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[導讀]設(shè)計了一個基于虛擬儀器的可見光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。對彩色線陣 TCD2252的 RGB三通道輸出進行加法處理,提高了系統(tǒng)靈敏度;利用氦燈特征譜線、根據(jù)二階定標法對系統(tǒng)進行波長標定,比傳統(tǒng)的線性定標法改善了測量精度;通過網(wǎng)絡實時發(fā)布測量數(shù)據(jù),遠程用戶可方便地瀏覽測量情況。利用 LabVIEW8.5編寫測試程序,實現(xiàn)了光譜的采集、處理、分析、顯示及傳輸?shù)裙δ堋嶒灲Y(jié)果表明測量誤差在可接受的范圍內(nèi)。

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(diào)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(shù)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(jié)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(shè)計了一個基于虛擬儀器技術(shù)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(shè)計
2.1 系統(tǒng)構(gòu)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(gòu)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(lǐng)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(zhuǎn)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。
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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(jié)作為光敏單元,內(nèi)部設(shè)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(nèi)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(qū)動程序,通過在 MAX中創(chuàng)建采集任務及相應參數(shù),并調(diào)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(shè)計了對R、G、B三路信號同時采集??紤]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。 
 
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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(shè)置了增益的動態(tài)調(diào)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(shè)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(jié)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(guān)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(shè)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(cè)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(zhuǎn)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(diào)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(jié)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(diào)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。
 
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圖 4為系統(tǒng)主界面,左半部份為工作控制面板,控制系統(tǒng)執(zhí)行某個任務以及顯示結(jié)果,中間部分顯示像元號及對應光強值。右半部份為圖像顯示區(qū),上窗口為光強度隨像元的變化,下窗口顯示的是光強隨波長的變化,即光譜圖,用戶可以通過圖形工具選板對光譜曲線進行橫向、縱向、區(qū)域等多種放大方式。此外,為方便系統(tǒng)在非 LabVIEW環(huán)境下正常運行,通過新建項目菜單首先打包成可執(zhí)行文件,進而創(chuàng)建成安裝文件。
 
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3 實驗數(shù)據(jù)及分析
首先對譜線在 CCD上的對應像元位置進行標定。實驗中選擇氦燈的 4條特征譜線分別為 388.9nm、447.2nm、501.6nm、587.6nm,先采集數(shù)據(jù)得到各譜線峰值在 CCD上對應的像元位置如表 1所示。
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再進行二次多項式擬合[7],擬合函數(shù)可以設(shè)為:
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顯然,線性定標法的誤差相對較大,因此,二次標定比線性標定更加接近實際值,從而進一步提高了系統(tǒng)測量精度。

4 光譜測量的遠程訪問
本系統(tǒng)基于 LabVIEW 8.5虛擬儀器平臺,它在遠程應用上提供了非常便捷的網(wǎng)絡傳輸方式,主要有 DateSocket技術(shù)、瀏覽器以及 Remote panel方式。其中 Web發(fā)布方式操作起來最為方便,不要求在客戶端電腦上安裝 LabVIEW軟件,只要打開網(wǎng)頁就能訪問嵌于其中的程序前面板,因此,本系統(tǒng)選用網(wǎng)頁發(fā)布模式。具體操作時,在工具菜單中啟用 Web Server,并設(shè)置服務器所在位置,端口使用默認值;在瀏覽器訪問權(quán)限中設(shè)置用戶的訪問權(quán)限。對瀏覽器地址設(shè)置哪些客戶端有權(quán)查看和控制 VI前面板,哪些只允許查看,哪些拒絕訪問。另外選擇菜單中的 Web發(fā)布工具,選擇光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).vi,會自動生成一個 HTML文件,將 HTML文件保存,被授權(quán)的遠程客戶端就可以通過訪問該網(wǎng)絡地址訪問此系統(tǒng)。
5 結(jié)束語
本文采用彩色線陣 CCD進行光電轉(zhuǎn)換,能一次采集多條譜線,測量效率高。采用二階定標法進行波長標定,提高了測量精度。運用 LabVIEW編程,實現(xiàn)了光譜的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲等功能,用戶能方便地進行遠程訪問,掌握測量情況。整個系統(tǒng)具有易開發(fā)和擴展等優(yōu)點。

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