便携式野外现场近红外地物光谱仪研究与测试
便携式光谱仪测量软件开发及农学参数光谱分析方法解析
便携式光谱仪测量软件开发及农学参数光谱分析方法便携式光谱仪可对农作物的光谱数据进行实时的在线测量和预处理,不受室内外条件的限制,进而分析农作物的品质参数。
光谱分析研究主要集中在确定作物农学参数与光谱反射数据之间的定性及定量关系,从而建立作物农学参数的光谱诊断和预测模型。
本论文在分析国内外便携式光谱仪发展现状及趋势的基础上,根据作物农学参数测量对微型光谱仪智能化的需要,应用嵌入式系统技术和光谱分析技术,设计了便携式光谱仪的测量操作软件系统,以满足光谱仪操作和维护简单的使用要求,论文完成的主要工作包括: (1)论文论述了微型光谱仪软件测量系统的发展现状及趋势,结合光谱分析技术在农作物参数测量中的应用,论证了嵌入式光谱仪实现软件系统智能化的必要性。
在现有光谱仪嵌入式系统的基础上,选用QT/Embedded进行应用软件开发,实现了触摸屏对该应用程序的支持,并对文件系统作出相应修改。
(2)针对光谱仪的应用需求,进行了软件架构设计、人机交互界面设计,实现了光谱数据采集、谱图实时显示和多种数据处理的功能,满足了便携式光谱仪对于光谱数据分析的基本需求,实现了光谱采集的智能化。
摘要 4-5Abstract 5-6第1章绪论 9-191.1 课题背景与意义 91.2 便携式光谱仪的发展现状 9-121.3 便携式光谱仪分析软件的发展现状 12-151.4 光谱分析的农业应用 15-171.5 课题研究的主要内容 17-19第2章便携式光谱仪嵌入式Linux软件系统构建 19-332.1 嵌入式Linux系统的整体软件构成 19-242.2 嵌入式软件的开发流程 24-272.2.1 宿主机QT/Embedded开发环境的建立 25-262.2.2 QT/Embedded源码的编译 26-272.3 触摸屏功能的实现 27-292.3.1 触摸屏工作原理 27-282.3.2 触摸屏校准 28-292.4 文件系统的修改 29-312.4.1 QT/Embedded库的移植 302.4.2 系统启动文件 30-312.5 本章小结 31-33第3章便携式光谱仪嵌入式人机交互软件的研发 33-573.1 软件系统设计思想 33-363.1.1 应用软件的需求分析 33-343.1.2 应用软件的系统构架 34-363.2 QT/Embedded 的技术分析 36-373.2.1 QT/Embedded 的体系结构分析 36-373.2.2 QT/Embedded 的信号与槽机制 373.3 便携式光谱仪应用程序中控件布局及QT类的层次 37-48 3.3.1 顶层窗口的实现 43-443.3.2 复合窗口部件DrawDemo的实现 44-463.3.3 绘图画板DrawWidget的实现 46-483.4 便携式光谱仪测量操作软件的基本功能 48-563.4.1 光谱数据的获取及实时显示 49-503.4.2 光谱采集的起止与光谱图的放缩 50-523.4.3 光谱数据保存 52-533.4.4 光谱数据的处理和分析 53-563.5 本章小结 56-57第4章基于PC机的光谱数据处理系统及去噪算法 57-77 4.1 基于PC机的光谱数据处理系统 57-614.1.1 LabVIEW 系统简介 574.1.2 光谱数据处理软件 57-614.2 田间试验 61-674.2.1 材料与方法 61-644.2.2 光谱数据预处理及数据比较 64-674.3 光谱信号预处理去噪算法 67-754.3.1 光谱信号的噪声特点分析 67-684.3.2 小波与小波包的基本理论及仿真实验 68-724.3.3 小波包的新阈值函数的提出及仿真实验 72-754.4 本章小结 75-77第5章基于光谱分析技术的农学应用 77-955.1 光谱分析技术反映的农学参数 77-785.2 光谱分析技术的理论基础 78-805.3 光谱分析方法研究综述 80-905.3.1 机理模型法 80-835.3.2 经验模型法 83-905.3.3 机理与经验结合法 905.4 回归分析与建模 90-93 5.5 本章小结。
地物光谱反射率的野外测定
实验一 地物光谱反射率的野外测定一、实验目的1、学习地物光谱的测定方法2、认识地物光谱反射率的规律3、掌握绘制地物反射光谱曲线的方法二、原理及方法地物光谱反射率的野外测定原理主要是利用电磁辐射和各地物光谱特征进行测定（参照课本）。
