便携式野外现场近红外地物光谱仪研究与测试

Ｓ／Ｎ ＥＲ＾兰８３４８：１
２０Ｌｓ（Ｓ／ＮＥＲＡ、）＝７８．４ｄＢ
３．２仪器重复性测试
系统开机，连续测量某一矿物五次，时间间隔１０
分钟。测量的光谱图叠加如图４。
五次测量的吸收峰的位置完全一致，软件五次测
ｊ
现代科学仪器２００８ ２
万方数据
图６不同潮湿度测量的同种样品的曲线
４与国外仪器指标对比
、 ．
Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｉｚｈｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｃｈｕｎｘｉａ，Ｘｉｕ Ｌｉａｎｃｕｎ （Ｎａ．ｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｉａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｆｉｎｅ ｓｃａｌｅ ｉｎ Ｈｙｐｅｒ—－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｆｏｒ ｍｉｎｅｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈａｒｄｗａｒｅ．’ｎｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｅ· ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ—ｎｏｉｓｅ（Ｓ／Ｎ）ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＮＩＲＳ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｏｍｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＰＮＩＳＩ ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓ／Ｎ ａｔ ７ｎｍ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ３０００：ｌ，ａｌｓｏ ＲＭＳ ｏｆ Ｓ／Ｎ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ８３４８：１．Ａ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｗｉｔｈ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｕａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
信噪比定义，不同参考标准定义不一，基本定义 公式如下：
∥Ⅳ＝导
（１）
式中Ｓ，一，为信号的峰峰值，Ⅳ为噪声的有效值。
在本系统中，如果取噪声峰峰值的平均值代替
Ⅳ，本仪器的信噪比公式可写成（２）式：
Ｓ／Ｎ＝Ｓ…Ｘ２／［ｍａｘ（Ｎｉ）一ｒａｉｎ（Ｎｉ）］ （２）
在很多工程中，噪声的有效值取一批噪声的ＲＭＳ
（均方根）值，则Ⅳ可表示为：
或台式计算机和基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的ＰＤＡ（个人掌上
电脑）的软件。
光谱数据处理软件包括数据前处理、矿物定性定
量分析和地质应用等功能。
，
Ｍｏｄｅｍ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ２００８ ２
万方数据
３仪器测试
仪器测试有信噪比测试、仪器重复性测试、光谱 带宽测试和仪器灵敏度测试。 ３．１仪器信噪比测试
收稿日期：２００７—０１—２６ 作者简介：郑志忠，（１９８０一），男，汉族，主要从事航天光学遥感仪器、光谱测量与成像和精密伺服传动控制方面的科研工作。 现代科学仪器２００８ ２
万方数据
２仪器工作原理
光机电系统结构如图１所示。 仪器光机系统由光源室、斩光、分光光学系统、积 分球和样品台五部分组成。仪器整体光学、机械结构 和电子学排布紧凑。光源发出的光经过聚透镜成像 在分光系统的狭缝上，该光线经分光光学系统后出射 为单色光，单色光入射到样品内发生漫反射，漫反射
采集得值Ｍ即为系统噪声，采集到的数据如图３。
量的光谱数据得出定性分析一致，半定量分析重复误
差小于２％。
’
图４光谱重复性扫描叠加图
３．３仪器系统光谱带宽测试 系统设计指标要求是光谱带宽优于７ｎｍ。在矿
