一种基于FPGA的FT-Raman光谱仪中信号的等OPD采集方法

技术领域

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种傅里叶变换拉曼光谱仪中干涉光信号的等OPD采样方法。

背景技术

拉曼光谱作为一种散射光谱，是基于1928年物理学家拉曼(C.V.Raman)提出的弹性散射效应。当一束激发光照射在物体上时，会发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的谱线能量保持不变，散射光的波长与入射光的波长相等，称为瑞利散射，非弹性散射的谱线能量发生改变，导致散射光的波长与入射光不相等，统称为拉曼散射。

拉曼光谱是研究分子振动的一种光谱方法，它可以提供分子内部各种简正振动频率及有关振动能级的情况，从而可以用来鉴定分子中存在的官能团。

傅里叶变换拉曼光谱是90年代以后发展起来的最新技术，主要由激光器、迈克尔逊干涉仪、信号探测器、计算机和各种光学元件组成。其中迈克尔逊干涉仪是根据光的干涉原理制成的精密测量仪器，它可以精密的测量长度以及长度的微小变化。激发光经过迈克尔逊干涉仪分成两束光并形成一定的光程差，再使之复合形成干涉光，经由信号探测器检测到的干涉光信号中含有激发光中所有的频率分量信息和强度信息。然后经过计算机对干涉光信号进行傅里叶变换得到频谱图。与传统的拉曼光谱仪相比较，傅里叶变换拉曼光谱仪具有扫描速度快、波数分辨率高、光通量大、灵敏度高、光谱范围宽等特点，已经广泛应用于材料、化工、石油、高分子、环保等领域。

但是目前市场上的FT-Raman光谱仪的信号采样方法有：采用两束激光，一束作为激发光，激发被测样品产生拉曼散射；另一束通常为氦-氖激光，作为参比光，当氦-氖激光的干涉光信号光强为零时，对激发光的干涉光信号进行等光程差采样；除此之外，还有研究人员利用高速A/D转换器，对干涉光信号进行等时间间隔采样。上述方法存在下列不足：

上述方法中的FT-Raman光谱仪的激发光和参比光的波长需要满足一定的关系：参比光的波长必须小于或等于激发光波长的二分之一，才可以保证采样时符合奈奎斯特采样定理。但在实际应用中，采用波长较短的激发光，对干涉信号进行采样时，要满足奈奎斯特采样定理，必须使用波长更短的参比光来对光程差进行检测，从而对干涉信号进行不失真的采样。例如若采集532nm激光所激发出的拉曼光谱，需采用266nm的激光作为参比光来进行过零采样。这种方法模式固定，缺少灵活性，分辨率和准确率较低，且266nm的激光器价格昂贵。当参比光的光源和干涉仪动镜运行速度存在一定偏差时，会在参比光的干涉图中形成毛刺，干扰对拉曼散射干涉信号的采集，与此同时，这种方法应用了两束激光器，造成了资源浪费，使拉曼光谱仪的成本增加。

第二种FT-Raman光谱仪采用高速A/D转换器对干涉光信号进行等时间间隔采样，高速A/D转换器的采样率量级通常为数十MHz，干涉光信号频率量级通常为KHz级别，利用这种A/D转换器对干涉光信号进行采集，将会产生大量的数据，且A/D转换器的价格与采样率相关，采样率越大，A/D转换器的价格越高。这种做法不仅会产生冗余的数据，占用计算机大量内存，不利于数据的处理，降低数据处理的速度，不能实时获得拉曼光谱，还增加了光谱仪的成本。

针对以上问题，提出一种基于FPGA的FT-Raman光谱仪中干涉光信号的等OPD采样方法，可以有效的解决激光光源幅值的不稳定和干涉仪动镜速度不均匀所产生的毛刺问题，在保证准确性的同时，可以极大的减少拉曼光谱仪的成本，并有效的缩短光谱图的计算时间，实现拉曼光谱的快速采集和实时显示。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的技术中存在的不足，降低光谱仪的成本，去除参比光信号中毛刺的干扰，提出一种基于FPGA的FT-Raman光谱仪中干涉光信号的等OPD采样方法，可以根据用户的需求，进行不同速率的采样，在准确的检测干涉图所含频率信息的同时，应用低速A/D转换器，实现对干涉信号采样，减少FT-Raman光谱仪中干涉光信号的采集时间和光谱计算时间，同时具有快速实时、价格低廉、采样方式多样化的特点。

