基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

时间：2025-01-10

微型光谱仪

湖南大学

硕士学位论文

基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

姓名：戴笠

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：王岩国;谢中

20090409

微型光谱仪

基于ＦＰＧＡ的微型光谱仪探测系统的研制

摘要

光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置，其应用范围几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等。近年来，随着科学技术的发展，微小型光谱仪已成为世界各国的研究热点，是光谱仪发展的重要趋势。光谱探测系统是微型光谱仪的重要组成部分，是光谱仪微小型化的关键技术之一。

本文主要对微型光谱仪的探测系统进行研究，设计并制作了光谱数据采集、处理及传输系统。为在获得高分辨率的同时，探测系统单次能检测到较宽的光谱范围，选择７５００像素的线阵ＣＣＤ作为探测器件。采用模拟前端芯片ＡＤ９８２２对ＣＣＤ输出信号进行相关双采样、可编程放大及模数转换等处理，转换后的数字信号暂时储存在ＦＰＧＡ中，经处理后通过ＵＳＢ总线传送到计算机，由应用软件完成光谱数据进一步的分析、处理和显示。ＦＰＧＡ为整个系统的核心，主要功能有：ＣＣＤ驱动时序、ＡＤ９８２２采样时序和控制接口时序的产生以及ＵＳＢ通讯控制；１２位采样数据的存储以及多次测量的累加平均、Ｓａｖｉｔｚｋｙ．Ｇｏｌａｙ平滑滤波等预处理，减少了ＵＳＢ通讯量，提高了系统信噪比；ＣＣＤ曝光时间及可编程放大器增益大小的自适应调节，能根据待测光源将信号幅值调整到合适范围，并扣除ＣＣＤ暗电平，提高了系统动态范围；指令接收，应用程序能控制探测系统的运行及参数，增加了系统的灵活性。

采用ＰｒｏｔｅｌＤＸＰ完成了系统的原理图和ＰＣＢ设计，利用Ｑｕａｒｔｕｓ、Ｍｏｄｅｌｓｉｍ和Ｓｙｎｐｌｉｆｙ软件设计、仿真并实现了各逻辑模块。使用示波器及嵌入式逻辑分析仪对制作的探测系统进行调试，各模块均能正常工作。结合光学平台和应用软件的测试表明，探测系统能清晰分辨钠光谱的双黄线，成功地完成光谱数据的采集、处理及传输。

关键词：微型光谱仪；ＦＰＧＡ；线阵ＣＣＤ；ＵＳＢ；相关双采样；自适应调节；平

滑滤波ＩＩ

微型光谱仪

硕上学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓａｎｏｐｔｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｕｓｅｄｉｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃａｎａｌｙｓｉｓｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙ

ａｓｍａｔｅｒｉａｌｓ．ｗｈｉｃｈｉＳａｐｐｌｉｅｄｉｎａｌｍｏｓｔａｌｌｆｉｅｌｄｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｓｕｃｈ

ｇｅｏｌｏｇｙ，ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ａｓｔｒｏｎｏｍｙ，ｅｔｃ．Ｗｉｔｈ

ａｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｍｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｍｉｎｉａｔｕｒｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｈａｓｂｅｃｏｍｅ

ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ａｓ

ｓｙｓｔｅｍｉｓｏｎｅａｎｒｅｓｅａｒｃｈｆｏＣＵＳｗｏｒｌｄｗｉｄｅａｎｄｉｓｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｒｅｑｕｅｓｔ．

Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ａｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｏｇｅｔａｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈ

ａｓｗｉｄｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｎｇｅ．ａ７５００ｐｉｘｅｌｓｌｉｎｅａｒＣＣＤｉＳｃｈｏｏｓｅｄ

ｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ．ＣＣＤｄｏｕｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｂｙａｎａｌｏｇｆｒｏｎｔｅｎｄＡＤ９８２２．ＴｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｄｄａｔａｗｈｉｃｈｓｔｏｒｅｄｉｎＦＰＧＡｔｒａｎｓｍｉｔｓｔｏＰＣｔｈｒｏｕｇｈＵＳＢａｆｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ

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ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｍｉｎｉａｔｕｒｅＤｏｕｂｌｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ＦＰＧＡ；ｌｉｎｅａｒＣＣＤ；ＵＳＢ；Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ

Ｓａｍｐｌｉｎｇ；Ａｄａｐｔｉｖｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ；ＳｍｏｏｔｈＦｉｌｔｅｒＩＩＩ

微型光谱仪

湖南大学

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日期：似份南弓日

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微型光谱仪

硕Ｊ：学位论文

第１章绪

１．１课题研究背景论

光谱仪器是通过研究、测试物质的光谱来分析物质化学组成及其含量的重要分析仪器，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备ｎ，。

对光谱的研究最早可以追溯到１７世纪，牛顿进行了著名的三棱镜分光实验。１８５９年，Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ和Ｂｕｎｓｅｎ制成世界上第一台结构完整的光谱仪器。现代光谱技开始于二战期间的工业应用，在１９４０年，ＡｒｎｏｌｄＢｅｃｋｍａｎ制作出了叫做ＢｅｃｋｍａｎＤＵ的仪器，被认为是第一台商业化的紫外一可见光分光光度计心１。２０世纪６０年代左右，已经建立了完整的光谱定性、定量分析方法以及整套光谱线谱、图谱，并发展了与从真空紫外到远红外各波段光谱相适应的光谱仪器。此后一段时间光谱仪的发展一度停滞，在原理、设计、应用各方面似乎已经满足了当时科技、产业的需求。

传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足，不能满足现场检测、实时监测的要求。近年来，随着现代科学技术的飞速发展，许多研究、应用领域如航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测等对光谱仪器提出了小型化、微型化、集成化、使用方便灵活、性能价格比高等更高的要求。因此，微型光谱仪的研究已成为世界各国的热点，是光谱仪器发展的重要趋势之一。微小型化的光谱仪器在一定程度上扩大了光谱仪的应用范围，在以往无法应用光谱仪的领域，通过光谱仪的微小型化可以实现其许多新的应用口￣７１。

１．２微型光谱仪国内外的发展现状

光谱仪的微小型化趋势可以追溯到２０世纪９０年代初期，从那时起光谱仪器才逐渐摆脱了实验室的局限。光纤的批量生产、高效低廉的光学元件及线性阵列检测器件的出现，个人计算机的使用，ＭＥＭＳ及二元光学等微制造技术，这些相关技术的发展使得光谱技术的应用延展到实验室之外的更加广阔的领域∞１。

近年来国内外出现了一些近紫外、可见光和近红外波长范围的微小型光谱仪，最著名的是美国ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ公司的光纤光谱仪。ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ的ＵＳＢ４０００光谱仪是该公司的旗舰产品，如图１．１所示。模块化的ＵＳＢ４０００光谱仪有１４种不同的光栅可供选择，采用非对称交叉Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｒｎｅｒ光路，可以响应紫外到近红外从

微型光谱仪

茎三坚！！塑堡呈耋童堡堑耋耋薹塑矍矍

２００ｈｍ到ｉ１００ｎｍ的光谱范围，半峰全宽（ＦＷＨＭ，ｆｕｌｌｗｉｄｔｈ

分辨率为ｏ３ｒｉｍ一１０ａｔｈａｌｆｍａｘｉｍｕｍ）０ｎｍ，取决于光栅的刻数和狭缝的太小”１。

围１１ＵＳＢ４０００光谮仪

荷兰Ａｖａｎｔｅｓ公司的ＡｖａＳｐｅｃ光纤光谱仪系列采用Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｒｎｅｒ光学平台设计，可以在更宽的谱段范围内实现更高的光学分辨率，更容易消除杂散光，而且在近红外谱段有更好的色散效应等。光谱仪的焦距有４５ｒａｍ或７５ｎｕｎ两种。信号光由光纤传导并经一个标准的ＳＭＡ接口进入光学平台，经一个球面镜准直，然后由一块平面光栅分光，经由第二块球面镜聚焦到一个一维线性探铡器阵列上，如图１．２所示。提供１６种不同色散系数和闪耀波长的光栅供用户选择，测量波长范围２００ｈｍ－１１００ｎｍ，分辨率同样取决于光栅和狭缝的选择，最高分辨率０．０４ｎｍ，此时的狭缝宽度为１０岍ｌ，疆盖的光谱范围为７５ｎｍ“１。

