【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光栅光谱仪，特别涉及一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法。
技术介绍
1、光栅光谱仪的两种主流的结构形式为：一种采用固定式光栅与阵列探测器，光栅分光后形成固定宽度与固定位置的光谱带，阵列探测器在成像谱面上接收光谱信息；一种是采用转动光栅与单点式探测器，通过电机带动光栅转动，改变入射角和衍射角，使得不同波长的光依次落在单点探测器上。
2、采用固定光栅与阵列探测器方式的光谱分光系统，全波段光谱分光后一次成像在阵列探测器光敏面上，即探测器一次需要采集全部光谱信息。由于探测器像元数有限，每个像元仅包含一个波长采样点的光谱信息，当波长范围很宽时，很多波长点的光谱信息采样不到，能够分辨的光谱细节受限，其分辨率较低。
3、采用转动光栅与单点式探测器方式的光谱分光系统，可通过光栅转动，不断改变入射角和衍射角，使得光落在单点探测器上，从而实现光谱扫描，但为保证每个波长点的光谱数据采集完整，需要电机在每个波长点上停下，或者以缓慢的速度转动，从而限制了宽波段光谱的快速扫描实现。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种宽波段光谱快速扫描控制系统及方法，以达到实现全波长范围内的快速扫描，并且能够提高采样分辨率的目的。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、一种宽波段光谱快速扫描控制系统，包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块；>
4、所述参数解析模块用于将用户在设置界面设置的参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；
5、所述扫描执行模块用于执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；
6、所述位置判断模块用于计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动；
7、所述探测器时序产生模块用于产生驱动探测器电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；
8、所述数据处理模块通过信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号，并将其转换为数字信号；
9、所述波形拼接模块用于对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在显示界面上显示出最终波形。
10、一种宽波段光谱快速扫描控制方法，采用如上所述的一种宽波段光谱快速扫描控制系统，包括如下步骤：
11、步骤1，用户在设置界面设置参数，下发给参数解析模块，参数解析模块将参数解析为扫描指令及电路控制信号，并传输给扫描执行模块；
12、步骤2，扫描执行模块执行光谱分段扫描事件，控制光栅电机运动与阵列探测器采集的顺序与流程；
13、具体包括：
14、位置判断模块计算光栅电机分段扫描的起始位置、终止位置，并判断当前位置和期望位置的差距，从而通过电机控制模块驱动光栅电机逆时针或顺时针转动，实现将光栅转动到不同的角度上；
15、探测器时序产生模块产生驱动探测器驱动电路的时序信号，从而按照时序要求驱动阵列探测器分段采集光谱信号；
16、步骤3，信号采集电路采集阵列探测器的光谱信号并传入数据处理模块，数据处理模块将光谱信号转换为数字信号，再由波形拼接模块对分段扫描得到的光谱波形进行拼接，最终通过数据传输模块在界面上显示出最终波形。
17、上述方案中，步骤2中，将整个波段从起始波长到终止波长分成n个波段，分别下发每个波段i对应的光栅电机的位置值si，i＝1,2,…,n，将光栅转动到这n个波段对应的角度上，使得光栅在这n个角度时成像谱面均覆盖阵列探测器的光敏面，每个波段的中心波长与阵列探测器有效像元的中心像元对应，每个波段的起始波长、终止波长分别与阵列探测器有效像元的第1个像元、最后1个像元对应，从而实现覆盖全波段扫描与光谱信号探测。
18、上述方案中，步骤2的具体流程包括如下步骤：
19、(1)下发自检指令，光栅电机寻找零位，根据反馈状态判断自检是否完成；
20、(2)根据起始波长、终止波长所对应的光栅位置与相邻两段光栅位置间隔之间的关系，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；
21、(3)根据第(2)步得到的光栅位置值，光栅电机依次下发光栅位置，并下发电机转动指令，并监测光栅电机是否转到位；
22、(4)等待光栅电机转动到位，阵列探测器进行分段光谱数据采集；
23、(5)每扫描一段就在坐标系上显示一段，在分段显示时，需要计算每段每个像元所对应的波长值；
24、(6)重复步骤(2)-(5)，进行分段的光谱数据采集，并进行显示拼接，最终实现覆盖全波段的光谱无缝拼接。
25、上述方案中，步骤(2)的具体方法如下：
26、首先，根据光栅方程公式计算得到起始波长、中心波长、终止波长所对应光栅位置；
27、光栅方程公式如公式(1)：
28、λ＝k0*sinθ (1)