物近红外光谱图中，高龄石在１３９４ｎｍ和１４１２ｎｍ处 有两个明显吸收峰，另外滑石在２２９０ｎｍ处有一个明 显的吸收峰，通常要作为仪器检测分辨率指标的一个 参考标准。
＼型号
仪器指标＼ ＼
ＰＩＭＡ ＳＰ（澳大利亚）
（日本）
ＺＤ皿ＰＢｌ（中国）
光谱范围
１３００一２５００ｎｍ
１２００—２５００ｎｍ １３００。２５００ｎｍ
仪器信噪比
蹦ｊ２５００：ｌ
５００：ｌ
平均３８０（）（）Ｄ００：：１ｌ’ＲＭｓ
单光谱测量时间
３０～６０秒８秒
６０秒
光谱带宽Biblioteka 优于７ｎｍ８ｎｍ优于７ｎｍ
仪器功耗 （内部电池寿命）
本文所介绍研制的ＺＤＪＩＰＢ一１型便携式野外现 场近红外地物光谱仪，光谱扫描范围１３００～２５００ｎｍ， 光谱带宽优于７ｎｍ，光谱扫描分辨率２ｎｍ，波长准确 性和重复性优于１ｎｍ，信噪比优于６５ｄＢ，扫描速度小 于６０ｓ，峰值功耗小于２４Ｗ，光源功耗１２Ｗ，仪器体积 ２５５×１１０×１８０ｍｍ。重量４．５ｋｇ，工作温度范围一ｌＯｏＣ 一＋３５０Ｃ，内部电池能连续工作２小时以上，适合野 外现场检测和实验室测试。软件功能具有定性分析 半定量分析，主要分析单矿物和含有２种或２种以上 矿物的光谱半定量分析，光谱成像，蚀变矿物近红外 光谱模型识辨分析。可作为配合高光谱遥感，进行地 面校正，精细定标和光谱填图。
０．２ｍｍ。
图１光电结构示意图
２．１电子线路 本系统采用光电导ＰｂＳ探测器，由于在近红外波
段信号微弱而且该波段探测器探测率不高，因此该仪 器的关键目标之一是提高系统信噪比。电子线路设 计是否合理直接关系到整个仪器的性能，特别对降低 噪声至关重要。电子线路包括前置放大器、带通滤波 程控放大器、相干检测、ＡＤ转换器、斩光伺服稳速控 制、扫描步进电机控制和基于ＭｓＰ４３０Ｆ１４９的测控通 讯系统。其中采用同步相关器是一种完成信号窄带 化处理的相干检测系统，即通过相干检测将调制信号 从噪声中提取并还原成直流信号，对提高信噪比起到 很大作用。由于仪器属于便携式野外现场测量系统， 另一关键目标是降低系统的功耗，系统设计采用的措 施是在保证仪器的信噪比情形下尽量降低光源功耗， 电子学系统采用低功耗设计，数字器件ＣＭＯＳ器件， 测控系统采用超低功耗的ＭｓＰ４３０Ｆ１４９作为微处理 器，系统工作模式上通过软件设置采用节电和工作两 种模式选择。系统通讯有基于ＲＳ一２３２电平的串口 通讯和ＵＳＢ电平标准ＵＳＢｌ．１通讯。 ２．２软件
的光经积分球均匀地照射在探测器上，为了便于系统 电子学检测，将入射光用斩光器进行调制。分光光学 系统设计，系统采用传统的光栅扫描分光方式，这种 方式技术成熟可靠，分光系统采用ｃ—Ｔ式光学结构， 结构紧凑，能够实现小型化，综合仪器分辨率和体积 两个因素，采用单色器的焦距为１００ｍｍ，相对孔径 １：４，线色散３２ｎｍ／ｍｍ，带宽６．４—７ｎｍ，狭缝宽度
稳定性所采用的测试方法进行了详尽的介绍，对仪器测量结果进行了分析，测得仪器在７ｎｍ带宽时信噪比达到
３０００：ｌ，信噪比ＲＭＳ值达到８３４８：１，并就实测指标同国外类似仪器进行对比。
．
关键词近红外；光谱仪；矿物分析
中图分类号０６５７．３３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ；Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｍｉｎｅｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
１引言
近红外光谱的波长在７８０—２５００ｎｍ（０．７８— ２．５¨ｍ）之间。对近红外光谱产生吸收的官能团主要 是含氢基团，包括Ｃ—Ｈ（甲基，亚甲基，甲氧基，羟基， 方基等），羟基０一Ｈ，巯基ｓ—Ｈ，氨基Ｎ—Ｈ等，它们 的合频和一级倍频位于１３００ｎｍ一２５００ｎｍ波段。由 于矿物晶格中原子间的化学键的弯曲和伸缩吸收某 些区域的近红外光谱，根据矿物某些官能团在近红外 区域的特征吸收光谱可以区分不同的矿物及同一矿 物的不同结晶度。矿物近红外光谱的这些特点在野 外地质调查研究具有特别重要的意义。利用这一方 法可以区分层状硅酸盐中单矿物（粘土矿物，绿泥石， 蛇纹石等），含羟基之硅酸盐矿物（绿帘石，闪石等）， 硫酸盐矿物（明矾石，黄铁甲矾，石膏等），碳酸盐矿物 （方解石，白云石等）。．矿物的结晶度不同，其近红外 吸收峰形也不相同，而矿物的结晶度显示矿化作用过 程中热液蚀变体系结晶时的温度和化学环境，同时结 晶度也与蚀变体系中的粘土风化有关。