掉测罂

光学连接譬

圈１２ＡｖａＳｐｅｅ系列光谱傥的光学平台

Ｔｈｅｒｍａｌ美国亚利桑那州立大学研制了一种微型热发射光谱仪（Ｍｉｎｉ

ＥｍｉｓｓｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，Ｍｉｎｉ．ＴＥＳ）。Ｍｉｎｉ．ＴＥＳ是美国ＮＡＳＡ在２００３年发射的火星登陆器中Ａｔｈｅｎａ探测装置的一部分，设计目的为矿物的遥感探测，是一种傅立叶变换光谱仪““。这种以迈克尔逊干涉仪为基础的博里叶光谱技术广泛用于红外光谱法，具有分辨率高、杂散光影响小且有利于弱光检测等优点，但色散系统结构复杂。

国内，微型化、适合现场工作的光谱仪研究起步较晚，商品化的仪器不多。一些高校和研究所在微小型光谱仪研制方面做了大量工作，并相继研制出一些微型光谱仅样机。一些仪器公司也相继开发并研制出了小型化、现场应用的光谱仪器。中国科学院长春光学精密机械和物理研究所吴一辉等人研究的一种微型光谱

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硕士学位论文

仪，采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝和小型折叠Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｒｎｅｒ结构，通过内部集成光阑来抑制杂散光，半峰全宽分辨率为０．８５ｎｍ，波长标定精度小于Ｏ．２ｎｍｎ¨。

重庆大学温志渝等人研制了一种微型光谱仪。采用全息凹面平场光栅作为分光成像元件，波长准确度小于ｌｎｍ，在采用芯径为５０Ｉ．ｔｍ的多模光纤时，光谱分辨率可以达到１．３１ｎｍｎ引。

北京普析通用仪器研制的ＰＯＲＳ．１５便携式快速光谱仪器，配合外置紫外可见一体化光源，可进行２００～８００ｎｍ紫外可见光波段测量，是我国第一款拥有自有知识产权的快速便携式光谱仪ｎ朝。该光谱仪采用凹面平场光栅，保证良好的谱线质量，实现同步分光，ＮＭＯＳ线性图象传感器作为接收器。数据分辨率为０．６ｎｍ，ＦＷＨＭ分辨率为４ｎｍ，波长准确度小于１．０ｎｍ，测量精密度为±２％ｎ引。该仪器最主要的应用领域为水质快速测定。

从以上微型光谱仪的研究现状可以看出，其分光原理与传统光谱仪并无多大区别，主要采用光栅分光，其优点是系统结构简单，通常为光栅、成像元件及探测器组成，光谱仪很大部分采用Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｒｎｅｒ光学结构。凹面光栅兼有分光和成像的功能，也运用的比较多，它可替代Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｒｎｅｒ结构中的两块凹面反射镜和平面光栅，进一步简化了光谱仪的结构。而在红外波段，分光方式主要有：傅立叶变换分光、声光可调谐滤光器分光以及移动光栅扫描分光等ｎ引。

绝大多数微型光谱仪都配有光纤接口作为狭缝。小巧的光纤探头可以直接插入那些非准直空间和无法采样的小空间中，采样方式变得更为灵活，从而提高了光谱仪的应用范围。由于从光源信号到光谱仪的入射点不会有太长的传播距离，可以近似为零损耗，不仅使光谱仪性能明显提高，而且使光谱仪器的使用方式发生极大改变，可利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引入光谱仪器进行测量ｎ们。

