光纤光谱仪的研制及其在海水营养要素检测中的应用

光纤光谱仪的研制及其在海水营养要素检测中的应用

李彩, 曹文熙, 程远月, 孙兆华, 杨跃忠

【摘 要】摘要: 基于交叉非对称的czerny-Turner结构, 研制了一种微型光纤光谱仪, 采用光栅分光、线阵CCD探测光, 基于复杂可编程逻辑器件及PC104设计CCD数据采集电路, 采样结果通过PC104总线上传至PC104工控机, 光谱仪及数据采集电路集成为一光谱仪模块, 约为 96mm(宽)×104mm(长)×18mm(高), 该模块与 PC104工控机之间通过PC104总线以“针”和“孔”形式层叠连接, 在具有体积小、功耗低、采样速度快等优点的同时还具有极好的抗震性,非常适合于野外恶劣工作环境下的在线使用。将其应用于海水中铁等痕量元素及营养盐在线检测仪, 试验结果良好。 【期刊名称】热带海洋学报 【年(卷),期】2010(029)002 【总页数】5

【关键词】关键词: czerny-Turner结构; 微型光纤光谱仪; 非对称; PC104; 营养元素

光谱仪是将复色光分离成光谱进行测量的光学仪器[1], 它的基本功能是测定物质的光谱组成, 包括谱线的波长、强度等。光栅光谱仪是一种使用非常普遍的光谱仪, 因为它具有色散均匀、分辨率高、能量集中、光谱范围宽等优点, 因此广泛应用于海水光学特性检测或根据特征光学反映海水中各种组分的含量和分布特征等, 海水中Fe等痕量元素及营养盐等生化要素的分光光度检测方法就是光栅光谱仪的一个很好的应用实例。传统的光栅光谱仪为达到高分辨率和高灵敏度的要求, 一般使用步进电机驱动光栅转动对波长进行扫描, 采用光电倍增管接

收不同波长的光信号, 从而获得波长强度谱, 这使得普通光栅光谱仪具有较大的体积、重量、功耗和造价。伴随着海洋科学事业的进步和海洋监测技术的飞速发展, 为了更好地反映海水中痕量元素和营养盐在时间序列上的变化, 光谱检测技术正向原位和在线测量方向发展[2?4], 而传统的分光光度方法因为存在上述体积大等缺点, 无法很好地满足现场实时、在线原位多要素、高光谱测量的需要, 由此对光谱检测仪提出了微型化的要求。

本文针对海水中Fe等痕量元素和N、P等多种营养要素的同步、原位快速、宽波长范围、高分辨率光谱检测要求, 采用光纤传光、微型全息光栅分光、高精度线阵 CCD探光设计了微型光纤光谱仪,并基于工业 PC104总线和复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计了微型光纤光谱仪中 CCD的数据处理系统, 结合液芯波导对海水中营养盐和痕量元素进行测量, 使海水中痕量元素和极低浓度营养盐的多要素在线检测成为可能。

1 微型光纤光谱仪光学系统

所设计光纤光谱仪采用基于光栅色散的光谱系统, 主要由光学系统和光电信号处理系统两大部分组成。光学系统基于交叉非对称的czerny-Turner结构设计, 之所以选择交叉非对称的czerny-Turner结构, 是因为交叉式的光路有利于消除系统杂散光,此外交叉式的系统还有效地减小了系统体积, 有利于系统微型化的实现。

光学系统主要由入射光纤、光纤耦合器、狭缝、准直镜、平面衍射光栅、聚焦镜和探测器等组成, 如图 1所示, 其中光电探测器选用价格低廉、量子效率高的线阵CCD。待测光束由光纤通过光纤耦合器导入系统, 入射光束宽度等同于狭缝的宽度(注: 狭缝宽度小于光纤直径), 经狭缝限束后的入射光经反射式凹面准

直镜准直后反射进入反射式平面衍射光栅, 衍射光栅经色散将入射光按照波长的不同在空间上分离开后将其反射进入凹面反射聚焦镜, 经聚焦镜聚焦后的不同波长色散光谱被反射入 CCD转换为相应的电信号输出。衍射光栅被安装在一个微调装置上, 在理论计算出参考距离的基础上, 通过微调衍射光栅改变光栅和线阵CCD之间的距离, 确保色散光谱的焦平面落在线阵 CCD的入射窗口上,同时在CCD探测器的前端添加一滤光片, 可以有效地消除可见光及近红外波段的二级衍射。

基于以上设计原理和具体的光谱仪性能参数要求, 设计中所选用的光学元器件的技术指标如下:

CCD: 2048像素、波长范围: 200—1000nm; 光栅: 600lp·mm?1, 光谱范围: 350—850nm;