为了实现上述发明目的，本发明基于FPGA的FT-Raman光谱仪中干涉信号的等OPD采集系统包括调理电路模块，ADC模块，比较器模块，FIFO模块，控制模块，滤毛刺模块，MAX21模块，FFT模块，参考时钟模块和上位机，其中比较器模块，FIFO模块，控制模块，滤毛刺模块，MAX21模块，FFT模块和参考时钟模块在FPGA中实现，其中：

调理电路模块对探测器采集到的参比光干涉信号和拉曼散射光干涉光信号进行放大、缓冲，使其满足后面的A/D转换器的输入要求；

ADC_1模块用于对输入的参比光干涉信号进行采集，其位宽为N，将采集到的参比光干涉信号得到的数据序列ADC_DATA1同时发送至比较器模块和FIFO模块；

ADC_2模块用于对拉曼散射光干涉信号进行采集，其位宽为N，将采集到的拉曼散射光干涉信号得到的数据序列ADC_DATA2发送至FIFO模块；

比较器模块用于对参比光干涉信号进行过阈值比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块。该阈值由系统启动自检获得，具体流程为：待检测仪器开机稳定一段时间后，ADC_1模块多次采集参比光干涉信号的光强，记录其光强最大值和最小值，并取其差值一半的多次平均值，作为参比光干涉信号阈值比较的阈值；

FIFO模块用于对ADC模块采集到的参比光干涉信号和拉曼散射光干涉信号两种信号序列进行缓存，FIFO的位宽为2N，将参比光干涉信号存储在低N位，拉曼散射光干涉信号存储在高N位。当用户选择2x采样时，FIFO模块工作在边写边读状态下，每当ADC_2模块采集一次拉曼散射光干涉信号将其存储在FIFO模块内，由控制模块发出RD_EN信号和WR_EN信号，将该值读入FFT模块，同时将下一次ADC_2模块采集的信号存储进FIFO模块；当用户选择8x采样时，FIFO模块低N位存储一个周期的参比光干涉信号，高N位存储对应位置的拉曼散射光干涉信号，当FIFO模块存满后，向控制模块发送一个WR_FULL信号，控制模块接收到WR_FULL信号后向FIFO模块发送RD_EN信号，将存储在FIFO模块中的数据读入FFT模块，读取的方式为：当FIFO模块低N位的参比光干涉信号等于预先获取的值时，将对应位置的高N位拉曼散射光干涉信号读入FFT模块；

控制模块用于控制FIFO模块的读写、接收上位机的指令，发送控制信号控制MAX21模块为ADC_2模块选择适当的驱动时钟源；同时根据上位机的输入来输出一个控制信号给滤毛刺模块来决定滤除毛刺的宽度；

滤毛刺模块用于对比较器模块输出的矩形波信号CARD_CNV中的毛刺滤除，得到的滤除毛刺后的矩形波信号CARD_FREQ发送至MAX21模块和控制模块。

MAX21模块用于根据控制模块输出的控制指令来从参考时钟模块和滤毛刺模块选择一个作为ADC_2模块的驱动时钟源，来采集拉曼散射光干涉信号；

FFT模块用于对信号进行傅里叶变换，从而形成光谱图。具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA2进行FFT运算，记录每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1，2，...，N，采用公式

参考时钟模块用于提供一个参考时钟clk_fre作为ADC_2模块采集拉曼散射光的驱动时钟源，同时提供一个参考时钟clk_ref给滤毛刺模块，作为滤除毛刺成分的时钟源；