１．３光谱探测系统的发展现状

当前，光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测装置：一个或多个出射狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出所需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光电元件上，变成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱图。应用光电探测系统扩大了能够检测的工作光谱范围；提高了测量的精度、灵敏度和速度；实现了数字化和自动化。影响光谱仪微小型化的重要因素之一就是光谱信号探测系统的硬件设计。微型光谱仪的光谱信号探测系统对微型光谱仪的实用化有着关键的作用。

光电探测器件最早采用的是单个的光电元件，这种系统需要光栅转动机构与之配合才能获得整段的光谱信号，这种需要机械扫描方式的系统已不能满足许多领域对光谱仪的体积和速度的要求。随着微电子技术的飞速发展，光谱仪器中必

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基于ＦＰＧＡ的微型光谱仪探测系统的研制

需的探测器件、微电子器件、微处理器等等，如今都已有种种小型化、微型化、全固态的产品可供应用，光谱仪器微小型化、高分辨、光电化才得以迅速发展，其接收系统从最初的目视系统发展到如今的光电系统。同时，计算机技术与光谱仪器的结合，推动了光谱仪器向简用化、自动化及智能化方向发展ｎ＂。

随着半导体技术的发展，各种光电阵列探测器不断涌现，它采用电扫描取代了机械扫描，能快速、实时、直观、一次性的获取所需的整段光谱信号，并使光谱仪小型化、集成化成为可能，因此在现代光谱仪中应用非常广泛。微型光谱仪使用的线性探测器主要有以下几种阳１：

ｌ、电荷耦合器件（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ，ＣＣＤ）。ＣＣＤ是１９６９年发明的光电传感器，它的诞生使整个光谱仪器领域发生了革命，最早在１９８８年Ｄｅｎｔｏｎ等就应用ＣＣＤ进行原子光谱分析ｎ引。线阵ＣＣＤ是探测可见光最常用的一种光电转换器件，它能把一幅空间域分布的光学图像转变成一列按时间域分布的离散信号电压，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、输出方便、寿命长等特点，其重要特性如下ｎ９￣２¨：

①光谱响应范围宽。一般的ＣＣＤ器件可工作在４００ｎｍ～１１００ｎｍ波长范围内。在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射减薄的ＣＣＤ，工作波长极限可达１００ｎｍ。

②灵敏度高。ＣＣＤ具有很高的单元光量子产率，正面照射的ＣＣＤ的量子产率可达２０％，若采用背部照射减薄的ＣＣＤ，其单元量子产率高达９０％以上。

③动态响应范围宽。ＣＣＤ的动态响应范围在４个数量级以上，最高可达８个数量级。

④光敏单元的几何位置精度高，空间分辨率高。

⑤能在低光条件下采集信号。即使在低照度下，ＣＣＤ也能顺利完成光电转换和信号输出。

⑥积分时间可从几毫秒到上千秒。

⑦抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。

ＣＣＤ器件由于具有卓越的光电响应量子效率以及对可见光的频率响应范围宽的特性，成为光谱分析仪器理想的探测器。同时，ＣＣＤ在分辨率、动态范围、和空间分辨力等方面具有优越性，是光谱仪中应用最广的探测器。当前使用最多的是２０４８像素或３６４８像素的线阵ＣＣＤ，如ＵＳＢ４０００光谱仪采用东芝ＴＣＤｌ３０４ＡＰ型３６４８像素线性ＣＣＤ阵列探测器，１６位模数转换器，ＣＣＤ积分时间为３．８ｍｓ到１０ｓ旧１。Ａｖａｎｔｅｓ公司Ａｖａｓｐｅｃ．２０４８型光纤光谱仪采用索尼２０４８像素ＣＣＤ，工作频率为１．３３ＭＨｚ的１４位Ａ／Ｄ，积分时间为２ｍｓ到６０ｓ。

２、光电二极管阵列（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅＡｒｒａｙ，ＰＤＡ）。一个硅光电二极管阵列是一个由多个二极管单元组成的线性阵列，当信号光照射到光电二极管上时，电子４

