近红外光谱仪中的数字锁相技术研究

　　1　引　　言

　　近红外(NIR)光谱法是近20年发展起来的一种很有前途的分析方法,近红外光谱仪作为一种快速绿色分析测试仪器正在被越来越多的工作者认识和使用。此方法的缺点是物体在近红外光谱段吸收系数小,信号幅度小,且自然界中存在各种红外辐射源,其强度有时甚至比有用信号大几个数量级。因此,如何有效地去除背景噪声的影响,提高测量精度得到所期望的数据,是野外便携式近红外光谱仪设计的关键问题。针对这种情况,传统的近红外光谱仪常常采用模拟锁相放大器(ALIA)来压制噪声提高信噪比。笔者所在实验室研制的便携式近红外光谱仪PISA2II就是采用了这种方法来提取微弱光谱信号,取得了比较满意的效果,但是还存在很多不足:第一,模拟锁相放大器的核心是开关式模拟相敏检波器(APSD),其模拟乘法器的非线性及过载现象,使得测量精度降低;第二,系统需要检测的是相邻波长间信号的相对变化量,不是信号本身,这个变化量非常小,因此模拟锁相放大器最后一级直流放大器零漂严重影响了信号的测量精度,进而影响整台仪器的性能。这些问题都是模拟锁相放大器难以克服的。

　　由于模拟锁相放大器存在上述缺点,从20世纪80年代开始国外对数字锁相的关键技术———数字相敏检波算法(DPSD)进行了研究,Momo提出反相采样法[1],Sa2niie提出正交采样法[2],Gerits提出四等分累加法[3],史燕提出六等分累加法[4],左营喜提出用分段累加相关法在信号处理性能和处理速度之间合理折衷[5],戴逸松等对数字相敏检波算法性能及参数选择方面做了研究[6]。

　　但是,这些算法的被测信号都是理想的恒定单一频率的周期信号,没有对实际工程中被测信号频率存在波动的情况进行研究。而PISA2II近红外光谱仪采用直流电机驱动斩光盘周期性切割光信号,然后经光电传感器转换成周期电信号。此电信号的频率由电机转速和斩光盘孔数决定,频率稳定度受到电源电压波动、斩光盘制造和安装误差、电机与调速电路温漂和时漂的影响,因此信号的频率不是一个恒定值,而是在某一频率附近波动的变化量,如果仍然采用等时间间隔采样、用传统的正交采样法进行计算将会给检测结果带来较大误差。所以,本文采用频率跟踪的硬件方法实现信号的整周期采样,然后用正交DPSD算法提取微弱光谱信号,解决了被测信号频率波动引起测量误差的问题,改进了传统的模拟锁相检测方法,大大提高了仪器的整体性能。本文主要对上述方法进行详细分析、阐述。

　　2　频率波动引起DPSD误差分析

　　锁相放大器要求信号与参考信号同频,如果信号频率偏离参考信号频率,将会给测量结果带来误差,下面从频域角度将DPSD算法看成一个具有传递函数H(Δf)的系统,分析信号频率漂移Δf带来的影响。假设被测信号为: