基于CCD的光谱光强在线检测技术的研究

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CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)线阵传感器因为能在一次曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线,因而在现代光谱测量技术中获得了越来越广泛的应用。国外许多公司已经研制出基于CCD的光谱光强在线检测系统,并且广泛应用于农业、生物技术、化学、绘画、医学等各个领域,但国内基于CCD光谱光强的在线检测技术发展缓慢,主要是由于生产工艺限制和检测技术落后,导致产品精度低,实时性差,可靠性下降。本论文对CCD的光谱光强在线检测技术做了详尽的分析与研究,内容分为两部分。 第一部分开发和设计了一个用于光谱测量的高灵敏度、高分辨率、基于USB2.0高速实时传输的线阵CCD光谱光强信号采集系统。针对光谱测量的需要,选择了适于光谱测量的线阵CCD器件。通过实验验证,确认了利用减除背景噪声的方法可以大大扩展CCD器件的有效动态范围。根据CCD器件实际可获得的有效动态范围,给出了确定A/D转换器件分辨率的依据。采用USB2.0接口器件和无外部缓冲存储器结构,实现了光谱数据的实时传输。 第二部分以光学薄膜宽光谱在线监控为应用背景,研究利用数字信号处理技术去除所采集到光谱信号的噪声。光谱波长范围在400~800nm,根据杂散光产生随机噪声的特点,对采集到的数据进行FFT(快速傅立叶变换)、Savitzky-Golay、Boxcar以及小波变换的滤波处理,并比较几种方法的实际效果。结果表明,根据信号与随机噪声在小波变换下各尺度不同,设计小波阈值优化方法,同时减小拒真概率和虚报概率,在有效抑制随机噪声基础上,很好地保留了信号的细节成分,峰位误差为0.1%~0.3%,从而达到很好的滤波效果。通过薄膜在线监控实验表明,该检测系统具有良好的实时性和稳定性,适用于光谱光强的在线检测。利用小波去噪技术提高了光谱信号分析的准确性及薄膜宽光谱检测系统的判停精度,具有很好的应用前景。
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