实验采用垂直测量方法，计算公式为：()()()()λρλλλρs Vs V •=式中，()λρ为被测物体的反射率，()λρs 为标准板的反射率，()λV ，()λVs 分别为测量物体和标准板的仪器测量值。
三、实验仪器1、可见光－近红外光谱辐射计，波长范围0.4—2.5µm(有0.4—1.1µm 或1.3—2.5µm 二种仪器)，仪器性能稳定，携带方便，数据提取容易。
表1.1列出了目前常用的光谱仪。
2、标准参考板（白板或灰板）。
表1.1常见的光谱辐射仪四、实验步骤1、测量目标和条件的选择环境：无严重大气污染，光照稳定，无卷云或浓积云，风力小于3级，避开阴影和强反射体的影响（测量者不穿白色服装）。
时间：地方时9：30—14：30。
取样：选择物体自然状态的表面作为观测面，取样面积大于地物自然表面起伏和不均匀的尺度，被测目标面要充满视场。
标准板：标准板表面与被测地物的宏观表面相平行，与观测仪器等距，并充满仪器视场，保证板面清洁。
2、记录测量目标基本信息主要内容如下：土壤：土类、土属、土种；地貌类型、成土母质、侵蚀状况；干湿度、粗糙度等。
植被：植物名称、所属类别、覆盖率、生长状况、叶色、高度等。
水体：水体名称、水体状况、水色、水温、透明度、泥沙含量、叶绿素含量、污染状况等。
人工目标：目标名称、内容描述、估算面积、几何特征、表面颜色、坡度、坡面等。
岩矿：岩矿名称、所属类别、植被覆盖及名称、土壤覆盖及名称、岩矿露头面积、所属构造、地质年代、风化状况等。
3、记录环境参数主要内容如表1.2，内容由教学教师定，制成表格填写。
见附表。
4、安装仪器开始测试①对准标准板，读取数据为Vs。
光谱仪
PSR-3500 野外便携式地物光谱仪PSR-3500便携式地物光谱仪是美国Spectral Evolution公司的最新旗舰产品，适用于遥感测量、农作物监测、森林研究到工业照明测量、海洋学研究和矿物勘察的各方面应用。
软件操作简单方便、功能强大。
此仪器可用做测量辐射度、光谱反射率和光谱透过率。
仪器特性——便捷、稳定、高分辨率快速实现紫外、可见光、近红外（350-2500纳米）全谱段波谱稳定测量全线阵探测器单元，全息光栅，无运动光学部件，增加测量可靠性集成蓝牙无线通讯，可替换的高性能轻便锂离子充电电池可切换的前置光学系统和光纤系统，使应用更广泛内置光闸和漂移锁定自动校准功能激光指示采样目标位置美观轻便的铝质外壳增强了仪器的耐久性和温度稳定性基于Windows平台和个人掌上型电脑(PDA)的数据采集软件更增加了可移动性和灵活性方便的面板键盘操控和内置 500 幅数据采集存储芯片，使本仪器无需连接电脑即可独立进行野外测量新型设计符合人体工学，坚固的尼龙手柄带使野外移动测量更安全、方便PSR 系列地物波谱仪使用美国NIST 可溯源标定，一键测量功能实现自动曝光和自动波谱数据采集SPECTRAL EVOLUTION公司PSR系列地物波谱仪可以实时测量原始数据，反射、透射辐射和辐照度波谱曲线。
本系列全部使用固定全息光栅和全线阵列光学探测器。
这带来了高灵敏度和高分辨率的特性，避免了因使用内置光纤分光、窄狭缝和运动光栅或棱镜带来的仪器定标失效可能性。
PSR系列地物波谱仪能够在100毫秒实现全光谱范围数据采集，达到10次/秒的采集速率。
专业的DARWin SP 数据采集软件更好的发挥了仪器性能并且方便数据后续处理。
LABVIEW 驱动也可获得(请垂询)。
下图显示了PSR-3500型地物光谱仪测量太阳光辐射谱 (绿色线) 与 AM1.5G (红色线)对比.应用领域：♦遥感测量♦土壤和地质♦矿物勘探♦农作物监测♦植物学研究♦森林和生态环境♦海洋和内陆水体♦环境遥感♦太阳能光伏产业♦食品药品SPECTRAL EVOLUTION公司 PSR 系列便携式波谱仪配备锂离子充电电池（a），集成自动操控界面（a），可以进行最大500幅独立波谱扫描采集。
便携式地物光谱仪在司法鉴定中的作用
便携式地物光谱仪在司法鉴定中的作用一、便携式地物光谱仪在司法鉴定中的作用司法鉴定是个超严肃的事儿，就像一场超级严谨的科学大侦探游戏。
那便携式地物光谱仪呢，在这个游戏里可扮演着重要的角色哦。
咱先说说这便携式地物光谱仪是个啥。
它就像是一个超厉害的眼睛，能精准地看到各种物质的光谱特征。
在司法鉴定里，比如说涉及到一些物证的鉴定。
