基于LabVIEW的自动光谱检测系统及其应用

李元耀

【摘 要】针对许多光谱采集系统自动化集成化程度低，数据采集和处理功能不强等问题，设计出一套能全面准确反应样本光谱信息的自动光谱检测系统。该系统以光栅光谱分光系统为基础，以LabVIEW为软件开发平台，将光源控制、精密位移平台控制、CCD光谱图像采集以及光谱图像显示融为一体。试验结果显示样本的特征区与非特征区对比明显，表明系统能完美展现样本的光谱信息。

【关键词】光谱特性；检测系统；LabVIEW

0 引言

随着经济的发展和科学的飞速进步，假冒、伪造犯罪活动日趋严重。为了保障经济秩序的正常运行，防伪技术的发展越来越受到人们的重视。光谱信息由于其信息含量大、取样复杂、隐蔽性高、制作技术难度大等特点，因而最难被伪造。如何使被检测目标，如票据、纸币、商标等的光谱信息能被全面、正确的储存识别也逐渐成为防伪技术的重点发展方向。

目前，许多光谱检测系统，不同程度的存在光谱测量范围窄、自动化程度低、数据采集和处理功能不强等缺点[1]。本文以此为契机，搭建了一套自动光谱检测系统，该系统基于图形化的编程语言LabVIEW，利用色散型光栅光谱仪原理进行光的分解，使用FPGA嵌入式高速数字信号采集和处理系统，实现了对被测样本光谱信息的自动检测。

1 光谱检测系统基本原理

本光谱检测系统的基本原理是：入射光照射到反射式光栅上，由于多缝衍射和干涉的共同作用，光栅将入射光按波长在空间分解。根据光栅方程：

d（sin i+sin ？兹）=m？姿（1）

式中i为入射角，？兹为衍射角，d为光栅常数即刻痕间距，m为光谱级次。可以看出，当d和i一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越大的光束衍射角越大，这样不同波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧，按波长次序由小到大散开，从而达到分光及光谱检测的目的[2-3]。

本系统主要是由检测光源，精密位移平台，光栅分光系统，线阵CCD以及装有LabVIEW软件的计算机组成，其检测基本原理如图1所示，检测光源发出的探测光照射到放有待测样本的位移平台上，经待测样本反射，反射光通过准直镜的反射进入光栅，由于光栅的作用使进入的单束复合光分解为多束单色光，再经过成像物镜按照波长的顺序成像于透镜焦平面上。此时，单束的复合光经过分光系统后就变成了若干个单色光的像。把2048像素的线阵CCD感光芯片置于成像物镜的焦平面上，将光信号转换为电信号，并用基于FPGA的高速图像采集电路进行数字化处理并输出到PC机，通过LabVIEW对采集到的光谱数据进行实时储存和处理，并显示相应波段的光谱图像，如图1所示。

2 光谱检测系统的LabVIEW实现

在LabVIEW环境下[4-5]，通过各种子VI的调用，实现了对本检测系统的实时控制，程序主要包括对扫描光源的控制、精密位移平台的控制、扫描参数的控制、数据处理及图像显示等。软件流程图如图2所示。

与自然光源不同，人造光源的强度在各个波长处并不相同，并且CCD的响应也随着波长的变化而变化，为了消除上述因素的影响，得到待测样本正确的光谱信息，在检测开始前，必须对系统进行光强校准。首先记录下光源关闭时每个波长处的背景光强I背景，然后打开光源，通过LabVIEW向PLC（Programmable Logic Controller）发送“开始校准”的指令，X/Y向电机同时运转，把用于校准的标准白色移至检测光斑处，记录下此时所有波长处的光强I白色，则校准后的光强为：

式中，I测量为待测点反射光的实际光强，I校准为消除光源与CCD影响后的校准光强。

3 实验及结果

为检测上述系统的防伪效果，笔者用微波加热法自制了掺Nd的光谱防伪涂料，将其在纸板上涂成“Z”“I”型，作为防伪特征区，其他区域无防伪涂料，由此制成了一块防伪纸板，如图3所示，用该系统对纸板进行了光谱测量。

在808nm激光的激发下，测得其光谱强度图像如图4所示。其中图4（a）为纸板在808nm处的光谱图像，1064nm处的光谱图像为图4（b），图4（c）为其在其他波长处的光谱图像。由图4（a）可见，虽然防伪区域能吸收808nm激光，但是在激发光波长处，“Z”“I”依然能隐约可见，这是因为涂料对激发光的吸收不完全，仍旧有部分激发光进入光谱检测系统。而从1064nm处的光谱图像（图4（b））可知，防伪区域（有涂料）和非防伪区域（无涂料）的对比十分明显，防伪涂料涂成的“Z”“I”在808nm激光激发下发射1064nm的荧光，光谱图像灰度值高，呈高亮的状态；其他部分由于无荧光发射，灰度值低，均呈暗背景。而在其他波长处，由于既无荧光发射也无激发光反射，防伪区域与非防伪区域混为一个整体，均呈暗背景状（图4（c））。上述实验结果与理论吻合得很好。由上面实验可知，该系统准确、可靠，能详细的表现待测样本的光谱信息，使其防伪特征简单明显的表现出来，在防伪鉴别方面具有广泛的应用。

4 结论

本文研制的光谱信息检测系统应用先进技术，引入虚拟仪器的概念，弥补了传统方法的不足，使光谱检测系统整体性能有了很大提高。本系统利用LabVIEW的强大功能将光源控制、精密位移平台控制、CCD光谱图像采集以及光谱图像显示融为一体，实现在线的边控制、边采集和边显示，具有方便的开发环境和清晰的数据流程，自动化程度高，大大简化了操作。在光谱防伪实验中，利用本系统采集到了样本防伪特征点的详细光谱信息，与理论吻合得很好，验证了系统的可靠性。该系统能被广泛应用到光谱防伪方面，使国内的防伪鉴别技术更上一个新的台阶。

【参考文献】

[1]欧阳黎，张永林.一种新型的光谱自动测试系统[J].光电子·激光，1999，10（4）： 336-339.

[2]王宇.小型光纤光谱仪的研究[D].天津：天津大学，2006：8-58.

[3]黄振宇，孙利群.基于线阵CCD的小型光谱仪光度特性研究[J].应用光学， 2007，28（5）：564-568.

[4]王泽锋，胡永明.基于LabVIEW的光纤水听器闭环工作点控制系统[J].光电子·激光，2007，18（10）：1154-1157.

[5]董磊，马维光，尹王保，等.基于LabVIEW的外腔二极管激光稳频实验[J].光电子·激光，2005，16（3）：255-258.