一種帶定位功能的拉曼光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種帶定位功能的拉曼光譜儀，包括拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探測(cè)模塊、主控單元以及定位模塊，具有高精度、高分辨率的拉曼光譜探測(cè)能力；拉曼探頭的激光輸入端與拉曼激光光源連接，拉曼探頭的激光輸出端與分光系統(tǒng)連接；分光系統(tǒng)輸出的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)模塊進(jìn)入到主控單元中；主控單元對(duì)光電探測(cè)模塊采集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行處理，將采集到的拉曼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析探測(cè)結(jié)果。本發(fā)明在拉曼光譜儀設(shè)計(jì)中集成定位技術(shù)，提供一種能同步完成時(shí)間、設(shè)備信息、采集對(duì)象、分析結(jié)果以及地理位置信息的便攜式/手持式拉曼光譜儀，提高拉曼光譜儀系統(tǒng)的適用性與探測(cè)效率，保證數(shù)據(jù)信息的完整性。
【專利說(shuō)明】一種帶定位功能的拉曼光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有定位功能的拉曼光譜儀，尤其涉及室外采集分析、野外探測(cè)以及空間探測(cè)中使用的拉曼光譜儀系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著光譜分析技術(shù)的快速發(fā)展，光譜儀系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。在室外采集分析、野外探測(cè)和空間探測(cè)的應(yīng)用中，光譜儀系統(tǒng)是物質(zhì)探測(cè)分析不可或缺的部分。按照光譜儀系統(tǒng)大小可分為車載大型光譜儀設(shè)備、便攜式光譜儀及手持式光譜儀等；根據(jù)系統(tǒng)原理可分為拉曼光譜儀、紅外光譜儀、熒光光譜儀和紫外光譜儀等。
[0003]拉曼光譜儀的原理是當(dāng)單色光照射到樣品時(shí)，分子振動(dòng)會(huì)使入射光發(fā)生拉曼頻移，且該拉曼頻移只與散射分子本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，與入射光頻率無(wú)關(guān)，具有測(cè)試樣品非接觸性、非破壞性和測(cè)量時(shí)間短、樣品所需量少的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)用于樣品無(wú)損分析。在分析過(guò)程中不會(huì)對(duì)樣品造成化學(xué)的、機(jī)械的、光化學(xué)和熱的分解，是分析科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品安全、醫(yī)藥、文物考古、寶石鑒定和法庭科學(xué)等方面。
[0004]在室外采集、野外探測(cè)和空間探測(cè)中，時(shí)間、地理位置、設(shè)備信息、采樣對(duì)象和分析結(jié)果等內(nèi)容是測(cè)量和探測(cè)中重要的組成部分，而傳統(tǒng)的拉曼光譜儀系統(tǒng)僅對(duì)時(shí)間、設(shè)備信息、采樣對(duì)象以及分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)置處理，而地理位置信息仍需另外采集與記錄，存在不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄、地理位置信息不具體等問(wèn)題。因此，迫切需要在拉曼光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)中集成定位功能，并在軟件設(shè)計(jì)中將其與其他測(cè)量系統(tǒng)一體化，提高探測(cè)的效率，保證數(shù)據(jù)信息的完整性。
[0005]現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹了拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)的基本工作原理，綜述了國(guó)內(nèi)外便攜式拉曼光譜儀的研究現(xiàn)狀，便攜式拉曼光譜儀正成為一種可用于現(xiàn)場(chǎng)快速、非接觸、無(wú)損傷檢測(cè)的重要工具，可用于爆炸物和化學(xué)危險(xiǎn)物質(zhì)的鑒別，但未提及拉曼光譜儀具有定位功能。另外，有文獻(xiàn)報(bào)道了一種利用拉曼光譜分析技術(shù)與表面增強(qiáng)技術(shù)的原位檢測(cè)儀器，并將其應(yīng)用于北極水質(zhì)以及沉淀物的檢測(cè)分析，其中每組測(cè)試數(shù)據(jù)采集后都需要備注測(cè)試點(diǎn)的地理位置信息，即測(cè)量位置的經(jīng)緯度。結(jié)果表明在野外探測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中地理位置信息的重要性，但報(bào)道中所使用的拉曼光譜儀設(shè)備不具有定位功能。因此，研制一種具有定位功能的拉曼光譜儀具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是提供一種帶定位功能的拉曼光譜儀，拉曼光譜儀系統(tǒng)在保證了拉曼光譜儀高精度、高分辨率的基礎(chǔ)上，集成了北斗/GPS定位功能，針對(duì)室外采集、野外探測(cè)以及空間探測(cè)中數(shù)據(jù)測(cè)量需求，將拉曼光譜儀的檢測(cè)光譜數(shù)據(jù)與時(shí)間、地理位置信息實(shí)時(shí)結(jié)合，保證了光譜測(cè)量信息完整性，提高了測(cè)量效率。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種帶定位功能的拉曼光譜儀，包括拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊、主控單元和定位模塊；所述拉曼探頭的激光輸入端與拉曼激光光源連接，拉曼探頭的激光輸出端與分光系統(tǒng)連接；所述分光系統(tǒng)輸出的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)模塊進(jìn)入到主控單元中；所述主控單元對(duì)光電探測(cè)模塊采集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行處理，將采集到的拉曼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析探測(cè)結(jié)果；所述定位模塊實(shí)時(shí)完成測(cè)量點(diǎn)地理位置信息的獲取，并將數(shù)據(jù)傳回主控單元。