上位机接收到从FFT模块输出的N点的频谱序列后，在屏幕上实时显示出得到的拉曼光谱结果；

本发明基于FPGA的信号采集系统，输入信号经过调理电路模块使其满足后续电路的要求，ADC_1模块对参比光干涉信号进行采集后同时输入到比较器模块和FIFO模块的低N位，从比较器模块得到同频的矩形波信号，经由滤毛刺模块滤除毛刺后输入到MAX21模块，由上位机输入指令给控制模块，从滤毛刺模块和参考时钟模块选择一个时钟作为ADC_2的驱动时钟源，使ADC_2采集拉曼散射光干涉信号存入FIFO的高N位内，控制模块控制FIFO模块的读写，当读入到FFT模块中的数据达到设定的值时，进行FFT运算，并将结果经过PCI-e接口传输到上位机中，得到拉曼光谱图。

本发明以解决FT-Raman光谱仪的实际问题为背景，利用FPGA实现拉曼干涉信号的采集、处理等问题，有效的解决激光光源幅值的不稳定和干涉仪动镜速度不均匀所产生的毛刺问题，并减少光谱图形成过程中的计算时间，实现实时获取拉曼光谱，同时缩减光谱仪的成本。

附图说明

图1是本发明FT-Raman光谱仪的结构示意图；

图2是本发明基于FPGA的FT-Raman光谱仪中信号的等OPD采集系统的具体实施方式结构图；

图3是本发明实施例中等OPD采样方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明提出的一种新型FT-Raman光谱仪的结构图。如图1所示，FT-Raman光谱仪包括探测器1、探测器2、激光器3、激光窄带通滤光片4、分束镜5、反射镜6、迈克尔逊干涉仪组件7、反射镜8、二向色镜9以及样品池10，其中迈克尔逊干涉仪组件7包括固定反射镜701，分束镜702和可移动反射镜703。

激光器3发出的激光首先经过所述分束镜5分为两束，其中一束经过反射镜6到达二向色镜9，经由所述的二向色镜9反射后，到达被测物体上。被测物体发出的拉曼散射光经由所述二向色镜到达所述的迈克尔逊干涉仪组件7，拉曼散射光经过所述分束镜702被分成互相垂直的两束平行光，再经过所述的固定反射镜701和可移动反射镜703后返回，互相垂直的两束光再经过所述分束镜702合束后形成空间外差干涉光，经由探测器2检测得到拉曼散射光干涉信号；经由分束器5形成的另一束光经过反射镜8到达所述迈克尔逊干涉仪组件7，经过所述迈克尔逊干涉仪组件7内部的分束镜702分成互相垂直的两束平行光，经过所述的固定反射镜701和可移动反射镜703后返回，互相垂直的两束光再经过所述分束镜合束后形成空间外差干涉光，经由探测器2检测得到参比光干涉信号。

图2是本发明基于FPGA的FT-Raman光谱仪干涉信号采集的具体实施方式结构图。如图2所示，本发明基于FPGA的FT-Raman光谱仪干涉信号采集系统包括调理电路模块1，调理电路模块2，ADC_1模块3，ADC_2模块4，比较器模块5，FIFO模块6，控制模块7，滤毛刺模块8，MAX21模块9，FFT模块10，参考时钟模块11和上位机12，其中比较器模块5，FIFO模块6，控制模块7，滤毛刺模块8，MAX21模块9，FFT模块10和参考时钟模块11在FPGA中实现。下面分别对各个模块进行详细说明。

调理电路模块1用于对探测器采集到的参比光干涉信号进行放大、缓冲，使其满足后面的ADC_1模块3的输入要求；

调理电路模块2用于对探测器采集到的拉曼散射光干涉信号进行放大、缓冲，使其满足后面的ADC_2模块4的输入要求；

ADC_1模块3用于对输入的参比光干涉信号进行采集，将采集到的参比光干涉信号得到的数据序列ADC_DATA1同时发送至比较器模块5和FIFO模块6；

ADC_2模块4用于对拉曼散射光干涉信号进行采集，采集到的拉曼散射光干涉信号得到的数据序列ADC_DATA2发送至FIFO模块6；

比较器模块5用于对参比光干涉信号进行过阈值比较，得到与输入信号同频同相的矩形波信号CARD_CNV，并将矩形波信号CARD_CNV输出至滤毛刺模块8，若输入信号中不含干扰，为规则的余弦信号，则比较器模块5输出即为与输入正弦波同频同相的方波，即在一个周期内高电平和低电平时间各占50％。该阈值由系统启动自检获得，具体流程为：待检测仪器开机稳定一段时间后，ADC_1模块3多次采集参比光干涉信号的光强，记录其光强最大值和最小值，并取其差值一半的多次平均值，作为参比光干涉信号阈值比较的阈值；