微型光谱仪

就会被激发并输出电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出，积分放大器一体式的集成化信号处理电路。光电二极管的优点是在近红外区灵敏度高，响应速度快：缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。

３、ＣＭＯＳ线性成像传感器。ＣＭＯＳ线性成像传感器比ＣＣＤ阵列传感器具有较低的电荷一电压转换效率，因此光灵敏度较低，但是却具有较高的信噪比。ＣＭＯＳ的内部电路中有箝位电路，可以把噪声抑制到一个很低的水平。ＣＭＯＳ探测器的优点是信噪比高、紫外波段灵敏度高：缺点是读出速率低、灵敏度低。ＡｖａＳｐｅｃ１０２４型光纤光谱仪带有１０２４像素ＣＭＯＳ探测器阵列，采用带１４位ＡＤ转换卡的ＵＳＢｌｌ或新型的带１６位ＡＤ转换卡的ＵＳＢ２０接口，特别适合需要低噪声、高分辨率的应用领域。

４、ｌｎＧａＡｓ线阵图像传感器。ＩｎＧａＡｓ线性成像传感器在近红外波长区域有着极高的灵敏度。探测器包括一个ＣＭＯＳ管的电荷放大阵列，一个移位寄存器和一个定时脉冲发生器。ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ公司的ＮＩＲ．５１２温度可调的近红外（ＮＩＲ）光谱仪，配置有具有温度调节功能的５１２像素ＩｎＧａＡｓ线阵探测器，波长检测范围为０９．１７ｕｍ，并提供小于５．０ｍｎＦＷＨＭ光谱分辨率。

ＣＣＤ、ＰＤＡ、ＭＯＳ探测器适用于紫外可见一近红外（２００～１１００ｒｉｍ），而ＩｔｔＧａＡｓ传感器适用于近红外（１０００ｎｍ～２５００ｎｍ）。对于紫外波段的应用，一般选用ＣＭＯＳ探测器或者深紫外增强型ＣＣＤ探测器。在近红外区域，一般选择ＩｎＯａＡｓ探测器。ＣＭＯＳ探测器拥有最高的信噪比，一般用于要求低噪声的场合。

微型光谱仪光积分时间在几毫秒到几秒甚至几分钟范围内可调，一般由计算机端的软件控制。光谱器探测器输出的模拟信号要经过模数转换才能做进一步的处理，选用的Ａ／Ｄ转换器一般为１２～１６位。图１．３为ａｖａｎｔｅｓ公司开发的一款具有代表性的光谱仪数据电路板，它可以支持多种新型探测器和蓝牙（Ｂｌｕｃｔｏｏ血）通信。新型的ＡＳ一５２１６电路板是基于功能强大的５２１６Ｃｏｌｄｆｉｒｅ微处理器，运行频率高达６４ＭＨｚ，有１４位ＡＤ转换器和ＵＳＢ２．０／ＲＳ２３２接口，积分时间１０微秒一１０分钟（取决于探测器），内置ＳＤＲＡＭ卡。

图Ｉ３ＡＳ一５２１６微处理器电路扳高分辨率ＣＣＤ阵列光谱仪需要处理大量复杂的光谱数据，计算机大大降低了

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基于ＦＰＧＡ的微型光谱仪探测系统的研制

高速获得和处理光谱数据的成本，同时使这一件事变得很容易。随着计算机技术的发展，光谱仪可以通过便捷的接口与计算机连接，通过功能强大的Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统和光谱分析软件完成各种特定检测功能。而ＵＳＢ作为一种主流的接口技术，加上它即插即用、支持热插拔以及相对较高的数据传输速度等特点，使得它成为了扩展计算机功能、实现与计算机仪器相结合的最佳选择心２’２３１。几乎所有的光谱仪都提供ＵＳＢ接口，将采集到的数据送到计算机，由应用软件来完成光谱数据的处理、分析、显示和存储等功能。

