基于虚拟仪器的可见光谱数据采集与处理

1 引言
在现代节能照明中，可见光谱测量是研究光源性能的重要手段，但大多数测量仪表功能固定且较为单一，不能根据测量对象及测试要求的多样性进行灵活的调整和变更，由此带来了使用中的诸多不便。而利用虚拟仪器技术的优势就可较好的解决这一问题。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩减了仪器硬件的成本和体积，尤其是便于软件的修改，以实现测试功能的扩展。本文利用目前国际上唯一的编译型图形化编程语言 LabVIEW[1]，设计了一个基于虚拟仪器技术的光谱采集与处理系统，功能较强，操作简便。

2 测量系统设计
2.1 系统构成
本系统主要由光源、光栅分光系统、 CCD光电探测器、数据采集卡、 LabVIEW软件平台构成。CCD器件具有卓越的光电响应量子效率、灵敏度高、噪声低、读出快、动态范围大以及对光的频率响应范围宽等优点[2]，使它成为光谱检测的理想探测器。并且，由于它能够进行多通道并行探测，进而同时探测多条谱线，所以在光电检测领域得到广泛了的应用[3]。实验中，采用 TCD2252型 CCD接收光谱，通过 PCI-6251采集经 CCD转化得到的电信号并将数据送入计算机，用 LabVIEW编写程序，实现光谱采集、分析、显示、存储等功能。系统组成见图1。
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TCD2252是像元数为 2700的高灵敏彩色线阵 CCD，采用高灵敏度和低暗电流的 PN结作为光敏单元，内部设有彩色滤光片，信号分红、绿、蓝三路输出，RGB三阵列灵敏度典型值分别为 7.0V/lx.s、9.1sV/lx.s、3.2V/lx.s，其传输效率大于92%，光谱响应范围宽，在可见光波长范围内具有良好的光谱响应特性。
2.2 数据采集
LabVIEW 对 NI的数据采集卡提供了驱动程序,通过在 MAX中创建采集任务及相应参数，并调用DAQ 函数就可直接采集CCD的输出信号 [4]。TCD2252按照彩色三分量RGB进行三路输出，单独采集一路或两路信号时，会造成某些颜色的光谱信号漏采样，故设计了对R、G、B三路信号同时采集。考虑到用软件实现时对采集卡采样率的要求较高，故在采集前先通过加法电路对三路电压信号值相加（见图2），进而实现 RGB三路光强信号的同时采集。 
 
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在采集程序中，为了适应不同强弱光谱信号的采集之需，对所采信号设置了增益的动态调整功能。同时，注意了背景光的消除，通过“数组极值”模块得到采集的最小光强值（一般不是零），将所有光强数据减去最小光强，即将最小光强取为零，由此就消除了背景光的影响。此外，用户可以选择静态测量以及动态测量方式。为了提高原始数据的精度，还可以设置采集帧数，利用移位寄存器对采集数据进行累加后取平均 [5]，并对所得结果进行平滑滤波处理。
2.3 数据处理
数据处理中，首先利用特征谱线进行标定，根据光栅分光原理可知，光波长与 CCD像素位置点成多项式关系，故用最小二乘法拟合光谱曲线。在求取特征谱线对应的像元位置时，通过阈值峰值检测法，先设定一个初始值，若连续 5点的数据值均大于该值，我们认为存在一个谱峰，该谱线的对应像元就可确定为峰值极值两侧大于初始值的两个像元点之中间位置。利用 For循环和反馈节点输出数据 1到2700作为 Build XY Graph横坐标，光强值作为纵坐标，得到光强图。本系统采用三点二次拟合方式，在所检测的已知光谱谱线中，输入任意三条对应谱线的波长，求出坐标转换方程的系数，进而得到拟合方程和光谱曲线。
同样，利用阈值峰值检测模块的调用来实现光谱谱峰的查找，在输入阈值后就可显示出波峰的位置、幅值信息。增加波长修正功能，即：当标准峰波长偏大，输入负值；反之，输入正值。通过Write LabVIEW Measurement 保存波峰检测结果以及光谱数据，用ReadLabVIEWMeasurement 将已保存数据显示成图形 [6]。调用光谱图属性节点Image Export 导出光谱图像，Cursor Position节点动态显示某一波长对应光强值。系统的框图程序如图3。
 
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图 4为系统主界面，左半部份为工作控制面板，控制系统执行某个任务以及显示结果，中间部分显示像元号及对应光强值。右半部份为图像显示区，上窗口为光强度随像元的变化，下窗口显示的是光强随波长的变化，即光谱图，用户可以通过图形工具选板对光谱曲线进行横向、纵向、区域等多种放大方式。此外，为方便系统在非 LabVIEW环境下正常运行，通过新建项目菜单首先打包成可执行文件，进而创建成安装文件。
 
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3 实验数据及分析
首先对谱线在 CCD上的对应像元位置进行标定。实验中选择氦灯的 4条特征谱线分别为 388.9nm、447.2nm、501.6nm、587.6nm，先采集数据得到各谱线峰值在 CCD上对应的像元位置如表 1所示。
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再进行二次多项式拟合[7]，拟合函数可以设为：
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显然，线性定标法的误差相对较大，因此，二次标定比线性标定更加接近实际值，从而进一步提高了系统测量精度。

4 光谱测量的远程访问
本系统基于 LabVIEW 8.5虚拟仪器平台，它在远程应用上提供了非常便捷的网络传输方式，主要有 DateSocket技术、浏览器以及 Remote panel方式。其中 Web发布方式操作起来最为方便，不要求在客户端电脑上安装 LabVIEW软件，只要打开网页就能访问嵌于其中的程序前面板，因此，本系统选用网页发布模式。具体操作时，在工具菜单中启用 Web Server，并设置服务器所在位置，端口使用默认值；在浏览器访问权限中设置用户的访问权限。对浏览器地址设置哪些客户端有权查看和控制 VI前面板，哪些只允许查看，哪些拒绝访问。另外选择菜单中的 Web发布工具，选择光谱数据采集与处理系统.vi，会自动生成一个 HTML文件，将 HTML文件保存，被授权的远程客户端就可以通过访问该网络地址访问此系统。
5 结束语
本文采用彩色线阵 CCD进行光电转换，能一次采集多条谱线，测量效率高。采用二阶定标法进行波长标定，提高了测量精度。运用 LabVIEW编程，实现了光谱的数据采集、分析、显示和存储等功能，用户能方便地进行远程访问，掌握测量情况。整个系统具有易开发和扩展等优点。