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基于DMD的阿達瑪變換近紅外光譜儀關鍵技術研究

發(fā)布時間:2018-04-07 17:52

  本文選題:阿達瑪變換 切入點:近紅外光譜儀 出處:《中國科學院長春光學精密機械與物理研究所》2017年博士論文


【摘要】:近紅外分析方法以其快速性,非破壞性,準確性等特點,已經廣泛應用于定性和定量的成分分析多個行業(yè)。近紅外光譜儀作為光譜獲取設備,它的類型也有多種,應用最廣泛的有傅立葉變換型和光柵分光型。傅立葉變換型光譜儀具有高分辨率、高信噪比的特點適合于實驗室使用,光柵分光型光譜儀又主要有掃描光柵加上單點探測器的結構和固定光柵加上線陣探測器的結構這兩種類型。單點探測器結構的速度較慢,適合速度要求不高的場合,如農產品的成分分析,而線陣探測器結構的速度較快,適合過程控制中使用。隨著數(shù)字微鏡陣列器件(Digital Micro-mirror Device,DMD)的出現(xiàn),一種光柵分光、單點探測器檢測信號、DMD進行光譜波長選通和調制、并且采用阿達瑪變換來提高信噪比的光譜儀出現(xiàn)了,這種光譜儀綜合性能卓越,價格優(yōu)勢明顯。本文圍繞著基于DMD的阿達瑪變換光譜儀的關鍵的技術進行了研究。首先,按照儀器中的噪聲產生的位置,將儀器的噪聲分成了阿達瑪編碼前和編碼后的噪聲,詳細推導了S矩陣、S互補矩陣、H互補矩陣等阿達瑪編碼矩陣的編碼模板對編碼前和編碼后噪聲抑制的比例系數(shù),進行了MATLAB仿真,驗證了推導結果的正確性。對比了多位學者的分析結果,說明了多位學者分析結果一致性和不一致性的原因。第二,設計和制作了基于DLP4500NIR型號DMD的近紅外光譜儀,包括光學設計參數(shù),電路設計方案,軟件方案等內容。裝調出了多臺光譜儀樣機,對多臺樣機進行了關鍵指標的測試。特別地,在對光譜儀的波長絕對值標定存在困難時,提出了基于吸光度曲線相關度的波長標定方法,使得不同樣機之間的波長臺間差在理論上小于0.2nm,符合模型轉移的要求。第三,按照設計的光譜儀的參數(shù),詳細計算和測試了光譜儀的各種噪聲。計算了電路噪聲,光子噪聲,測試了光源波動和背景噪聲。指出光子噪聲在本光譜儀可以忽略,并且提出了光源波動引起噪聲的處理方法。最后,提出了各種阿達瑪矩陣模板應用于阿達瑪變換方法改善信噪比的條件,給出了光源噪聲和探測器電路噪聲應該滿足的關系。分別測試了基于H互補矩陣、S矩陣、S互補矩陣等3種阿達瑪變換方法在強光條件和弱光條件下對信噪比改善比例的數(shù)據(jù),指出S矩陣具有最好的性能,但是在強光條件下的性能不如掃描方法。利用DMD可以調制光譜輻射幅值的特點,提出了恒功率S矩陣阿達瑪模板,使得應用阿達瑪方法時不論在強光條件下還是弱光條件下都能改善儀器的信噪比。
[Abstract]:Near-infrared analysis (NIR) has been widely used in qualitative and quantitative component analysis for its rapidity, nondestructive and accuracy.As a spectral acquisition device, Near-infrared spectrometer has a variety of types, the most widely used are Fourier transform type and grating type.Fourier transform spectrometer has the characteristics of high resolution and high signal-to-noise ratio.There are two types of grating spectrometer: the structure of scanning grating and single point detector and the structure of fixed grating and linear array detector.The structure of single point detector is slow, which is suitable for the situation where the speed requirement is not high, such as the composition analysis of agricultural products, while the speed of linear detector structure is faster, which is suitable for use in process control.With the emergence of digital micromirror array device Digital Micro-mirror device, a kind of spectrometer, which uses grating to separate light, detects signal by single point detector, switches and modulates spectrum wavelength, and uses Adama transform to improve signal-to-noise ratio (SNR) has appeared.This spectrometer has excellent comprehensive performance and obvious price advantage.The key technology of Adama transform spectrometer based on DMD is studied in this paper.First of all, according to the location of the noise in the instrument, the noise of the instrument is divided into the noise before and after the encoding of Adama.The scale coefficients of Adama coding matrix, such as S matrix and S complementary matrix and H complementary matrix, for noise suppression before and after coding are derived in detail. The MATLAB simulation is carried out to verify the correctness of the derived results.The analysis results of many scholars are compared, and the reasons of consistency and inconsistency are explained.Secondly, the near infrared spectrometer based on DLP4500NIR model DMD is designed and fabricated, including optical design parameters, circuit design scheme, software scheme and so on.Several spectrometer prototypes are installed and tested.In particular, when it is difficult to calibrate the absolute wavelength of spectrometer, a wavelength calibration method based on the correlation of absorbance curve is proposed, which makes the wavelength difference between different prototypes less than 0.2 nm theoretically, which meets the requirements of model transfer.Thirdly, according to the parameters of the designed spectrometer, the noise of the spectrometer is calculated and tested in detail.Circuit noise, photon noise, light source fluctuation and background noise are calculated.It is pointed out that the photon noise can be neglected in this spectrometer, and a method to deal with the noise caused by the fluctuation of light source is proposed.Finally, the condition of using various Adama matrix templates to improve SNR is proposed, and the relationship between the noise of the light source and the noise of the detector circuit is given.Three kinds of Adama transformation methods based on H complementary matrix and S matrix and S complementary matrix are tested to improve the SNR ratio under the condition of strong light and weak light respectively. It is pointed out that S matrix has the best performance.But the performance under the strong light condition is inferior to the scanning method.Using the characteristic that DMD can modulate the amplitude of spectral radiation, a constant power S-matrix Adama template is proposed, which can improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the instrument under the condition of strong light or low light.
【學位授予單位】:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2017
【分類號】:TH744.1

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本文編號:1720230

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