光纤: NA为0.22, 芯径为600μm, SMA905标准接口; 光谱分辨率: 2.0nm; 狭缝: 50μm; 准直镜焦距: 50mm; 成像镜焦距: 70mm。

利用CODE V光学分析软件分析系统的点列图发现, 基于交叉非对称Crerny-Turner结构设计的该光学系统, 在可见光及近红外波段成像光斑的弯曲不是很明显, 只是在某些波段的非色散方向上成像光斑有一定的扩散。但是由于成像光斑能量大都集中在光斑的中心, 配合矩形的探测器光敏元, 可以预见非色散方向的光斑扩散对系统性能影响不大。

2 基于CPLD、PC104总线及FIFO技术的光电信号处理系统

基于CPLD、PC104总线及FIFO技术的高光谱数据采集卡主要由CPLD脉冲发生器、CCD视频信号处理电路及光谱仪数据采集卡与上位嵌入式工控机之间通讯系统等三大部分组成, 如图 2所示。其中CPLD时序发生器主要用于产生保证CCD器件正常工作的各种CCD数据采集和处理所需时序; CCD视频信号处理电路用于将 CCD光电转换产生的模拟电信号转换为相应的数字信号输出; 光谱仪数据采集卡与上位嵌入式工控机之间的通讯系统是二者之间进行信息交互的关键纽带, 基于PC104总线技术的通讯系统以及基于 CPLD的时序发生器的设计便于光谱仪数据采集卡与小型嵌入式工业机——PC104之间的层叠连接, 有利于实现小型化,便于野外现场使用。

光谱仪 CCD的时序发生器的设计是以所选CCD-ILX511的结构和工作原理为基础进行的。设计中, 采用CPLD与可编程计数器82C54相结合的办法产生光谱仪工作所需的各种时序控制逻辑。图3为基于82C54及CPLD的时序发生器结构略图, 时序发生器产生的时序逻辑有 CCD积分时间、CCD移位脉冲、CCD视频信号A/D转换时钟脉冲等, 在此主要介绍关于CCD积分时间的自适应设计方案。

CCD信号的最大幅值的决定因素有3个: CCD器件的光电灵敏度、光积分时间和光照度。在选定CCD器件后, 该值只取决于光积分时间和光照度。

在光谱仪具体应用过程中, 不同浓度样品其吸光度不同, 如果CCD器件的光积分时间固定, 则吸光度的变化将导致CCD视频输出信号幅值的变化。而实际上所希望的是, 在吸光度变化的情形下, 应保持视频输出信号最大幅值稳定, 在CCD器件已知的前提下, 这可通过光积分时间的调整来实现, 而对于水下光学监测仪器而言, 积分时间不可能通过人工干预进行手动调整, 只能根据现场仪器的

采样结果采取自适应调整的方案, 基本设计原理就是利用CPU(PC104)根据现场采样结果实时对基于CPLD与82C54所产生的积分时间进行自适应调整。有关积分时间自助调整设计采用以下方案。

(1) 利用PC104上的计数器82C54进行减计数;首先利用82C54的可编程计数器产生计数周期为X/晶体振荡器频率的方波计数脉冲, 其中, X为写入计数器的计数初值, 82C54的工作晶振为8MHz。

(2) 将 82C54输出的计数脉冲经复杂可编程逻辑器件(CPLD)(Ahera公司)的一个输入引脚送人,在 CPLD内部对其进行分频, 首先对计数脉冲进行8分频, 使其计数周期为 X×10?3ms, 然后再进行一次 1024分频, 就会在 CPLD 的输出端得到 X×1.024ms的计数脉冲。计数器积分时间可调步长为1.024ms, 积分时间从3ms到60s可调。在CPLD内部通过AHDL语言与原理图相结合的办法实现时序逻辑。

光积分时间最小值的确定是与 CCD自身的工作参数相匹配的, 而为了扩宽仪器测量的动态范围,最大值的确定则是以 82C54计数器的 16位计数范围为限的。考虑到所选 IXL511的最佳移出频率为1MHz, 参考 IXL511的结构, 在一次移出过程中IXL511共移出39个哑像元、2048个有用像元, 所以, 为了保证光积分及CCD视频输出端输出信号的完整性, 在一个积分周期中至少要有2048+39=2087个移位周期, 即积分时间必须大于2087移位周期才能够保证当前采样结束之前保存在移位寄存器中的上次采样结果已移出。故而将CCD的最小积分时间固定在3ms。

从CPLD输出的时序信号经74LS244缓冲驱动后分别送入CCD及ADC的时钟输入端对相应的器件进行工作驱动。