像土壤啊，这个在很多案件里都可能是关键证据。
如果一块土地上发生了案件，便携式地物光谱仪就能快速检测出这块土壤里含有的各种元素成分，是不是很神奇？这就像是它能读懂土壤的密码一样。
还有植物方面。
如果案件涉及到植物，它可以检测植物的光谱，从而判断植物的种类，甚至可以知道植物是不是遭受了什么特殊的污染或者病变。
这对于判断案件发生的环境和一些相关的情况特别有帮助。
比如说，要是发现一种植物只有在某个特定的污染环境下才会出现某种光谱特征，那就能为案件的调查提供新的方向。
再说说在痕迹鉴定方面。
有时候现场可能会留下一些特殊的物质痕迹，这个时候便携式地物光谱仪就能派上用场了。
它可以分析这些痕迹的成分，是金属、塑料还是其他的什么东西。
这对于确定作案工具或者一些相关的物品来源有很大的价值。
另外呢，在鉴定一些文物或者艺术品的时候也能用到它。
虽然司法鉴定里涉及文物艺术品的情况可能相对少一些，但也不是没有。
它可以检测文物表面的物质成分，看看有没有被篡改或者修复过的痕迹。
在实际的司法鉴定过程中，这个便携式地物光谱仪的使用也很方便。
调查人员可以直接带着它到现场去，不需要像一些大型设备那样还得搬来搬去。
这就节省了很多时间，要知道在司法鉴定里，时间可是很宝贵的。
而且它的检测速度也比较快，能在短时间内给出初步的检测结果，这对于快速判断案件的走向非常重要。
它还能提高鉴定的准确性。
因为它是基于科学的光谱分析，不像一些传统的鉴定方法可能会受到人为因素的影响。
所以说，便携式地物光谱仪就像是司法鉴定领域里的一个得力小助手，默默地为找出真相贡献着自己的力量。
便携式近红外光谱分析仪
吉林大学
2002/10
a
1
目录
1、基本知识介绍
2、红外原理
3、近红外技术的应用
4、红外仪器的分类
5、我们的仪器设计方案
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2
1 基本知识
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 102 104 106 108
宇 线宙
射
线
波光 波微 波短 波
X X
软
用积分球作为探头，并确定了用法，使得
光信号得到了最大利用，提高了信噪比，
同时可降低光源的功率。
4、通过改变传感器偏压和偏置电阻降低 了前端的电路噪声，通过调节切光频率， 改善了传感器信能且避开了工频干扰。并 通过合理的设计前放和窄带率波电路进一 步提高了信噪比，使得信噪比勉强满足要 求。
a
24
•5、在可承受的噪声条件下，尽量提高放
1、避开杂散光的干扰；
2、系统的信噪比要高；
3、必须使用短焦距的光学器件以
减小体积；
4、系统必须有较强的抗干扰能力；
5、由于是野外仪器，故功耗要低。
a
20
采用光栅扫描型的原因
1、傅立叶干涉型的光谱仪精 度高，重复性好，但其造价高， 且其核心器件傅立叶干涉仪大 且重，无法做成便携式；
2、滤光片型不能进行全谱测 量，精度不够
2.Osborne B G and Fearn T.Near Infrared Spectroscopy in Food Analysis. New York: Joh, 1986
3.Wiley and Sons Inc., Wheeler O c. , 1960, 37: 2344．
移相。
地物光谱仪在光谱测量中的使用
地物光谱仪在光谱测量中的使用在遥感领域中，为了研究各种不同地物或环境在野外自然条件下的可见和近红外波段反射光谱，需要适用于野外测量的光谱仪器。
对野外地物光谱进行测量，我们使用的是美国asd公司fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪。
其主要技术指标为：波长范围为300~1100nm，光谱采样间隔为1.6nm，灵敏度线性：±1%。
fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪可用于户外目标可见—近红外波段的光谱辐射测量。
该光谱仪在户外主要利用太阳辐射作为照明光源，利用响应度定标数据，可测量并获得地物目标的光谱辐亮度；利用漫反射参考板对比测量，可获得目标的反射率光谱信息；通过对经过标定的漫反射参考板的测量，可获得地面的总照度以及直射、漫射照度光谱信息；利用特定的辅助测量机械装置，可获得地面目标的brdf(方向反射因子)光谱信息参数。
