抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統的制作方法

本發明涉及光譜測量系統領域，尤其涉及一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統。

背景技術：

采用光譜分析物質成份是一種高精度、快捷、不需要添加劑無污染的方法，因而廣泛地應用在工業、食品、環保和農業等各個領域。

發明人在實現本發明的過程中發現，現有技術中至少存在以下缺點和不足：

現有的方法采用昂貴的光譜儀，對光譜重疊的多種組分的樣品分析精度不夠高，數據量大，分析時間長且復雜等缺點。

為了提高圖像測量質量，現有技術中的公告號為CN 104792712 A，公告日為2015年7月22的專利申請利用三角波作為激勵信號來提高成像質量。

發明人在實現本發明的過程中，發現上述現有技術中至少存在以下缺點和不足：

由于現有的成像系統無一例外地均采用模數轉換器，模數轉換器在靠近輸入極限(最大或最小幅值)時存在顯著的非線性，特別是輸入模數轉換器的模擬信號電平越低，得到的數字轉換結果的不確定度越大。

因此，采用純凈三角波作為激勵信號時，在三角波的低電平部分得到的數字信號的信噪比就很低，從而影響了圖像的總體信噪比。

技術實現要素：

為改進現有技術的不足，本發明提供了一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，本發明通過將三角波調整為抬高預設電平的三角波，提高了圖像的總體信噪比，實現了對物質成分的高精度測量，且電路結構簡單，滿足了實際應用中的多種需要，詳見下文描述：

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，所述陣列式透射光測量系統包括：一組單色光源、一組光敏器件，以及與光敏器件外接的計算機，單色光源和光敏器件分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長的光源，實現對不同光源的編碼，光敏器件組中的每個光敏器件接收到每個光源透過樣品的光電信號組合；

在光敏器件采集光電信號的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由于抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，三角波信號相較于噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段，光敏器件獲取到光電信號的信噪比，進而提高了輸入到計算機中的光電信號的精度；

通過所述計算機對光電信號組合進行解調分離得到光譜，將全部光敏器件得到的光譜進行排列得到總光譜；

所述計算機通過所述總光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

其中，作為驅動的三角波信號由于抬高了預設電平，在三角波信號的高電平部分，提高了光敏器件獲取到光電信號的信噪比。

其中，預設電平的取值為光敏器件采集的光電信號動態范圍一半以上最佳。

其中，單色光源組中的各個光源的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光敏器件組中的每個光敏器件的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，所述光源和所述光敏器件均勻、且對等排列。

另一實施例，所述光源為激光二極管，所述光敏器件為光敏二極管。

另一實施例，所述光源為單色二極管，所述光敏器件為光敏二極管。

另一實施例，所述光源為單色濾波片對白光濾波后得到的，所述光敏器件為光敏二極管。

另一實施例，所述光源為激光二極管，所述光敏器件為光電倍增管。

另一實施例，所述光源為單色二極管，所述光敏器件為光電倍增管。

另一實施例，所述光源為對白光濾波后的單色濾波片，所述光敏器件為光電倍增管。

本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波驅動單色光源，對光敏器件檢測到的光電信號進行分離得到光譜，將所有光敏器件得到的光譜組合起來得到總光譜，通過總光譜可以對樣品中的物質成分進行高精度分析。相較于背景技術中的公告號為CN 104792712 A，公告日為2015年7月22的專利申請，本發明顯著地提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比，改善了光敏器件獲取到光電信號的質量；進而提高了輸入到計算機中的光電信號的精度，計算機對光電信號進行分離可以得到各個單色光源對該光敏器件的貢獻，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。本發明具有電路結構簡單、器件和工藝要求低、調試容易、可靠性高以及計算量小等優點。

附圖說明

圖1為一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統的結構示意圖；

圖2為抬高預設電平三角波的示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，所述陣列式透射光測量系統包括：一組單色光源LD₁…LD_n，一組光敏器件PD₁…PD_n，n≥3且為奇數(其中，n為奇數，則最中間的光源或光敏器件可作為中線，便于對準排布，其中，n的具體取值與樣品2的橫截面積相關，本發明實施例對此不做限制)，以及與光敏器件外接的計算機(圖中未示出)，單色光源LD₁…LD_n和光敏器件PD₁…PD_n分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的光源LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光敏器件組中的每個光敏器件PD_j接收到每個光源LD_i透過樣品2的光電信號組合I_j。

本發明實施例抬高預設電平后，在光敏器件3采集光電信號的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由于抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，三角波信號相較于噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比；相較于背景技術中的公告號為CN 104792712 A，公告日為2015年7月22，以純凈三角波作為激勵信號的專利申請，本發明實施例顯著地提高了在三角波信號低電平段的光電信號的信噪比，進而改善了光敏器件3獲取到光電信號的質量。

另外，由于抬高預設電平，噪聲水平沒有變化，在三角波信號的高電平部分，三角波信號相較于噪聲也有一定的改善，提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比。

進而，由于光敏器件3獲取到的光電信號的信噪比整體增強，進而提高了輸入到計算機中的光電信號的精度，計算機對光電信號進行分離可以得到各個單色光源對該光敏器件的貢獻。

其中，預設電平的取值優選光敏器件3采集的光電信號動態范圍一半以上時，信號大于等于1/2動態范圍，通過光敏器件3采集到的光電信號失真小、質量高。

計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光敏器件得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作具體為：

1)假設以驅動單色光源的LD_j最高頻率f_max(在上述情況下f_max＝f₁)的4M倍速度對光電信號進行采樣f_s＝4M×f_max，獲取采樣信號x(m)，其中M為大于等于1的正整數；

