一种基于线阵CCD的一米光栅光谱分析仪

一种基于线阵CCD的一米光栅光谱分析仪
陈嵩;周洪生
【摘要】介绍一种基于线阵CCD(电荷耦合器件)的一米光栅光谱分析仪.光电器件CCD的引入提高了对光谱信息采样的速度和精度,并通过模数转换单元将采集数据传输至计算机,从而提高了对光谱信息的存储、传输和分析处理效率.
【期刊名称】《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(031)004
【总页数】3页(P55-57)
【关键词】线阵CCD;一米光栅;光谱分析仪;图像处理;矿物分析
【作者】陈嵩;周洪生
【作者单位】齐齐哈尔矿产勘查开发总院测试中心,黑龙江齐齐哈尔161006;齐齐
哈尔矿产勘查开发总院测试中心,黑龙江齐齐哈尔161006
【正文语种】中文
【中图分类】TH744.1
原子发射光谱分析法具有多种元素同时检测、分析速度快和准确度高等优点，因为这些独特的优点，使其成为地质矿产等部门重要的测试手段之一[1］，并在矿物试样的金属含量的分析中起着重要作用。

随着工业技术的发展和信息化技术的普及，对光谱分析中实时测量的精度和速度，以及数据处理方法等方面的要求也越来越高。

光谱分析的方法主要有两种：照相法和光电法。

照相法是指用感光板和胶片的照相处理数据的方法，其缺点主要有非线性响应结果不准确、处理过程比较复杂等[2］。

光电法是指利用CCD作为图像接收器件，利用模数转换单元将光谱信息传输至计算机，并利用计算机软件进行数据分析和处理的方法。

本文将介绍一种基于CCD的一米光栅光谱分析仪，主要工作是搭建光源发生和光栅色散，以及利用CCD做为光谱采集器件并完成图像采集、存储、传输的硬件平台，然后利用计算机设计软件进行图像数据处理，从而实现一个数字化的光谱分析系统。

光谱分析仪是利用原子特征光谱产生的基本原理，结合光学成像技术，对物质的结构和成分等进行测量。

基于CCD的一米光栅光谱分析仪的基本组成有：电弧发生器（光源）、准直单元、色散单元（光栅）、CCD成像单元、模数转换单元以及
计算机数据处理单元。

为了分析矿物试样中各种金属含量，先将矿石样品粉碎得到非导体的固体试样粉末，并装入辅助石墨电极的小孔中作为激发光源的下电极。

然后利用直流电弧来激发试样，电弧光源使试样蒸发到弧焰中，试样中的金属原子在受到高压电弧的激发时，外层电子由基态跃迁到激发态，然后返回到基态，并在这个过程中发射出特征光谱（线状光谱），这样我们就得到了要研究的光源。

电弧发生器激发矿物试样产生的光源经过经准直物镜后变成平行光束投向色散系统。

色散系统的作用是采用光栅对光源进行色散将入射的复合光分解为线状光谱。

不同波长的辐射光在同一入射角条件下射到多缝上，经衍射后其主极大的方向不同，从而发生色散。

成像系统的作用是将空间上色散开的各波长的光束会聚在成像平面上，形成一系列的按波长排列的线光谱。

本文中采用CCD做为光谱接收元件。

色散得到的谱线照射到CCD上，通过光电元件将光信号变成电信号，并经过滤波、放大和检测。

这样我们就可以得到各个波长光谱对应的强度等信息[3］。

将CCD产生的模拟图像信号通过模数转换单元转变为数字图像信号，经过通讯接口传输至计算机，并通过计算机上的软件对相关数据进行分析，最终得出矿石样品
中各个金属的含量信息。

作为一种图像传感器，CCD以成像质量好、体积小、噪声低、抗干扰能力强等优
势在测量检测系统中得到了广泛的应用[4］。

CCD 元件可分为两种：面阵CCD和线阵CCD。

线阵CCD把象素排成一直线，而面阵CCD则把象素排成一平面，这两种器件有各自特点和适用场合，所以需要根据分析对象的特点来选择CCD器件。

通常线阵CCD像元尺寸比较灵活，分辨率高，价格低廉，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，非常适用于一维目标的测量系统中[5］。

所以在分析线状光谱时，我们采用线阵CCD做为图像传感器。

线阵CCD采集图像信息是按照单帧采集并存储的，因此做信号处理时十分方便。

在进行图像处理之前，还需要将CCD输出的模拟图像信号转换为数字图像信号，模数转换部分有专门的ADC芯片来完成。

本文中选用的线阵CCD的型号为：TCD1209D，这是一种高灵敏度、低暗电流、2048象元的线阵CCD，其电路原理图如图2所示。

线阵CCD正常工作还需要合适的驱动信号进行配合，目前常用的是微处理器驱动方法（软件驱动法）和可编程逻辑器件驱动方法（硬件驱动法）。

在基于CCD图像采集和处理系统中，通常都要用到微处理器（MCU），所以采用软件驱动的方式，无需增加硬件，在电路结
构上最为简单，系统成本也最低，因此只要能克服其驱动频率低、资源浪费多、时序不均匀等缺点，无疑是一种理想的驱动方法[6］。