为了使地物光谱数据可靠和高的质量，使数据便于对比和应用，有必要提出地物光谱测试规范和测量要求。
1仪器的标准和标定1.1光谱分辨率实用分辨宽度对0.04~1.10μｍ小于5nm，1.1~2.5μm小于15nm。
对于fieldspec?誖handheld手持便携式光谱分析仪，起始波长为325nm，终止波长为1075nm，波长步长为1nm，则光谱分辨率取3nm。
1.2线性标定线性动态范围有3个量级，最大信号对应为0.8~1.0，太阳常数照明的白板(＜90％)峰值响应输出。
线性误差小于3％(回归误差)。
1.3光谱响应度的标定反射率小于、等于15％(大于1％)的目标，信噪比应大于10。
反射率大于15％的目标，信噪比应大于20。
2野外测定方法与工作规范2.1目标选取选取测量目标要具有代表性，应能真实反映被测目标的平均自然性。
对于植被冠层及用物的测量应考虑目标和背景的综合效应。
2.2能见度的要求对一般无严重大气污染地区，测量时的水平能见度要求不小10km。
便携式地物光谱仪安全操作及保养规程
便携式地物光谱仪安全操作及保养规程便携式地物光谱仪是一种能够快速测量自然或工业界地物光谱的测试仪器。
其使用范围广泛，包括环境、地质、采矿、农业、林业等领域。
为确保使用者的安全以及仪器的长期使用效果，我们编制了以下的安全操作及保养规程。
1. 前置条件在使用便携式地物光谱仪前，需进行如下操作：1.确定测量对象，理解并掌握测量方法；2.确认测试设备、电源、电缆、计算机及软件等配套设备为正常状态，并且处于所需状况；3.了解仪器基本操作方法，如何校准、如何启动和关闭仪器等；4.对测地物光谱时所需参考文献、参考值、参数等有所了解，做好必要的备查工作；5.确保使用环境清洁，通风良好，操作台面平稳不易摇晃。
2. 安全操作2.1 电源安全1.在操作过程中，电源线连接及插头处不得因不当处理而带有潮湿，否则可能会导致电气泄露，甚至危及人身安全。
2.启动或停止仪器时须先切断电源，并应注意手指不接触电缆的插头部分。
2.2 仪器安全1.在使用便携式地物光谱仪时，应注意光谱仪的传感器朝向地面。
2.启动光谱仪时，务必注意振荡器开关是处于“关”状态，开启后再进行测量。
3.在仪器使用置放过程中，避免单位发生颠簸或有影响仪器机械结构状况的动作。
4.仪器不可过度磕碰，避免仪器与生硬物体碰撞。
如需移动设备，需将设备安放在专业仪器包或航空铝合金箱之内，确保设备受到的力的值不大于5G。
5.在使用光谱仪时，应避免其直接暴晒于强烈的日光下，以防损坏传感器和其他关键部件。
2.3 操作安全1.在操作过程中，应做好防滑措施，确保不发生滑倒、撞击等安全事故。
2.操作人员应服从于主管人员的指挥，做好个人及周围设备的保护工作。
3.操作人员要熟悉仪器的使用方法和注意事项，严禁未经培训、无证人员擅自操作仪器。
4.操作人员在食用、吸烟、饮食等方面应注意随手关掉要件。
5.测量完毕后，应关掉各个部件电源开关，尽量回收电源线，收拾干净仪器及其关键部件。
3. 保养注意事项1.确保光谱仪整洁，积尘、积泥及其他污物应定期清除，使光谱仪外观部分保持清洁干燥；2.光谱仪被污染、受油污或其他物质污染时，应及时清洗涂层，用干净擦布擦拭；3.在存放和搬运光谱仪时应注意重心平衡，避免长时间重压在同一部位，以免损坏传感器和其他关键部件；4.光谱仪应长期放置于贮存处，温度保持在-10℃+50℃之间，相对湿度分钟。
便携式色谱仪的应用及研究
便携式色谱仪的应用及研究便携式色谱仪是一种小型、轻便、易于携带的分析仪器，可广泛应用于农业、环境监测、食品安全、医药研发等领域。
它可以在实验室外、现场和户外等各种环境中进行即时分析，具有操作简单、高效快速、精确可靠的特点。
以下将详细介绍便携式色谱仪的应用及研究。
一、农业领域的应用和研究1.农药残留检测：便携式色谱仪可以快速、准确地检测农作物中农药残留的含量，保障农产品的安全性。
2.土壤分析：通过便携式色谱仪可以分析土壤中的营养元素、重金属等成分，为土壤肥力评价和农业生产提供科学依据。
3.植物病害检测：便携式色谱仪可以快速检测植物体内的病原体，帮助农民及时采取防控措施，减少作物病害的发生和损失。
二、环境监测领域的应用和研究1.水质监测：便携式色谱仪可以快速测定水中有机污染物、重金属离子等因子的含量，对于监测水环境的污染程度和水源的安全性具有重要意义。