[0008]進(jìn)一步，所述光電探測(cè)模塊包括CXD探測(cè)器、用于對(duì)CXD探測(cè)器進(jìn)行溫度控制的CCD溫度控制電路、用于對(duì)CCD探測(cè)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的CCD驅(qū)動(dòng)電路；用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的信號(hào)調(diào)理電路和將信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路。
[0009]進(jìn)一步，所述主控單元包括FPGA和嵌入式系統(tǒng)，所述FPGA與嵌入式系統(tǒng)通過(guò)總線連接；所述FPGA用于對(duì)光電探測(cè)模塊完成時(shí)序控制；所述嵌入式系統(tǒng)用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行去噪、預(yù)處理、矯正和定性定量處理。
[0010]進(jìn)一步，還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的激光控制模塊，所述激光控制模塊用于對(duì)拉曼激激光源進(jìn)行控制。
[0011]進(jìn)一步，還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的IXD顯示屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的觸摸屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的鍵盤(pán)。
[0012]進(jìn)一步，還包括外殼，所述拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊和主控單元集成在外殼內(nèi)。
[0013]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、該具有定位功能的拉曼光譜儀系統(tǒng)在保證了拉曼光譜儀高精度、高分辨率的基礎(chǔ)上，集成了北斗/GPS定位功能，針對(duì)室外采集、野外探測(cè)以及空間探測(cè)中數(shù)據(jù)測(cè)量需求，將拉曼光譜儀的檢測(cè)光譜數(shù)據(jù)與時(shí)間、地理位置信息實(shí)時(shí)結(jié)合，保證了光譜測(cè)量信息完整性，提高了測(cè)量效率。
[0015]2、本發(fā)明將所有組成部件集成在外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的便攜化、小型化；
[0016]3、本發(fā)明提供一種能同步完成時(shí)間、設(shè)備信息、采集對(duì)象、分析結(jié)果以及地理位置信息的便攜式/手持式拉曼光譜儀，提高拉曼光譜儀系統(tǒng)的適用性與探測(cè)效率，保證數(shù)據(jù)信息的完整性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0018]圖1是本發(fā)明的拉曼光譜儀總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明的拉曼光譜儀電氣控制圖；
[0020]圖3是本發(fā)明的拉曼光譜儀測(cè)量、定位流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0022]如圖1、2所示，一種帶定位功能的拉曼光譜儀，包括拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊、主控單元和定位模塊；所述拉曼探頭的激光輸入端與拉曼激光光源連接，拉曼探頭的激光輸出端與分光系統(tǒng)連接；所述分光系統(tǒng)輸出的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)模塊進(jìn)入到主控單元中；所述主控單元對(duì)光電探測(cè)模塊采集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行處理，將采集到的拉曼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析探測(cè)結(jié)果；所述定位模塊實(shí)時(shí)完成測(cè)量點(diǎn)地理位置信息的獲取，并將數(shù)據(jù)傳回主控單元。
[0023]所述拉曼激光光源拉曼光譜儀提供探測(cè)光源，通過(guò)光路或光纖與拉曼探頭連接。所述拉曼激光光源為785nm窄線寬激光光源，其具有0.1nm的光譜線寬，輸出功率0_300mW連續(xù)可調(diào)，該部分也可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)整為其它波長(zhǎng)或功率范圍的激光光源；
[0024]所述拉曼探頭實(shí)現(xiàn)拉曼散射光收集功能，通過(guò)光路或光纖與拉曼光譜儀連接。所述拉曼探頭為785nm光纖探頭。根據(jù)具體的需求，拉曼探頭可配置不同尺寸與焦距的光學(xué)鏡頭，也可以鏈接微流控表面增強(qiáng)拉曼芯片系統(tǒng)。
[0025]所述光電探測(cè)模塊包括CXD探測(cè)器、用于對(duì)CXD探測(cè)器進(jìn)行溫度控制的CXD溫度控制電路、用于對(duì)CCD探測(cè)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的CCD驅(qū)動(dòng)電路、用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的信號(hào)調(diào)理電路和將信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路。溫度控制通過(guò)基于TEC控制設(shè)計(jì)的溫度控制電路實(shí)現(xiàn)。信號(hào)調(diào)理通過(guò)低噪聲、高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)。
[0026]所述分光系統(tǒng)選用光學(xué)長(zhǎng)波濾波，采用非對(duì)稱交叉C-T型光路結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的像面大小與CXD尺寸之間的匹配，使拉曼光譜儀整機(jī)具有檢測(cè)范圍寬(15001^-33000^1)、檢測(cè)精度高(0.6nm)等特點(diǎn)。
