基于LabVIEW的自動光譜檢測系統(tǒng)及其應用

李元耀

【摘 要】針對許多光譜采集系統(tǒng)自動化集成化程度低，數(shù)據(jù)采集和處理功能不強等問題，設(shè)計出一套能全面準確反應樣本光譜信息的自動光譜檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光柵光譜分光系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，將光源控制、精密位移平臺控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體。試驗結(jié)果顯示樣本的特征區(qū)與非特征區(qū)對比明顯，表明系統(tǒng)能完美展現(xiàn)樣本的光譜信息。

【關(guān)鍵詞】光譜特性；檢測系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學的飛速進步，假冒、偽造犯罪活動日趨嚴重。為了保障經(jīng)濟秩序的正常運行，防偽技術(shù)的發(fā)展越來越受到人們的重視。光譜信息由于其信息含量大、取樣復雜、隱蔽性高、制作技術(shù)難度大等特點，因而最難被偽造。如何使被檢測目標，如票據(jù)、紙幣、商標等的光譜信息能被全面、正確的儲存識別也逐漸成為防偽技術(shù)的重點發(fā)展方向。

目前，許多光譜檢測系統(tǒng)，不同程度的存在光譜測量范圍窄、自動化程度低、數(shù)據(jù)采集和處理功能不強等缺點[1]。本文以此為契機，搭建了一套自動光譜檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于圖形化的編程語言LabVIEW，利用色散型光柵光譜儀原理進行光的分解，使用FPGA嵌入式高速數(shù)字信號采集和處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對被測樣本光譜信息的自動檢測。

1 光譜檢測系統(tǒng)基本原理

本光譜檢測系統(tǒng)的基本原理是：入射光照射到反射式光柵上，由于多縫衍射和干涉的共同作用，光柵將入射光按波長在空間分解。根據(jù)光柵方程：

d（sin i+sin ？茲）=m？姿（1）

式中i為入射角，？茲為衍射角，d為光柵常數(shù)即刻痕間距，m為光譜級次?？梢钥闯?，當d和i一定時，除零級外，在確定的光譜級中，波長越大的光束衍射角越大，這樣不同波長的同一級主最大，自零級開始向左右兩側(cè)，按波長次序由小到大散開，從而達到分光及光譜檢測的目的[2-3]。

本系統(tǒng)主要是由檢測光源，精密位移平臺，光柵分光系統(tǒng)，線陣CCD以及裝有LabVIEW軟件的計算機組成，其檢測基本原理如圖1所示，檢測光源發(fā)出的探測光照射到放有待測樣本的位移平臺上，經(jīng)待測樣本反射，反射光通過準直鏡的反射進入光柵，由于光柵的作用使進入的單束復合光分解為多束單色光，再經(jīng)過成像物鏡按照波長的順序成像于透鏡焦平面上。此時，單束的復合光經(jīng)過分光系統(tǒng)后就變成了若干個單色光的像。把2048像素的線陣CCD感光芯片置于成像物鏡的焦平面上，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并用基于FPGA的高速圖像采集電路進行數(shù)字化處理并輸出到PC機，通過LabVIEW對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行實時儲存和處理，并顯示相應波段的光譜圖像，如圖1所示。

2 光譜檢測系統(tǒng)的LabVIEW實現(xiàn)

在LabVIEW環(huán)境下[4-5]，通過各種子VI的調(diào)用，實現(xiàn)了對本檢測系統(tǒng)的實時控制，程序主要包括對掃描光源的控制、精密位移平臺的控制、掃描參數(shù)的控制、數(shù)據(jù)處理及圖像顯示等。軟件流程圖如圖2所示。

與自然光源不同，人造光源的強度在各個波長處并不相同，并且CCD的響應也隨著波長的變化而變化，為了消除上述因素的影響，得到待測樣本正確的光譜信息，在檢測開始前，必須對系統(tǒng)進行光強校準。首先記錄下光源關(guān)閉時每個波長處的背景光強I背景，然后打開光源，通過LabVIEW向PLC（Programmable Logic Controller）發(fā)送“開始校準”的指令，X/Y向電機同時運轉(zhuǎn)，把用于校準的標準白色移至檢測光斑處，記錄下此時所有波長處的光強I白色，則校準后的光強為：

式中，I測量為待測點反射光的實際光強，I校準為消除光源與CCD影響后的校準光強。

3 實驗及結(jié)果

為檢測上述系統(tǒng)的防偽效果，筆者用微波加熱法自制了摻Nd的光譜防偽涂料，將其在紙板上涂成“Z”“I”型，作為防偽特征區(qū)，其他區(qū)域無防偽涂料，由此制成了一塊防偽紙板，如圖3所示，用該系統(tǒng)對紙板進行了光譜測量。

在808nm激光的激發(fā)下，測得其光譜強度圖像如圖4所示。其中圖4（a）為紙板在808nm處的光譜圖像，1064nm處的光譜圖像為圖4（b），圖4（c）為其在其他波長處的光譜圖像。由圖4（a）可見，雖然防偽區(qū)域能吸收808nm激光，但是在激發(fā)光波長處，“Z”“I”依然能隱約可見，這是因為涂料對激發(fā)光的吸收不完全，仍舊有部分激發(fā)光進入光譜檢測系統(tǒng)。而從1064nm處的光譜圖像（圖4（b））可知，防偽區(qū)域（有涂料）和非防偽區(qū)域（無涂料）的對比十分明顯，防偽涂料涂成的“Z”“I”在808nm激光激發(fā)下發(fā)射1064nm的熒光，光譜圖像灰度值高，呈高亮的狀態(tài)；其他部分由于無熒光發(fā)射，灰度值低，均呈暗背景。而在其他波長處，由于既無熒光發(fā)射也無激發(fā)光反射，防偽區(qū)域與非防偽區(qū)域混為一個整體，均呈暗背景狀（圖4（c））。上述實驗結(jié)果與理論吻合得很好。由上面實驗可知，該系統(tǒng)準確、可靠，能詳細的表現(xiàn)待測樣本的光譜信息，使其防偽特征簡單明顯的表現(xiàn)出來，在防偽鑒別方面具有廣泛的應用。

4 結(jié)論

本文研制的光譜信息檢測系統(tǒng)應用先進技術(shù)，引入虛擬儀器的概念，彌補了傳統(tǒng)方法的不足，使光譜檢測系統(tǒng)整體性能有了很大提高。本系統(tǒng)利用LabVIEW的強大功能將光源控制、精密位移平臺控制、CCD光譜圖像采集以及光譜圖像顯示融為一體，實現(xiàn)在線的邊控制、邊采集和邊顯示，具有方便的開發(fā)環(huán)境和清晰的數(shù)據(jù)流程，自動化程度高，大大簡化了操作。在光譜防偽實驗中，利用本系統(tǒng)采集到了樣本防偽特征點的詳細光譜信息，與理論吻合得很好，驗證了系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)能被廣泛應用到光譜防偽方面，使國內(nèi)的防偽鑒別技術(shù)更上一個新的臺階。

【參考文獻】

[1]歐陽黎，張永林.一種新型的光譜自動測試系統(tǒng)[J].光電子·激光，1999，10（4）： 336-339.

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