2.大气污染监测：通过便携式色谱仪可以测定空气中的各种有害气体的浓度，如VOCs、二氧化硫等，为环境保护和城市规划提供数据支持。
3.地下水污染监测：便携式色谱仪可以实时监测地下水中的有机物、无机物等污染物的含量，帮助实现地下水污染的早期发现和快速处理。
三、食品安全领域的应用和研究1.食品快速检测：便携式色谱仪可以即时检测食品中的添加剂、残留农药、重金属等物质含量，保障食品的安全性和品质。
2.食品质量评价：通过便携式色谱仪可以分析食品中的营养成分、香气成分等，为食品安全监测和加工技术改进提供科学依据。
四、医药研发领域的应用和研究1.药物分析：便携式色谱仪可以用于药物中活性成分的浓度分析、纯度检测等工作，为药物研发和生产提供可靠的数据支持。
2.生物药品分析：便携式色谱仪可以分析生物药物中的氨基酸序列、糖基化修饰等信息，帮助生物药品的质量控制和一致性评价。
3.药物代谢分析：通过便携式色谱仪可以实时监测体内药物的代谢物含量，研究药物的代谢途径和代谢动力学过程。
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Ｓ／Ｎ ＥＲ＾兰８３４８：１
２０Ｌｓ（Ｓ／ＮＥＲＡ、）＝７８．４ｄＢ
３．２仪器重复性测试
系统开机，连续测量某一矿物五次，时间间隔１０
分钟。测量的光谱图叠加如图４。
五次测量的吸收峰的位置完全一致，软件五次测
ｊ
现代科学仪器２００８ ２
万方数据
图６不同潮湿度测量的同种样品的曲线
４与国外仪器指标对比
、 ．
Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｉｚｈｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｃｈｕｎｘｉａ，Ｘｉｕ Ｌｉａｎｃｕｎ （Ｎａ．ｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．Ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｉａｎｄ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ａ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｆｉｎｅ ｓｃａｌｅ ｉｎ Ｈｙｐｅｒ—－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｆｏｒ ｍｉｎｅｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｉｓ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｂｙ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈａｒｄｗａｒｅ．’ｎｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｄｅ· ｓｃｒｉｂｅｄ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ—ｔｏ—ｎｏｉｓｅ（Ｓ／Ｎ）ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＮＩＲＳ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｓｏｍｅ ｏｆ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＰＮＩＳＩ ａｌｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓ／Ｎ ａｔ ７ｎｍ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ３０００：ｌ，ａｌｓｏ ＲＭＳ ｏｆ Ｓ／Ｎ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ８３４８：１．Ａ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｗｉｔｈ ｏｖｅｒｓｅａｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｕａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
