基于DSP和FPGA的多路型光纤光谱仪系统

　　1　引　言

　　一个世纪以来,光谱分析技术已变得多样化,除了发射、吸收、反射、荧光、散射光谱方法外,还发展出了微分光谱、调制光谱、傅里叶变换、干涉分光仪等。随着光谱仪器硬件的发展,可测量的波长范围也相应扩展,长波到毫米波,短波与软X射线(10 nm)相连[1]。上世纪90年代以来,一种微型结构的光纤光谱仪[2]引起了诸多人士的关注,并在各种光谱测量及相关领域得到了广泛应用。与传统的大型光谱仪相比,微型光纤光谱仪有很多优点,如重量轻、体积小、探测速度快、可集成化等。目前,微型光谱仪的实现可以有多种技术,常用的方法包括:采用新型滤光技术,如可调谐光纤法2珀腔(F-P);利用光纤的化学传感特性制作光纤探针;使用微细加工结合集成光学介质光波导技术;等等,其中光纤光谱仪是微型光谱仪器的重要发展方向。

　　低损耗石英光纤的研制和光纤技术的引入,改变了传统光谱仪的采光技术,使光谱探测脱离了样品池。利用光纤探头,可以方便地将远距离现场样品的光谱信号导入光谱仪器,通过将光纤探头与光学平台、数据采集、计算机等部件相结合,能够形成结构较为紧凑的新型光谱仪器。90年代以来,微电子领域中的多像元光学探测器发展迅猛,如CCD阵列、光电二极管阵列等,使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。使用CCD作为光谱接收器件,可以进行瞬态和弱光光谱的采集,而且不必转动光色散元件,使仪器更加经久耐用。

　　光纤光谱仪系统具有模块化和灵活性的特点。其中单通道微型光纤光谱仪测量速度非常快,可用于在线分析。根据使用对象的不同,通过采用不同的光纤探头改变光谱测量方式,可实现一机多用。而且由于它选用了低成本的通用探测器,使得光谱仪的成本也大大降低,进一步扩展了它的应用领域[3]。现今的光谱仪主要测量紫外、可见、近红外、红外波段的光谱强度,应用领域主要有颜色测量、化学成份的浓度测量、电磁辐射光谱分析、吸收和发射光谱测量、物质成分测量等。目前国外单通道光纤光谱仪的发展非常快,美国Ocean Optics公司和荷兰Avantes公司已经推出多种型号的产品。

　　在光谱探测的应用研究中,特别是在生物医疗方面,经常需要对多组光谱同时进行测量,以比较相互之间的瞬态光谱变化特性。如果使用多台光谱仪同时工作,不仅给操作带来困难,而且会提高测量系统成本。本文研究的多通道光纤光谱仪,采用了多路光谱分光系统结合单一电子信号处理模块技术,既具有单通道光谱仪结构紧凑的优点,又能实现各路光谱信号之间的实时、同步采样处理,具有明显的技术优势,可望在实际生产领域获得各种应用。