基于虛擬儀器的可見光譜數(shù)據(jù)采集與處理

1 引言
在現(xiàn)代節(jié)能照明中，可見光譜測量是研究光源性能的重要手段，但大多數(shù)測量儀表功能固定且較為單一，不能根據(jù)測量對象及測試要求的多樣性進行靈活的調整和變更，由此帶來了使用中的諸多不便。而利用虛擬儀器技術的優(yōu)勢就可較好的解決這一問題。
虛擬儀器是基于計算機的儀器，它通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮減了儀器硬件的成本和體積，尤其是便于軟件的修改，以實現(xiàn)測試功能的擴展。本文利用目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言 LabVIEW[1]，設計了一個基于虛擬儀器技術的光譜采集與處理系統(tǒng)，功能較強，操作簡便。

2 測量系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)構成
本系統(tǒng)主要由光源、光柵分光系統(tǒng)、 CCD光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、 LabVIEW軟件平臺構成。CCD器件具有卓越的光電響應量子效率、靈敏度高、噪聲低、讀出快、動態(tài)范圍大以及對光的頻率響應范圍寬等優(yōu)點[2]，使它成為光譜檢測的理想探測器。并且，由于它能夠進行多通道并行探測，進而同時探測多條譜線，所以在光電檢測領域得到廣泛了的應用[3]。實驗中，采用 TCD2252型 CCD接收光譜，通過 PCI-6251采集經(jīng) CCD轉化得到的電信號并將數(shù)據(jù)送入計算機，用 LabVIEW編寫程序，實現(xiàn)光譜采集、分析、顯示、存儲等功能。系統(tǒng)組成見圖1。

TCD2252是像元數(shù)為 2700的高靈敏彩色線陣 CCD，采用高靈敏度和低暗電流的 PN結作為光敏單元，內部設有彩色濾光片，信號分紅、綠、藍三路輸出，RGB三陣列靈敏度典型值分別為 7.0V/lx.s、9.1sV/lx.s、3.2V/lx.s，其傳輸效率大于92%，光譜響應范圍寬，在可見光波長范圍內具有良好的光譜響應特性。
2.2 數(shù)據(jù)采集
LabVIEW 對 NI的數(shù)據(jù)采集卡提供了驅動程序,通過在 MAX中創(chuàng)建采集任務及相應參數(shù)，并調用DAQ 函數(shù)就可直接采集CCD的輸出信號 [4]。TCD2252按照彩色三分量RGB進行三路輸出，單獨采集一路或兩路信號時，會造成某些顏色的光譜信號漏采樣，故設計了對R、G、B三路信號同時采集。考慮到用軟件實現(xiàn)時對采集卡采樣率的要求較高，故在采集前先通過加法電路對三路電壓信號值相加（見圖2），進而實現(xiàn) RGB三路光強信號的同時采集。

在采集程序中，為了適應不同強弱光譜信號的采集之需，對所采信號設置了增益的動態(tài)調整功能。同時，注意了背景光的消除，通過“數(shù)組極值”模塊得到采集的最小光強值（一般不是零），將所有光強數(shù)據(jù)減去最小光強，即將最小光強取為零，由此就消除了背景光的影響。此外，用戶可以選擇靜態(tài)測量以及動態(tài)測量方式。為了提高原始數(shù)據(jù)的精度，還可以設置采集幀數(shù)，利用移位寄存器對采集數(shù)據(jù)進行累加后取平均 [5]，并對所得結果進行平滑濾波處理。
2.3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理中，首先利用特征譜線進行標定，根據(jù)光柵分光原理可知，光波長與 CCD像素位置點成多項式關系，故用最小二乘法擬合光譜曲線。在求取特征譜線對應的像元位置時，通過閾值峰值檢測法，先設定一個初始值，若連續(xù) 5點的數(shù)據(jù)值均大于該值，我們認為存在一個譜峰，該譜線的對應像元就可確定為峰值極值兩側大于初始值的兩個像元點之中間位置。利用 For循環(huán)和反饋節(jié)點輸出數(shù)據(jù) 1到2700作為 Build XY Graph橫坐標，光強值作為縱坐標，得到光強圖。本系統(tǒng)采用三點二次擬合方式，在所檢測的已知光譜譜線中，輸入任意三條對應譜線的波長，求出坐標轉換方程的系數(shù)，進而得到擬合方程和光譜曲線。
同樣，利用閾值峰值檢測模塊的調用來實現(xiàn)光譜譜峰的查找，在輸入閾值后就可顯示出波峰的位置、幅值信息。增加波長修正功能，即：當標準峰波長偏大，輸入負值；反之，輸入正值。通過Write LabVIEW Measurement 保存波峰檢測結果以及光譜數(shù)據(jù)，用ReadLabVIEWMeasurement 將已保存數(shù)據(jù)顯示成圖形 [6]。調用光譜圖屬性節(jié)點Image Export 導出光譜圖像，Cursor Position節(jié)點動態(tài)顯示某一波長對應光強值。系統(tǒng)的框圖程序如圖3。