信噪比定义，不同参考标准定义不一，基本定义 公式如下：
∥Ⅳ＝导
（１）
式中Ｓ，一，为信号的峰峰值，Ⅳ为噪声的有效值。
在本系统中，如果取噪声峰峰值的平均值代替
Ⅳ，本仪器的信噪比公式可写成（２）式：
Ｓ／Ｎ＝Ｓ…Ｘ２／［ｍａｘ（Ｎｉ）一ｒａｉｎ（Ｎｉ）］ （２）
在很多工程中，噪声的有效值取一批噪声的ＲＭＳ
（均方根）值，则Ⅳ可表示为：
或台式计算机和基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＣＥ的ＰＤＡ（个人掌上
电脑）的软件。
光谱数据处理软件包括数据前处理、矿物定性定
量分析和地质应用等功能。
，
Ｍｏｄｅｍ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ２００８ ２
万方数据
３仪器测试
仪器测试有信噪比测试、仪器重复性测试、光谱 带宽测试和仪器灵敏度测试。 ３．１仪器信噪比测试
收稿日期：２００７—０１—２６ 作者简介：郑志忠，（１９８０一），男，汉族，主要从事航天光学遥感仪器、光谱测量与成像和精密伺服传动控制方面的科研工作。 现代科学仪器２００８ ２
万方数据
２仪器工作原理
光机电系统结构如图１所示。 仪器光机系统由光源室、斩光、分光光学系统、积 分球和样品台五部分组成。仪器整体光学、机械结构 和电子学排布紧凑。光源发出的光经过聚透镜成像 在分光系统的狭缝上，该光线经分光光学系统后出射 为单色光，单色光入射到样品内发生漫反射，漫反射
采集得值Ｍ即为系统噪声，采集到的数据如图３。
量的光谱数据得出定性分析一致，半定量分析重复误
差小于２％。
’
图４光谱重复性扫描叠加图
３．３仪器系统光谱带宽测试 系统设计指标要求是光谱带宽优于７ｎｍ。在矿
物近红外光谱图中，高龄石在１３９４ｎｍ和１４１２ｎｍ处 有两个明显吸收峰，另外滑石在２２９０ｎｍ处有一个明 显的吸收峰，通常要作为仪器检测分辨率指标的一个 参考标准。
＼型号
仪器指标＼ ＼
ＰＩＭＡ ＳＰ（澳大利亚）
（日本）
ＺＤ皿ＰＢｌ（中国）
光谱范围
１３００一２５００ｎｍ
１２００—２５００ｎｍ １３００。２５００ｎｍ
仪器信噪比
蹦ｊ２５００：ｌ
５００：ｌ
平均３８０（）（）Ｄ００：：１ｌ’ＲＭｓ
单光谱测量时间
３０～６０秒８秒
６０秒
光谱带宽Biblioteka 优于７ｎｍ８ｎｍ优于７ｎｍ
仪器功耗 （内部电池寿命）
本文所介绍研制的ＺＤＪＩＰＢ一１型便携式野外现 场近红外地物光谱仪，光谱扫描范围１３００～２５００ｎｍ， 光谱带宽优于７ｎｍ，光谱扫描分辨率２ｎｍ，波长准确 性和重复性优于１ｎｍ，信噪比优于６５ｄＢ，扫描速度小 于６０ｓ，峰值功耗小于２４Ｗ，光源功耗１２Ｗ，仪器体积 ２５５×１１０×１８０ｍｍ。重量４．５ｋｇ，工作温度范围一ｌＯｏＣ 一＋３５０Ｃ，内部电池能连续工作２小时以上，适合野 外现场检测和实验室测试。软件功能具有定性分析 半定量分析，主要分析单矿物和含有２种或２种以上 矿物的光谱半定量分析，光谱成像，蚀变矿物近红外 光谱模型识辨分析。可作为配合高光谱遥感，进行地 面校正，精细定标和光谱填图。
０．２ｍｍ。
图１光电结构示意图
２．１电子线路 本系统采用光电导ＰｂＳ探测器，由于在近红外波
段信号微弱而且该波段探测器探测率不高，因此该仪 器的关键目标之一是提高系统信噪比。电子线路设 计是否合理直接关系到整个仪器的性能，特别对降低 噪声至关重要。电子线路包括前置放大器、带通滤波 程控放大器、相干检测、ＡＤ转换器、斩光伺服稳速控 制、扫描步进电机控制和基于ＭｓＰ４３０Ｆ１４９的测控通 讯系统。其中采用同步相关器是一种完成信号窄带 化处理的相干检测系统，即通过相干检测将调制信号 从噪声中提取并还原成直流信号，对提高信噪比起到 很大作用。由于仪器属于便携式野外现场测量系统， 另一关键目标是降低系统的功耗，系统设计采用的措 施是在保证仪器的信噪比情形下尽量降低光源功耗， 电子学系统采用低功耗设计，数字器件ＣＭＯＳ器件， 测控系统采用超低功耗的ＭｓＰ４３０Ｆ１４９作为微处理 器，系统工作模式上通过软件设置采用节电和工作两 种模式选择。系统通讯有基于ＲＳ一２３２电平的串口 通讯和ＵＳＢ电平标准ＵＳＢｌ．１通讯。 ２．２软件
