增量型PID算法，将比例项和积分项带入系统，保证控制精度。此外，还需限制PID控制器的幅度，即输出值u(n)>u_max时，u(n)＝u_max。

在一些实施例中，温控装置30按照如图5所示的流程图运行。第一制冷器31和第一温度传感器32构成三级恒温系统，三级恒温系统包括第一定时器，用于控制第一制冷器31定时开启和关闭，第二制冷器34和第二温度传感器35构成二级制冷系统，二级制冷系统包括第二定时器，用于控制第二制冷器34定时开启和关闭。第一定时器和第二定时器可以在温控芯片37中集成为定时器。

当温控装置30通电之后，温控芯片37进行自身及其外设初始化操作，通过第一制冷器31读取到探测器10外部环境温度后，根据三级恒温系统的采样周期T1，配置并使能第一定时器定时触发中断，在中断服务程序里执行三级恒温系统的温控子程序，实现对探测器10外部环境的恒温，当判断外部环境温度达到目标20℃，根据二级制冷系统的采样周期T2，配置并使能第二定时器定时触发中断，在中断服务程序里执行二级制冷系统的温控子程序，将探测器10内的温度降低到-20℃。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光谱测量系统，其特征在于，包括：

探测器；

测量装置，所述测量装置与所述探测器电连接，所述测量装置用于驱动所述探测器测量目标光谱信息；

温控装置，所述温控装置与所述探测器连接，所述温控装置用于控制所述探测器的温度。

2.根据权利要求1所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控装置包括：

第一制冷器，所述第一制冷器用于给所述探测器的外部环境降温；

第二制冷器，所述第二制冷器用于给所述探测器的内部环境降温；

温控芯片，所述第一制冷器与所述第二制冷器均与所述温控芯片电连接。

3.根据权利要求2所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控装置包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器设于所述探测器外，所述第一温度传感器与所述温控芯片电连接，所述温控芯片设置为基于所述第一温度传感器获取的所述探测器的外部环境温度，控制所述第一制冷器和所述第二制冷器。

4.根据权利要求3所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控芯片设置为若所述第一温度传感器获取的所述探测器的外部环境温度低于预设温度阈值时，启动所述第二制冷器。

5.根据权利要求2所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控装置还包括：

第一驱动电路，所述第一制冷器通过所述第一驱动电路与所述温控芯片电连接，所述第一驱动电路包括MOS管桥式开关电路。

6.根据权利要求2所述的光谱测量系统，其特征在于，所述第一制冷器与所述探测器通过导热金属连接，所述导热金属与所述探测器之间设有导热硅脂。

7.根据权利要求2所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控装置还包括：

第二温度传感器，所述第二温度传感器设于所述探测器内，所述第二温度传感器与所述温控芯片电连接，所述温控芯片设置为基于所述第二温度传感器获取的所述探测器的外部环境温度，控制所述第二制冷器。

8.根据权利要求7所述的光谱测量系统，其特征在于，所述第二温度传感器为热敏电阻。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的光谱测量系统，其特征在于，所述温控装置还包括：

第二驱动电路，所述第二制冷器通过所述第二驱动电路与所述温控芯片电连接，所述第二驱动电路包括OPA549功率运算放大器。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的光谱测量系统，其特征在于，所述测量装置包括：

模拟信号处理器，所述模拟信号处理器与所述探测器电连接；

A/D采集器，所述A/D采集器与所述模拟信号处理器电连接；

测量芯片，所述测量芯片的输出端与所述探测器电连接，所述测量芯片的输入端与所述A/D采集器电连接。

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