2)計算機將分別對各個波長對應的每個三角波周期內的正、負半個周期內的采樣信號進行累加，累加結果進行求差運算；

即，將一定時間(整數個三角波周期)內的每個三角波的正半個周期的采樣值累加得到累加和，每個三角波的負半個周期的采樣值累加得到累加和，這兩個累加和相減。

3)將上述各個波長的差值進行k_min個周期或整數倍k_min個周期累加，即可得到每個波長的光譜值。其中：

式中：f_min為激勵三角波中的最低頻率；a為預設常數，取值為大于或等于1的正整數，a/f_min為下抽樣的周期；f_n為所處理波長的三角波激勵頻率。

對幅值為x的被采樣值，如果在一定的時間內均勻采樣N(>>1)點并進行平均，得到的平均值是

其中，[x]是模數轉換器對x進行量化，也即按四舍五入圓整得到的正整數。x_i是第i點的幅值，[x_i]是模數轉換器對x_i進行量化，也即按四舍五入圓整得到的正整數。

(3)式表明，對一個比較“干凈”的信號采樣多次進行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的誤差與單次采樣的誤差相同，為Δx_i。

如果對幅值為x的被采樣鋸齒波，同樣在一定的時間內均勻采樣N(>>1)點并進行平均，得到的平均值是

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即是圓整得到正整數，而是被四舍五入后丟去的“隨機”誤差。

(4)式可以進一步利用等差級數求和公式得到：

(5)式中的前一項是量化后的值，雖然比(3)式的結果小了一半，但按照誤差理論，一個數據的精度并不因乘以一個固定非零常數而改變。但后面一項中是零均值的隨機數，相比(3)式中的要降低倍，因此，對鋸齒波或三角波激勵信號進行過采樣后同樣可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高頻擾動信號。

實際應用時，單色光源組中的各個光源LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光敏器件組中的每個光敏器件PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，光源LD_i和光敏器件PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例2

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以激光二極管作為單色光源LD₁…LD_n，光敏二極管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。激光二極管和光敏二極管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的激光二極管LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光敏二極管PD_j接收到每個激光二極管透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光敏二極管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，激光二極管LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光敏二極管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，激光二極管LD_i和光敏二極管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例3

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以單色二極管作為單色光源LD₁…LD_n，光敏二極管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。單色二極管和光敏二極管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的單色二極管LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光敏二極管PD_j接收到每個單色二極管透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光敏二極管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，單色二極管LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光敏二極管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，單色二極管LD_i和光敏二極管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例4

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以單色濾波片對白光濾波后作為光源LD₁…LD_n，光敏二極管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。單色濾波片和光敏二極管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的單色濾波片LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光敏二極管PD_j接收到每個單色光源透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光敏二極管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，單色濾波片對白光濾波后的LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光敏二極管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，單色濾波片對白光濾波后的LD_i和光敏二極管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例5

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以激光二極管作為單色光源LD₁…LD_n，光電倍增管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。激光二極管和光電倍增管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的激光二極管LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光電倍增管PD_j接收到每個激光二極管透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光電倍增管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，激光二極管LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光電倍增管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，激光二極管LD_i和光電倍增管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例6

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以單色二極管作為單色光源LD₁…LD_n，光電倍增管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。單色二極管和光電倍增管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的單色二極管LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光電倍增管PD_j接收到每個單色二極管透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光電倍增管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，單色二極管LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光電倍增管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，單色二極管LD_i和光電倍增管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

實施例7

一種抬高預設電平的三角波編碼的陣列式透射光譜測量系統，參見圖1和圖2，該實施例以單色濾波片對白光濾波后作為光源LD₁…LD_n，光電倍增管作為光敏器件PD₁…PD_n為例進行說明。單色濾波片和光電倍增管分布在被測樣品的兩側；

采用2倍頻率關系的抬高預設電平三角波分別驅動單色光源組中的各個波長λ_i的單色濾波片對白光濾波后的LD_i，其中，假設三角波的頻率分別為f₁、f₂……f_n，則f₁＝2f₂、f₂＝2f₃……f_n-1＝2f_n。

光電倍增管PD_j接收到每個單色濾波片透過樣品的光電信號組合I_j；計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn。將全部光敏二極管得到的光譜進行排列可以得到該陣列式透射光測量系統得到的總光譜，

即：I₁₁，I₁₂，...I_1n，I₂₁，I₂₂，...I_2n，I₃₁，...I_n1，I_n2，...I_nn。計算機通過總光譜可以對樣品的物質成分采用已有成熟的建模方法進行分析。

其中，計算機對光電信號組合I_j進行解調分離可以得到光譜I_j1、I_j2、I_j3、…I_jn的操作與實施例1相同，本發明實施例對此不做贅述。

實際應用時，單色濾波片對白光濾波后的LD_i的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數，光電倍增管PD_j的數量大于或等于被測樣品中的物質成分數。

其中，單色濾波片對白光濾波后的LD_i和光電倍增管PD_j均勻、且對等排列，排列滿足下述關系：l₁＞＞l₂,l₃＞＞l₂，其中l₁和l₃為陣列式光敏器件與樣品上下邊界的距離，l₂為陣列式光源LD_i和光敏器件PD_j的間距。

本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

綜上所述，由于本發明實施例相對于背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的光電信號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的光電信號的信噪比，進而提高了整個電平段的光電信號信噪比，使得輸入到計算機中的光電信號有較高的精度，據此計算機通過光譜實現對樣品的物質成分進行分析。

本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。