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微小型光谱仪低噪声、大动态范围方法研究

李正刚  
【摘要】:光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具,光谱仪的微小型化得益于许多其他相关技术的进步,特别是80年代末期微电子以及与之相关的MEMS(micro-electro-mechanical-system)工艺技术的发展。但是与传统的光栅式光谱仪相比,由于色散距离变短,仪器空间更加紧凑,仪器的分辨率、灵敏度、信噪比等性能将更多地依赖光探测器件及其数据采集和信号处理部分。 本论文在对微小型光栅光谱仪的光学结构设计和讨论的基础上,着重研究了: (1)交叉光路Czerny-Turner小型光谱仪光学系统基本参数的选择和评价,特别是采用MEMS工艺制作硅狭缝的方法及其性能特征; (2)研究了光谱探测通用驱动系统的设计方法,以相同的硬件同时完成三种型号CCD探测器的驱动,精简了电路设计,同时实现了TCD1304AP型号探测器10us~3sec的积分时间调节范围; (3)在软件系统设计部分,不仅完成了对光谱仪的全面控制和常规光谱测量功能,还以两种接口方式实现了二次开发动态链接库,使整体系统具有更高的实用性和灵活性; (4)微小型光谱仪软件去噪方法,在分析、对比了FFT等多种去噪方法的基础上,提出并实现了小波域firm阈值滤波去噪方法,实验证明这种方法在保留原始信号的同时达到了理想的去噪效果,节省采集时间4-5倍,得到了较好的噪音和平滑效果,再除去大部分噪音的同时保证了信号峰值的准确性; (5)提出了采用统一积分时间数据测量提高探测器的动态范围的方法。使用该方法可以不用考虑被测物反应前后浓度变化而产生积分时间选择问题,只需要在软件自动选定的最佳积分时间下采集当前数据即可,不同积分时间下的数据根据转化公式转化到统一的积分时间数据上进行吸光度计算。 论文还讨论了不同类型杂散光对最后测试结果产生的不同影响,着重分析了基于微硅狭缝的紫外-可见光谱仪关键部件微狭缝缺陷,引起杂散光主要因素为刀口过厚和狭缝边缘的直线度等,同时通过双重组合滤光片法,成功实现了平衡各谱段能量占有率的目的。


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