现代高集成度的探测器件和ＵＳＢ接口技术应用于微小型光谱仪器系统，对光谱仪的微小型化、自动化及智能化起着重要作用。随着显示技术的发展，目前出现了可脱离计算机独立工作的便携式微型光谱仪。如ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ公司的Ｊａｚ手持式光谱仪自身带有微处理器无需计算机就可处理数据，带ＯＬＥＤ显示屏，可连接以太网，另外还有ＳＤ内存卡接口。从光谱仪的屏幕上可以看到所测量的光谱并能对数据进行存储，但光谱仪的屏幕上只能粗略地显示发光光谱，若想细致地观察发光光谱只需把存储的数据输入到计算机中即可心钔。ＰＯＲＳ．１５便携式光谱仪器采用独特的液晶触摸显示屏技术，将显示与输入集成，可独立完成光谱扫描、光度测量、定量测定及峰值检出等功能ｎ们。

１．４本文的研究意义和主要工作

１．４．１研究意义

传统的光谱仪器，存在着体积、重量过大、对工作环境要求苛刻等因素，较难进行在线实时测试和监控。微型光谱仪由于尺寸等因素的限制，虽然在分辨率等参数上有一定的降低，但具有以下优点：易于实现模块化，嵌入许多其它系统；由于采用新颖光电接收器件，可以进行实时及多通道分析，具有现场应用价值；耐用、紧凑、易于校准、抗振动、抗环境温度压力变化的影响、操作简单；具有二次开发性能，可以利用微小型光谱仪来制造其他分析仪器陋５Ｊ。

今天光谱及相关光传感技术己经发展成了几十亿美元的产业，光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等心１。所以设计集成化、小体积、低成本的探测系统以满足光谱仪系统的需要是必需的。１．４．２本论文主要内容

微型光谱仪由光学系统、探测电路以及计算机端的应用程序三个部分组成。本文主要目的是为微型光谱仪研制高分辨率、宽光谱范围的探测系统。当前以线阵ＣＣＤ为探测器件的光谱仪基本上使用２０４８或３８４６像素ＣＣＤ。本设计选用７５００像素线阵ＣＣＤ，为的是在满足高的光谱分辨率的同时，系统具有较高的波长准确性和较宽的光谱范围。便携式光谱仪目前很少见，绝大多数微型光谱仪由计算机６

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硕十学位论文

完成数据处理及系统控制，本设计在完成光谱数据采集和传送的基础上，在探测系统加入数据处理和自动控制模块，为便携式光谱仪的研制打下基础。

本文结构安排如下：

第１章为绪论部分，介绍了本文的研究背景，阐述了微型光谱仪及其探测系统的发展现状，并对本论文的研究意义及目的进行了描述。

第２章介绍了光谱仪的原理和结构，分析了决定光谱仪性能的主要因素，在此基础上给出了本微型光谱仪所采用的光学系统结构以及ＣＣＤ的选择。

第３章先提出探测系统的整体框架，然后分析了ＣＣＤ工作原理以及输出信号特性，并设计了ＣＣＤ驱动电路、ＣＣＤ模拟前端处理电路、ＵＳＢ接口电路、ＦＰＧＡ核心电路以及整个系统的电源电路，最后为整个硬件系统设计了印刷电路板。

第４章先介绍了ＦＰＧＡ的开发工具，然后以自上而下的方法设计、仿真并实现了各逻辑模块，包括ＣＣＤ的驱动时序、模拟前端的双采样时序，模拟前端控制接口、数据存储和处理、ＵＳＢ通讯模块以及控制模块。