国际上应用于地质行业商品化的便携式近红外光 谱仪典型的是澳大利亚Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｐｅｔｒｏｎｉｃｓ公司生产的 ＰＩＭＡ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ），即便携式近红 外矿物分析仪，它是Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｐｅｔｒｏｎｉｃｓ公司在上世纪 九十年代花费数百万美元研制开发的。该仪器使用了在 Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的定性测量和数据处理软件，可定性鉴 定含水，ＯＨ及某些硫酸盐和碳酸盐矿物。
软件部分由ＭＳＰ４３０系统组成的微处理器测控
软件、基于Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ和ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ（ＰＤＡ操 作系统）上层控制软件、光谱处理系统和地质模型应 用。
微处理器测控软件功能包括初始化、仪器自检、 单色器控制、数据采集和电源控制等，软件流程图如 图２所示。
图２测控软件流程图
上层控制分别开发了基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ的笔记本
采集到的高龄石和滑石反射吸收光谱如图５。
图５高岭石和滑石光谱图
３．４仪器灵敏度分析 测量某样品对不同空气潮湿度的反映情况： 图中可明显看出在１９００ｎｍ处有上下漂移，而
１９００ｎｍ反应的是样品吸附水的情况。
图３采集到的系统噪声图
由公式（２）（４）可计算出：
Ｓ／Ｎ＝３０００：１
２０Ｌｓ（Ｓ／Ｎ）＝６９．５ｄＢ
近红外光谱仪器是涉及到光、机、电和现代计算 机等技术相结合的高新技术仪器，便携式近红外光谱 仪器将仪器小型化涉及到的技术难度更为复杂化，这 种仪器的研制水平和一个国家的科技综合实力是密
不可分的。在发达国家已经有相对成熟的产品在市 场上应用，在地物应用上代表的有日本、澳大利亚等
国家的便携式矿物光谱分析仪。研制的仪器对比指 标如下：
仪器系统的噪声是光学系统噪声、电子学系统噪 声和探测器噪声的总和，为了提高系统的信噪比必须 控制上述三个系统的噪声水平。探测器采用ＰｂＳ探 测器，这种型号的探测器价格便宜，噪声水平在可接 受的范围内，光学系统噪声主要是杂光的干扰、光源 系统和探测器的噪声，电子学系统噪声为电源噪声、 地线噪声和放大噪声及电路其他部分的噪声耦合。
几广————＿
％鲥＝．／／∑型（Ｍ一—Ⅳ广）２
（３）
因此，噪声用公式（３）表示，得出系统的信噪比公
式（４）为：
，
￡
ｓ／％鼢＝＿军＝＇Ｊｐ＝－ｐ＝＝
（４）
／∑（Ｍ一Ⅳ）２
√巳Ｔ＿
在测试噪声时，调节好前放的放大参数，保证系
统在镀金参比扫描时系统采集的最大数值接近１６位
ＡＤ的最大采集数值６５５３６。将光源系统关电条件下
２０ Ｅ，髓４０＋ｉｉｔ褥警２５瓦；徽阍量
仪器体积 （ｍｍ×ｍｍ×ｍｍ）
２６０ ｘ１８０ｘ１１０
３００ Ｘ２２０×１３０ ２５５×１８０×１１０
仪器重量
４ｋｇ
８．８ｋｇ
４．５ｋｇ
性价比
低
低
高
软件功能
定性、半定量功能 单一
定性、半定量
定性、半定量
功能单一 地质应用模型分析
在中国地质调查局的资助下研制的ＺＤＪＩＰＢ一１ 型商用仪器无论硬件和软件都已能够满足当前的应 用需要。而且在软件上已经加人了地质模型分析，这 是国外仪器厂商的软件所没有的。
便携式野外现场近红外地物光谱仪研究与测试
郑志忠陈春霞修连存 （国土资源部南京地质矿产研究所 南京２１００１６）
Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｚｚ．ｉｓ＠ｈｏｔｍａｉｌ．Ｐ，ｏｍ
摘要介绍了便携式野外现场近红外地物光谱仪研制过程中采用的技术线路，通过对仪器光电部分硬件进行
优化设计，使仪器具有体积小重量轻而方便携带，同时给出了仪器软件开发流程和内容；对仪器的分辨率、信噪比和
５结束语
研制便携式野外现场近红外地物光谱仪具有体 积小、质量轻、信噪比高的特点，研制的软件能够满足 野外地质的需要，已经有多家单位在使用。为了进一 步将该仪器研究推向深入，需要研究采用更高性能的 探测器（如红外ＣＣＤ、ＩｎＧａＡｓ探测器），在分光技术上 采用ＡＯＴＦ声光调制代替光栅分光等。在地质应用 需要更深入的研究多种矿物种类（超过三种）的识别 和定量研究，这些都是我们研制下一代仪器的目标。