[0027]所述主控單元包括FPGA和嵌入式系統(tǒng)，所述FPGA與嵌入式系統(tǒng)通過(guò)總線連接；所述FPGA用于對(duì)光電探測(cè)模塊完成時(shí)序控制，主要包括CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序控制；所述嵌入式系統(tǒng)用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行去噪、預(yù)處理、矯正和定性定量處理。
[0028]在本實(shí)施例中，所述定位模塊為北斗/GPS定位模塊，用于實(shí)時(shí)完成測(cè)量點(diǎn)地理位置信息的獲取，該部分也可以是通信SIM卡模塊，即通過(guò)通信基站定位。
[0029]在本實(shí)施例中，拉曼光譜儀還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的激光控制模塊，所述激光控制模塊用于對(duì)拉曼激激光源進(jìn)行控制，用于控制激光的輸出功率等參數(shù)。
[0030]在本實(shí)施例中，拉曼光譜儀還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的LCD顯示屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的觸摸屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的鍵盤(pán)。
[0031]在本實(shí)施例中，拉曼光譜儀還包括外殼，所述拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊和主控單元集成在外殼內(nèi)，通過(guò)整體設(shè)計(jì)構(gòu)成便攜式/手持式拉曼光譜儀。
[0032]如圖3所示，本發(fā)明在使用時(shí)，首先設(shè)置測(cè)量激光功率，積分時(shí)間，制冷溫度，測(cè)量次數(shù)等參數(shù)，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行激光功率輸出、光譜采集、CCD制冷、自動(dòng)循環(huán)采集以及自動(dòng)定位等工作。主控單元對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行去噪、預(yù)處理、矯正和定性定量處理，將采集的拉曼光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析探測(cè)結(jié)果。最后將拉曼光譜數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、激光參數(shù)、測(cè)量時(shí)間、地理位置定位信息等打包存儲(chǔ)，并發(fā)送到顯示終端(LCD顯示屏)。
[0033]本發(fā)明在保證了拉曼光譜儀高精度、高分辨率的基礎(chǔ)上，集成了北斗/GPS定位功能，針對(duì)室外采集、野外探測(cè)以及空間探測(cè)中數(shù)據(jù)測(cè)量需求，將拉曼光譜儀的檢測(cè)光譜數(shù)據(jù)與時(shí)間、地理位置信息實(shí)時(shí)結(jié)合，保證了光譜測(cè)量信息完整性，提高了測(cè)量效率。
[0034]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種帶定位功能的拉曼光譜儀，其特征在于:包括拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊、主控單元和定位模塊；所述拉曼探頭的激光輸入端與拉曼激光光源連接，拉曼探頭的激光輸出端與分光系統(tǒng)連接；所述分光系統(tǒng)輸出的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)模塊進(jìn)入到主控單元中；所述主控單元對(duì)光電探測(cè)模塊采集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行處理，將采集到的拉曼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的拉曼數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析探測(cè)結(jié)果；所述定位模塊實(shí)時(shí)完成測(cè)量點(diǎn)地理位置信息的獲取，并將數(shù)據(jù)傳回主控單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征在于:所述光電探測(cè)模塊包括CCD探測(cè)器、用于對(duì)CCD探測(cè)器進(jìn)行溫度控制的CCD溫度控制電路、用于對(duì)CCD探測(cè)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的CCD驅(qū)動(dòng)電路；用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的信號(hào)調(diào)理電路和將信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉曼光譜儀，其特征在于:所述主控單元包括FPGA和嵌入式系統(tǒng)，所述FPGA與嵌入式系統(tǒng)通過(guò)總線連接；所述FPGA用于對(duì)光電探測(cè)模塊完成時(shí)序控制；所述嵌入式系統(tǒng)用于對(duì)拉曼信號(hào)進(jìn)行去噪、預(yù)處理、矯正和定性定量處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的拉曼光譜儀，其特征在于:還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的激光控制模塊，所述激光控制模塊用于對(duì)拉曼激光光源進(jìn)行控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的拉曼光譜儀，其特征在于:還包括與嵌入式系統(tǒng)連接的IXD顯示屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的觸摸屏、與嵌入式系統(tǒng)連接的鍵盤(pán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征在于:還包括外殼，所述拉曼激光光源、拉曼探頭、分光系統(tǒng)、光電探模塊和主控單元集成在外殼內(nèi)。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK104198462SQ201410461906
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】張煒, 方紹熙, 湯冬云, 何石軒, 吳鵬, 劉玉龍, 張華 , 陳昭明, 謝婉誼, 劉崇武, 王雅冠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院