第５章介绍了微型光谱仪的应用程序以及嵌入式逻辑分析仪，给出了实际电路的调试结果，并用标准光源对系统进行测试。

最后对论文工作进行了总结，并展望进一步的研究工作。７

微型光谱仪

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微型光谱仪

硕士学位论文

使用线阵探测器件的光电探测系统。

２．１．１色散元件及分光原理

色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。经典光谱仪所采用的色散系统，按其作用原理可以分为：

１）物质色散：不同波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因而折射率不同，例如光谱棱镜。

２）多缝衍射：不同波长的辐射在同一入射角条件下射到多缝上，经衍射后其主极大的方向不同，如光栅。

３）多光束干涉：一束包含各种波长的辐射在平板上被分割成多支相干光束，根据干涉光束互相加强的条件，各波长的干涉极大值位于空间上不同点。

随着光栅技术的成熟，棱镜已经很少用做分光系统中的色散元件，应用最广泛的是反射式衍射光栅，通常简称为反射光栅。光谱仪器中常用的几种反射光栅为：平面光栅，凹面光栅、平场凹面光栅。

平面反射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽并等间隔的刻痕而制成的，刻线的间距ｄ称为光栅常数。光栅作为光谱仪的色散元件应该工作在平行光束之中。如图２．２所示，平行光束１、２射到平面光栅上时，光栅的每条刻线都起着衍射的作用，而同时各刻线的同一波长的衍射光束１．、２‘的方向一致，它们经过物镜的聚合，并在焦平面上发生干涉，光栅的色散方程为：

ｄ（ｓｉｎＯ＋ｓｉｎｉ）＝研五（２．１）

式中，ｉ为入射角；口为反射角；ｒｎ为光谱级次，取整数（ｍ＝Ｏ，±ｌ，±２，…）。可以看出当光栅常数和入射角一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光束衍射角越大，这样不同的波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧，按波长次序由小到大散开，在实际的光栅衍射图样中，由于总的刻线数很大，所以主最大对应的角宽度很小，在透镜的后焦面上就形成非常明锐的细谱线。

图２．２平面反射光栅色散原理

平面光栅的出射光谱为平面，不会产生像差，但是由于其本身不具有聚焦功能，因此在设计相关的光路时，须要有相应的聚焦物镜加以配合。

２．１．２光谱仪的性能参数

光谱范围指能被光谱仪检测到的光信号的波长范围。对于一具有固定光学成９

微型光谱仪

基于ＦＰＧＡ的微型光谱仪探测系统的研制

像系统，光谱覆盖范围取决于所有光栅的光栅常数和探测器阵列及其长度。

色散率可分为角色散率和线色散率，前者表明二条不同波长的光线彼此分开的角距离，后者表明不同波长的二条谱线在成像焦平面上彼此分开的距离。

平面反射光栅的角色散率可由式（２．１）微分得到：

一ｄＯ：竺一一。’—’—————。。’一ｄ２ｄｃｏｓ８（２２）、，，Ｊ

‘‘。’’。。

在靠近光栅平面法线的范围内，衍射角目很小，ｃｏｓ０值近似等于１，于是ｄ０／ｄ２近似于常数，即日与Ａ差不多成线性关系，这种色散为常数的光谱称为“正常光谱”或“匀排光谱”，在实际使用中可简单地按线性比例关系求取谱线的位置。

平面反射光栅的线色散率为角色散率与成像物镜焦距．疋的乘积。

分辨率的定义为谱线波长Ａ与邻近刚好能分开的两条谱线波长差龇的比值，是表明光谱仪器分开波长极为接近的二条谱线的能力，这是光谱仪器极为重要的性能指标。

在实际应用中，光谱分辨率常常定义为半峰全宽值（ＦｗＨＭ），即一窄带谱线在光谱仪中所测得的谱线轮廓下降到最大值的一半时的轮廓宽度，也称为光谱带宽。光谱带宽越窄，则意昧着仪器的分辨力越高，理想条件下光谱带宽融为旺引：

８２：ａ，ｄ．ｃｏｓｉ（２．３）

ｍｆ，

式中ａ。为狭缝宽度，．‘为准直物镜焦距。可以看出光谱带宽于入射狭缝的宽度及光栅常数成正比；与准直物镜的焦距和光谱级次成反比；并且与成像物镜的焦距无关，成像物镜焦距只影响线色散率，对焦面上光斑的光谱带宽并无影响。

