阿达玛变换近红外光谱仪.

化学0601王丽06230102

阿达玛变换近红外光谱仪

近红外光谱仪器根据分光原理可以分为二大类:一类是传统光学分光技术;另一类是现代数字变换光谱技术。传统光学分光技术有:滤光片分光，光栅分光，二极管阵列检测C CD-NIR 和声光调谐AOTF-NIR:现代数字变换光谱技术有:傅立叶变换和阿达玛变换。

滤光片分光技术仪器制作简单，价格较低，但由于采集光谱数据点少，滤光片的蜂宽较宽等原因，这导致所得样品的光谱信息较少;光栅分光技术采集光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，仪器价格较低，但扫描速度较慢，光源经过分光后每个波长点的能疑较低, 所得光谱图的信噪比较差，由于光栅通过转动仪器抗振性能差;二极管阵列CCD检测技术采集光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，扫描速度快，仪器抗振性能好，但由于采用固立光栅分光结合CCD二级管阵列实现对不同波长光的检测，光源能量经过光栅分光后分配到每个CCD二级管上的光能量较低，所得光谱图的信噪比较差;声光调谐AOTF技术采集光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，扫描速度快，由于没有运动部件易受潮部件，仪器抗振和防潮性能好，不足之处是仪器价格较髙。

现代数字变换光谱技术主要是采用傅立叶变换实现分光的近红外光谱技术。它具有光通量大，所得光谱图的信噪比高，采集光谱数据点多，所得样品的光谱信息丰富，扫描速度快等优点，但由于干涉器有运动部件，仪器抗振性能较差，当采用KBr材料制作干涉器时，由于KBr材料防潮性能差，导致仪器的防潮性能差。

针对现代数字变换光谱技术所具有的优点，存在的不足，开发了基于阿达玛变换的光谱分析技术，阿达玛变换光谱技术是最新一代的现代数字变换光谱技术［fzl,具有光通量大, 所得光谱图的信噪比髙，扫描速度快等优点，由于实现阿达玛变换光谱技术的仪器没有运部件，仪器抗振性能好，实现阿达玛变换光谱技术的微镜表面镀的是铝材料，防潮性能好，避免了傅立叶变换光谱技术存在的不足。

1阿达玛变换(Hadamard Transform, HT)基本原理

从数学上讲，阿达玛变换实际上是统讣学中的称星设计在光学中的应用，n个物体，分组称量所得％物体的重量，比一个一个单独称出的重量要准确。因此，如果采用n个HT模板对试样信号进行

调制，可得到n个调制的信号，用检测器检测每一个调制信号的疑值，n 次测量后则可以通过HT把n

次测得的调制信号还原成试样的信号。在常规测量中，检测器在每一时间间隔里只检测一个分辨单元

的信号强度，而阿达玛变换多通道检测技术在同一时间里却可以同时检测多个分辨单元里组合信号的

总强度。在相同的实验条件下，经阿达玛变换后,信号的均方差可减小(n+l)z/4n倍,信噪比可提髙

(n+l)/2n”‘倍。取n=100时,信号的均方差可减小25.5倍，信噪比可提髙5倍。从最简单的三元素

光谱测量来讨论HT的原理⑶

(a)逹个農H (b)纽合離It

如图1(a)示，对于三光谱成分X,,Xz,X3可以采用单次测量每一个成分的方法来获得它的量值。同样，也可以用组合的方法，即每次测量英中两个光谱成分的疑值，如图1(b) 示，三次独立的测量过程将产生三个线性无关的方程组，三个方程组可写成矩阵的形式(1 代表透光，0代表阻光)。

「】】叫

= 1 0 1梓

通过解矩阵方程，来求得X. X2. X3的值，这种由测量值矩阵还原成原始光谱成分的矩阵转巻称为HT转置。在实际应用中，人们往往用这种方法来测成百甚至上千个光谱单元的量值，不管所测的光谱成分的个数为多少，英原理是完全一样的。

它的理论模型是法国数学家Hadamard提岀的一种n阶矩阵方程［4］。实现阿达玛变换的关键在于HT模板的设计，对于一个由n个单位元素组成的模板，每次测到的信号y可以写成

式(1)中yi是用第J块模板调制产生的信号的总和，xi是该模板上第i个元素所产生的信号，矢量为二(S屮Sgj,…,的值对每一个透过的元素为1,对不透过的元素为o.

写成矩阵的形式为

Y=S ・ X (2)

对式(2)求解得

XdJ (3)

由矢量X即可还原成目标的信号。所以S这个开关矩阵的实现是整个阿达玛变换的关键，目前的实现技术主要采用数字微镜(Digital MicroniirrorDevice. DMD)技术，它是由成千上万个可以独立寻址和转动的微型光反射镜组成的半导体光开关阵列，它既是一种微电机系统(MEMS),也是一种反射式空间光调制器(SLM)O其结构［5］和偏转［6］示意如图2,3所示

2阿达玛变换近红外光谱仪器系统结构

阿达玛变换近红外光谱仪由光源、光栅、微镜阵列、检测器组成，光源发出的连续光经过光栅分光后，不同波长的光投射到微镜阵列(HT模板)的不同位宜上，不同波长的光分别经相应的微镜反射后全部集中到检测器上。

DMDtt构示意團W3 D\(D编转示危曲

阿达玛变换近红外光谱仪釆用的HT 模板是由100个直线排列微镜组成的数字微镜阵 列

(DigitalMicromirror Array. DMA),每个微镜为边长16um 的正方形，微镜之间有lu m 的间 隙，微镜的偏转由集成电路控制，可产生十10°和一 10°的偏转。微镜偏转到+10。时， 将入射光信号反射到检测器上，当微镜偏转到一 10°时，将入射光信号反射到检测器之外。

1•光栅分光后不同波长光首先投射到微镜阵列上。

2 •电控微镜阵列选择不同波长。

3 •不同波长聚合到单个检测器上。

4•每次电控选择一个模板，一次检测数个波长信号。

5 •检测器检测到信号可以用一个数学公式表示。

y 二"

丫 “片,兀,儿…几J 检测器栓测的信号

…,乙］不同波长的倍号

S ，

• • •

k.

由超对备％挺择合适的开关阵列，经过数学变换(阿达玛变换)就可以由不同的检侧信号

反变换出不同波长。

仪器技术指标

⑴波长范围:930・1690nm ;(也可以定制更换检测器将波长扩展到$00-2500nm)

(2) 仪器光谱带宽7nm ;

(3) 绝对波长精度:士

0. 6nm

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