29、其中，λ为波长值，k0＝2dcos((α+β)/2)，其中，d为光栅常数，是光栅刻线的倒数，α为入射角，β为衍射角，因此，k0为由光谱分光光路结构确定的常数；θ为光栅的转角，θ＝(α-β)/2，与光栅位置s之间的关系如公式(2)：
30、θ＝(s-sorigin)*δ (2)
31、其中，sorigin为零级光对应光栅位置；δ为光栅的角分辨率，如公式(3)：
32、
33、其中，γ为光栅电机的步距角，x为电机驱动器的细分数，t为传动机构的传动比；
34、光栅是由光栅电机驱动，因此，光栅位置实际是电机的驱动脉冲数；通过给光栅电机相应的驱动脉冲，则可以驱动光栅转动到对应的位置，根据以上公式(1)、公式(2)可得到光栅位置s，如公式(4)：
35、
36、当设置起始波长λstart、中心波长λmid和终止波长λend时，即可根据公式(4)推导出起始波长、中心波长、终止波长所对应光栅位置，如公式(5)、公式(6)、公式(7)：
37、
38、
39、
40、其中，sstart为起始波长λstart所对应的光栅位置，smid为中心波长λmid所对应的光栅位置，send为终止波长λend所对应的光栅位置；
41、然后，确定分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置；分段扫描的阵列探测器中心对应的光栅位置的计算与判定准则如下：
42、1)如果send-sstart≤t，则只需1段扫描就可覆盖起始波长和终止波长，下发1次位置值smid即可，使得中心波长的位置成像在阵列探测器的中心像元；其中t为相邻两段的光栅位置间隔；...
【技术保护点】
1.一种宽波段光谱快速扫描控制系统，其特征在于，包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块；
2.一种宽波段光谱快速扫描控制方法，采用如权利要求1所述的一种宽波段光谱快速扫描控制系统，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤2中，将整个波段从起始波长到终止波长分成N个波段，分别下发每个波段i对应的光栅电机的位置值Si，i＝1,2,…,N，将光栅转动到这N个波段对应的角度上，使得光栅在这N个角度时成像谱面均覆盖阵列探测器的光敏面，每个波段的中心波长与阵列探测器有效像元的中心像元对应，每个波段的起始波长、终止波长分别与阵列探测器有效像元的第1个像元、最后1个像元对应，从而实现覆盖全波段扫描与光谱信号探测。
4.根据权利要求2所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤2的具体流程包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤(2)的具体方法如下：p>
6.根据权利要求5述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，零级光对应光栅位置Sorigin通过以下方式获取：利用红光，从入射狭缝进入，调节光栅角度，使得零级光打到阵列探测器表面中心位置附近，从而找到大体位置；再精细调节光栅位置S，使得波形峰值位置落在第M/2像元位置，M为阵列探测器的有效像元数量，则此时的S即为Sorigin。
7.根据权利要求5述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，相邻两段的光栅位置间隔T通过以下方式得到：找一个光源的特征峰，先移动光栅电机至T1位置，使得特征峰成像在第1个像元上，然后转动光栅电机至T2位置，使得特征峰成像位置移动到最后1个像元上，则T＝T2-T1。
8.根据权利要求4所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤(5)中，计算每段波段每个像元所对应的波长值的方法如下：
...【技术特征摘要】
1.一种宽波段光谱快速扫描控制系统，其特征在于，包括参数解析模块、扫描执行模块、位置判断模块、电机控制模块、探测器时序产生模块、数据处理模块、波形拼接模块和数据传输模块；
2.一种宽波段光谱快速扫描控制方法，采用如权利要求1所述的一种宽波段光谱快速扫描控制系统，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤2中，将整个波段从起始波长到终止波长分成n个波段，分别下发每个波段i对应的光栅电机的位置值si，i＝1,2,…,n，将光栅转动到这n个波段对应的角度上，使得光栅在这n个角度时成像谱面均覆盖阵列探测器的光敏面，每个波段的中心波长与阵列探测器有效像元的中心像元对应，每个波段的起始波长、终止波长分别与阵列探测器有效像元的第1个像元、最后1个像元对应，从而实现覆盖全波段扫描与光谱信号探测。
4.根据权利要求2所述的一种宽波段光谱快速扫描控制方法，其特征在于，步骤2的具体流程包括如下步骤：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴威，李志增，刘磊，张冰，马天宇，哈成阳，张洋，刘彦良，甄子聪，刘帝佑，
申请(专利权)人：中电科思仪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。