波长准确度是光谱仪检测到的波长与实际波长的差别。

像元分辨力是采用阵列探测器作为探测系统的光电光谱仪所特有，指光谱仪探测器单个像元所代表的光谱范围觑ｕ２引：

觑’：—ｄｐｃ—ｏｓＶ

ｍＡ（２．４）

式中Ｐ为探测器像元中心距，曰为某一波长的衍射角。觑’与成象物镜的焦距、光谱级次成反比，与光栅常数、像元中心距成正比。像元中心距越小则像元分辨力越小，系统性能越好；但此时必须考虑到像元中心距减小所带来的负面影响：光敏面减小，其响应灵敏度也随之减小。

２．２微型光谱仪光学系统结构

微型光谱仪的光学系统依然利用传统光谱仪的色散及成像原理，但由于尺寸要微小型化，结构设计上不会全部依照传统光谱仪进行设计。其光路设计采用对称的Ｃｚｅｒｎｙ．Ｔｕｎｎｅｒ结构，如图２．３所示。待测光从光纤耦合器导入，通过４５。１０

微型光谱仪

硕Ｌ学位论文

平面反射镜ａ投射到凹面反射镜ｂ上，凹面反射镜ｂ将待测光准直成平行光后投射到平面反射光栅Ｃ，光栅将复合光按波长顺序在空间分离，经凹面反射镜ｄ聚焦后，再由反射镜ｅ反射到线阵ＣＣＤ上处成像。

图２．３微型光谱仪的光学结构

采用这样对称结构的光路能在有限的空间使光程更长，可提高光学系统的色散能力和分辨率。同时，该结构可以保证光线在光栅的主截面内发生色散，并且反射镜系统没有色差，便于得到平直的谱面，实用的光谱范围更大。

因为凹面反射镜ｂ和ｄ是固定的，根据公式（２．４），该系统的光学分辨率由狭缝和光栅决定。平面反射光栅的总刻线数从根本上决定了光谱仪的光谱分辨力，同时其衍射效率也影响着光谱仪的可用光谱范围和光通率。

ＣＣＤ是一种离散探测器，每个像敏单元不是数学上的点，而是具有一定面积的，因此每个抽样点的值实际上是像敏单元内光能量的积分，对光谱信号的获取是通过对探测面上的光谱信号积分抽样来得到的。文献［２６１提出在满足奈奎斯抽样定理，即一条高斯型谱线至少涵盖５个像敏单元时，阵列器件对谱线的测量才有较高的波长准确性，并对光谱带宽、光谱分辨力不会造成太大影响；为能同时满足系统的光谱分辨力与波长准确性的要求，像敏单元的中心距在适当的范围内越小越好。

微型光谱仪中光谱在探测器上是均匀分布的，单次测量的理论最大光谱范围为单个像元所代表的光谱范围觑’与ＣＣＤ有效像素的乘积。由公式（２．４）和（２．５），当ＣＣＤ的像元宽度确定时，像元分辨率和光谱分辨率是成正比的。因此，对于一个带有确定的检测器阵列的光学平台来说，光谱分辨率和光谱覆盖范围是成反比的。

本系统主要对可见光区．近红外区的光谱进行探测，为在实现高分辨率的同时，尽可能获得宽的光谱范围，应选择像元宽度小、有效像素多的线阵ＣＣＤ。本课题选取日本东芝的ＴＣＤｌ７０３Ｃ，是一款高灵敏度、低暗电平噪声线阵ＣＣＤ，像元尺寸为７“ｍ×７９ｍ，中心距为７“ｍ，有效像元数多达７５００个。ＴＣＤｌ７０３Ｃ与光

微型光谱仪

基于ＦＰＧＡ的微型光ｉ｝譬仪探测系统的研制

谱探测一些相关的性能参数如下：

１、光谱响应范围。光谱响应特性表示ＣＣＤ对于各种单色光的相对响应能力，其中响应度最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应的５０％所对应的波长范围称为光谱响应范围。ＴＣＤｌ７０３Ｃ光谱响应曲线如图２．４所示，在可见光区光谱的相对响应强度均大于５０％。

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