的光经积分球均匀地照射在探测器上，为了便于系统 电子学检测，将入射光用斩光器进行调制。分光光学 系统设计，系统采用传统的光栅扫描分光方式，这种 方式技术成熟可靠，分光系统采用ｃ—Ｔ式光学结构， 结构紧凑，能够实现小型化，综合仪器分辨率和体积 两个因素，采用单色器的焦距为１００ｍｍ，相对孔径 １：４，线色散３２ｎｍ／ｍｍ，带宽６．４—７ｎｍ，狭缝宽度
稳定性所采用的测试方法进行了详尽的介绍，对仪器测量结果进行了分析，测得仪器在７ｎｍ带宽时信噪比达到
３０００：ｌ，信噪比ＲＭＳ值达到８３４８：１，并就实测指标同国外类似仪器进行对比。
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关键词近红外；光谱仪；矿物分析
中图分类号０６５７．３３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｉｅｌｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ；Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｍｉｎｅｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
１引言
近红外光谱的波长在７８０—２５００ｎｍ（０．７８— ２．５¨ｍ）之间。对近红外光谱产生吸收的官能团主要 是含氢基团，包括Ｃ—Ｈ（甲基，亚甲基，甲氧基，羟基， 方基等），羟基０一Ｈ，巯基ｓ—Ｈ，氨基Ｎ—Ｈ等，它们 的合频和一级倍频位于１３００ｎｍ一２５００ｎｍ波段。由 于矿物晶格中原子间的化学键的弯曲和伸缩吸收某 些区域的近红外光谱，根据矿物某些官能团在近红外 区域的特征吸收光谱可以区分不同的矿物及同一矿 物的不同结晶度。矿物近红外光谱的这些特点在野 外地质调查研究具有特别重要的意义。利用这一方 法可以区分层状硅酸盐中单矿物（粘土矿物，绿泥石， 蛇纹石等），含羟基之硅酸盐矿物（绿帘石，闪石等）， 硫酸盐矿物（明矾石，黄铁甲矾，石膏等），碳酸盐矿物 （方解石，白云石等）。．矿物的结晶度不同，其近红外 吸收峰形也不相同，而矿物的结晶度显示矿化作用过 程中热液蚀变体系结晶时的温度和化学环境，同时结 晶度也与蚀变体系中的粘土风化有关。
国际上应用于地质行业商品化的便携式近红外光 谱仪典型的是澳大利亚Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｐｅｔｒｏｎｉｃｓ公司生产的 ＰＩＭＡ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ），即便携式近红 外矿物分析仪，它是Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｐｅｔｒｏｎｉｃｓ公司在上世纪 九十年代花费数百万美元研制开发的。该仪器使用了在 Ｗｉｎｄｏｗｓ系统下的定性测量和数据处理软件，可定性鉴 定含水，ＯＨ及某些硫酸盐和碳酸盐矿物。
软件部分由ＭＳＰ４３０系统组成的微处理器测控
软件、基于Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００／ＸＰ和ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ（ＰＤＡ操 作系统）上层控制软件、光谱处理系统和地质模型应 用。
微处理器测控软件功能包括初始化、仪器自检、 单色器控制、数据采集和电源控制等，软件流程图如 图２所示。
图２测控软件流程图
上层控制分别开发了基于Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ的笔记本
采集到的高龄石和滑石反射吸收光谱如图５。
图５高岭石和滑石光谱图
３．４仪器灵敏度分析 测量某样品对不同空气潮湿度的反映情况： 图中可明显看出在１９００ｎｍ处有上下漂移，而
１９００ｎｍ反应的是样品吸附水的情况。
图３采集到的系统噪声图
由公式（２）（４）可计算出：
Ｓ／Ｎ＝３０００：１
２０Ｌｓ（Ｓ／Ｎ）＝６９．５ｄＢ
近红外光谱仪器是涉及到光、机、电和现代计算 机等技术相结合的高新技术仪器，便携式近红外光谱 仪器将仪器小型化涉及到的技术难度更为复杂化，这 种仪器的研制水平和一个国家的科技综合实力是密