FIFO模块6用于对ADC_1模块3、ADC_2模块4采集到参比光干涉信号和拉曼散射光干涉信号两种信号序列进行缓存，FIFO模块6的位宽为2N，将参比光干涉信号存储在低N位，拉曼散射光干涉信号存储在高N位。当用户选择2x采样时，FIFO模块6工作在边写边读状态下，每当ADC_2模块4采集一次拉曼散射光干涉信号将其存储在FIFO模块6内，由控制模块7发出RD_EN信号和WR_EN信号，将该值读入FFT模块10，同时将下一次ADC_2模块4采集的信号存储进FIFO模块6；当用户选择8x采样时，FIFO模块6低N位存储一个周期的参比光干涉信号，高N位存储对应位置的拉曼散射光干涉信号，当FIFO模块6存满后，向控制模块7发送一个WR_FULL信号，控制模块7接收到WR_FULL信号后向FIFO模块6发送RD_EN信号，将存储在FIFO模块6中的数据读入FFT模块10，读取的方式为：当FIFO模块6低N位的参比光干涉信号等于预先获取的值时，将对应位置的高N位拉曼散射光干涉信号读入FFT模块10；

控制模块7用于控制FIFO模块6的读写、接收上位机12的指令，发送控制信号控制MAX21模块9为ADC_2模块4选择适当的驱动时钟源；同时根据上位机12的输入来输出一个控制信号给滤毛刺模块8来决定滤除毛刺的宽度；

滤毛刺模块8用于对比较器模块5输出的矩形波信号CARD_CNV中的毛刺滤除，得到的滤除毛刺后的矩形波信号CARD_FREQ发送至MAX21模块9。

由于受到激光光源幅值不稳定和动镜运行速度不均匀的影响，ADC_1模块3的输出信号在一个周期内可能有多次过阈值的情况，比较器输出结果CARD_CNV信号中将会含有窄脉宽，如果将其作为ADC_2模块4的时钟源来采集拉曼散射光信号，会导致非等OPD采样，对拉曼散射光干涉信号的采集造成干扰。所以需要将窄带宽滤除。

当激光光源不稳定或动镜移动速度不均匀时，通过比较器模块5输出的矩形波信号CARD_CNV中含有窄脉宽成分，可以看作一个毛刺，宽度为T

MAX21模块9用于根据控制模块7输出的控制指令来从参考时钟模块11和滤毛刺模块8选择一个作为ADC_2模块4的驱动时钟源，来采集拉曼散射干涉信号。

FFT模块10用于对信号进行傅里叶变换，从而形成光谱图。具体方法为：将接收到的采集数据序列ADC_DATA2进行FFT运算，记录每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1，2，...，N，采用公式

参考时钟模块11用于提供一个参考时钟clk_fre作为ADC_2模块4采集拉曼散射光干涉信号的驱动时钟源，同时提供一个参考时钟clk_ref给滤毛刺模块8，作为滤除毛刺成分的时钟源。

上位机12接收到从FFT模块10输出的N点的频谱序列后，在计算机屏幕上显示出得到的拉曼光谱结果。

根据以上描述可知，本发明是将一种新型结构的FT-Raman光谱仪和基于FPGA的信号采集方法结合起来，首先通过对参比光干涉信号进行采样，去毛刺得到一个与原始信号同频同相的矩形波信号，通过用户在上位机上的选择，来选取采集拉曼散射光干涉信号ADC_2模块的驱动时钟源，以选定的信号作为时钟源来采集拉曼散射光干涉信号，最后进行FFT运算，传输至上位机进行显示。

为了更好地说明本发明，采用两个具体的实施例对本发明流程进行说明。

实施例1

本实例中假设ADC_1模块3采样率f

步骤1：当用户在上位机中选择2×采样，即参比光干涉信号为阈值D时，对拉曼散射光干涉信号进行采样。上位机12发送一个低复位有效信号RST_N＝0，对FPGA内部的比较器模块5、FIFO模块6、控制模块7、滤毛刺模块8、MAX21模块9、FFT模块10、参考时钟模块11进行复位，同时系统启动自检，待检测仪器开机稳定一段时间后，ADC_1模块多次采集参比光干涉信号的光强，记录其光强最大值MAX_D和最小值MIN_D，并取其差值一半的多次平均值，作为参比光干涉信号阈值比较的阈值D；

步骤2：当复位完成后，上位机12发送复位结束信号RST_N＝1，用户在上位机界面输入动镜运行速度偏差，上位机根据用户的输入来计算掩码值m。计算方式如下：如果动镜运行速度均匀时，f

步骤3：参比光干涉信号经过调理电路模块1进行放大、缓冲，使其满足后续ADC_1模块3的输入要求，然后经过比较器模块5输出带有毛刺的矩形波信号CARD_CNV。滤毛刺模块8判断到掩码值有效信号valid_m的上升沿后即构建一个长度为261、值全1的一维数组，该数组与经过过阈值D比较得到的矩形波信号CARD_CNV进行滑动按位与，滤除毛刺后得到矩形波信号CARD_FREQ，将矩形波CARD_FREQ输出给MAX21模块9和控制模块7

步骤4：当控制模块7接收到来自滤毛刺模块8的矩形波信号CARD_FREQ，输出一个MAX_VALID＝0信号至MAX21模块9，输出一个WR_EN信号和RD_EN信号至FIFO模块6。当MAX21模块接收到MAX_VALID＝0信号这个信号时，采用矩形波信号CARD_FREQ作为ADC_2模块4的驱动时钟源对拉曼散射光干涉信号开始采集，同时FIFO模块6接受到来自控制模块7的WR_EN信号和RD_EN信号后将采集到的拉曼散射光干涉信号写在FIFO模块6内，并读入FFT模块10，这时FFT模块6中的计数器N自加1。

步骤5：当读取到FFT模块10中的点数N＝18796时，停止读写，对采集到的拉曼散射光干涉信号进行FFT运算，记录每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1，2，...，N，采用公式

实施例2

本实例中假设ADC_1模块3采样率f

步骤1：当用户在上位机中选择8×采样，上位机模块12发送一个低复位有效信号RST_N＝0，对FPGA内部的比较器模块5、FIFO模块6、控制模块7、滤毛刺模块8、MAX21模块9、FFT模块10、参考时钟模块11进行复位，同时系统启动自检，待检测仪器开机稳定一段时间后，ADC_1模块多次采集参比光干涉信号的光强，记录其光强最大值MAX_D和此时的光程差X

步骤2：当复位完成后，上位机12发送复位结束信号RST_N＝1，控制模块7没有接收到来自上位机12的掩码值m，就向滤毛刺模块8发送一个信号valid_m＝0，使得滤毛刺模块8不工作。控制模块7没有接收到来自滤毛刺模块8的矩形波信号，向MAX21模块发送信号MAX_VALID＝1，使得MAX21模块选择参考时钟模块11提供的频率为1M的时钟作为ADC_2模块4采集拉曼散射光干涉信号的驱动时钟源。

步骤3：参比光干涉信号经过调理电路模块1进行放大、缓冲，使其满足后续ADC_1模块3的输入要求，经过ADC_1模块3采集生成的ADC_DATA1存储在FIFO模块6的低16位，经过ADC_2模块4采集到的拉曼散射光干涉信号ADC_DATA2存储在FIFO模块6的高16位。FIFO模块6根据低16位的参比光干涉信号ADC_DATA1来选择对应光程差的拉曼散射光干涉信号ADC_DATA2。具体过程如下：

当FIFO模块6中已经储存了一个周期的参比光干涉信号ADC_DATA1后，当存储的信号为正弦信号的正半周期时，如图3所示，则采用步骤1中获得的光强最大值MAX_D的光程差X

步骤4：当读取到FFT模块10中的点数N＝75184时，停止读写，对采集到的拉曼干涉光信号进行FFT运算，记录每一点的频谱包括实部Re[k]和虚部Im[k]两部分，k＝1，2，...，N，采用公式

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。