本系统采用的方法就是微处理器驱动法，选择ARM单片机LPC2146做为图像采集单元的MCU，通过MCU
的程序发送驱动信号给CCD，从而时序配合上的要求。

CCD采集光谱图像之后，我们选用专用的CCD数据采集芯片AD9822，以完成
对CCD输出图像信号的滤波、放大和模数转换等处理，之后将数字图像信息送入MCU进行后续处理。

CCD输出信号处理的目的就是尽可能地消除各种噪声和干扰，但又不损失图像细节，并且保证在CCD的动态范围内图像信号随目标亮度成线性
变化。

AD9822内部集成14位分辨率、逐次比较式A/D转换器，单通道工作模
式下转换速率高达12.5MSPS，这样的转换速度和转换精度适合于大多数应用场合。

AD9822提供三通道的信号输入，每个通道由输入箝位、相关双采样、DAC补偿
以及可编程增益放大器PGA和高精度A/D转换器构成。

CCD输出信号先后在相
关双采样处理单元、增益控制处理单元以及 A/D转换处理单元作用下，转换成数
字信号输出[7］。

AD9822的输出信号进入ARM单片机，然后经过USB通讯接口，将数字图像信号传递给上位机。

经过以上分析，可以得到系统的硬件电路电路组成，如图3所示。

基于线阵CCD的一米光栅光谱分析仪除了硬件设计外，还需设计软件来支持系统的运行和光谱分析功能的实现。

本文中软件设计可以分为两部分，即下位机硬件驱动程序和上位机图像处理软件。

下位机硬件驱动程序包括：CCD驱动程序、模数
转换控制及数据读取程序、USB接口电路驱动及上位机通信程序。

下位机驱动程
序是运行在MCU中。

上位机软件包括：USB接口通信及数据的传输、CCD图像
数据处理。

上位机软件是运行在Windows操作系统下。

在Windows环境下，光谱分析软件，实现光谱的采集和分析。

光谱分析软件通过用户图形界面将CCD采集的光谱波形显示出来，通过图像处理的算法将光谱分析的结果直接显示出来，并给出与光谱波长相对应的金属含量。

在根据CCD光谱图像分析矿物金属含量时，根据光谱分析的理论可知，当谱线黑度在一定范围内时，黑度差与金属含量的对数之间存在着简单的线性关系：，其中S 为光谱图像的黑度差，B为自吸系数，A是与试样蒸发、电弧激发以及试样组成有关的一个常数，C代表矿物试样中某种金属元素的浓度。

这样我们就可以得到黑度差与金属含量浓度的一个线性关系。

这种线性关系可表示为[8］：y=A+Bx，其中：y=lgS，x=lgC。

设yˆi为CCD谱线黑度差检测值的对数，所以检测偏差的损失函数可定义为
对Δ取A和B的偏导数，可得
其中，n为在对某个试样分析时所测得值的采样值个数，令
这样我们就可以解得：。

所以试样中金属含量的浓度值对数表达式为
本文介绍了一种基于CCD的一米光栅光谱分析仪的工作原理以及光学部分的主要构成，然后给出了光谱分析仪的硬件电路设计和软件设计，最后通过理论分析得出了使测量值方差最小的矿物试样金属含量计算方法。

【相关文献】
[1］谭书香,夏光明.岩石和矿石矿物中微量金属元素的光谱测定[J］.分析试验室, 1985, 4(7): 4-8 [2］危立娜.一种基于面阵CCD实时测量光学参数方法的研究[D］.昆明:昆明理工大学, 2007 [3］夏日辉.基于CCD的数字光谱分析仪的研究[D］.长春:长春理工大学, 2010
[4］米本和也.CCD/CMOS图像传感器基础与应用[M］.北京:科技出版社, 2011
[5］李丹.线阵CCD测量系统的设计与实现[D］.重庆:重庆大学, 2013
[6］王飞.USB在CCD数据采集系统中的应用[D］.成都:电子科技大学,2007
[7］侯新梅,李自田.AD9822及其在面阵CCD系统中的应用[J］.现代电子技术, 2010, 20: 191-196
[8］李果华,卫寿生.微型计算机在钢中夹杂物光谱分析数据处理中的应用[J］.冶金分
析,1987,7(2):36-38。