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题名: 基于NIOSⅡ的LAMOST多目标光谱仪控制器的设计和实现
学位类别: 硕士
授予单位: 中国科学院研究生院
学位专业: 天体物理
本论文主要讨论了如何将SOPC 技术用于大天区多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）项目的低分辨率光谱仪控制器的设计，并在NIOSⅡ软核基础上设计实现了光谱仪控制器。控制器主要分为底层电机控制单元和通信单元两部分。通过工业以太网，远程控制计算机可以方便的控制低分辨率光谱仪，使其完成指定动作。也可以从本地控制计算机上实行控制。设计中采用将步进电机控制器封装成IP 再复用的方法，大大缩短了研发时间，减少错误的发生。通信控制中串口通信和以太网可以互为冗余，保证了通信的顺利进行。事实表明，基于FPGA 的控制系统，体积小，功耗低，开发简捷快速，系统易于扩展，灵活性高，复用性好，可靠性高，可以更有效的利用资源，节约人力物力。
本文的研究对正在研制中的我国大科学工程项目大天区多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)的低分辨率光谱仪控制器的设计具有相当的参考价值。
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403 Forbidden& 什么是光谱仪，光谱仪的原理
什么是光谱仪，光谱仪的原理
　　显微光谱分析又称微区光谱分析，是通过光学显微镜等辅助光学设备，采集微小区域的光信号进行样品光谱分析的一种方法。
　　显微光谱分析是对比普通光谱分析而言。通常普通光谱分析是指普通光纤光谱仪通过光纤将光信号导入光谱之中。但是由于光纤收集的是发散光(一般光谱光纤数值孔径为0.22)，因此普通光纤光谱仪仅能采集较大空间的光信号。测试信号并不理想。
　　后来，人们通过光学显微镜配合光纤光谱仪进行样品空间分辨分析使得样品的空间分辨率得到了大大的提高。为了获得更高的分辨率一方面是要提高显微镜的分辨率，另外一方面是要提高光纤光谱仪的性能和两者之间的配合性能。
　　目前市场上光纤光谱仪种类繁多，选择一款适合的光纤光谱仪至关重要。复享光纤光谱仪提供的设备在市场上一直在显微光谱分析领域具有良好的口碑。如果您拥有光学显微镜，那么进行显微光谱分析最简单的方法就是配备复享光纤光谱仪的专用显微镜-对谱仪和显微镜进行整合同时配合复享光纤光谱仪开发的定制软件。然后，您就能轻轻松松的用显微镜和整合好的光纤光谱仪系统对样品进行信号分析。
　　一般来说，如果您拥有50倍以上的物镜，在不做光阑修饰的情况下，能够做到25微米见方区域的显微光谱分析。当然，复享还能够为您提供更精细的显微光谱分析。通过复享光纤光谱仪的专利技术，显微系统能将光谱仪的空间分辨率提高至5微米见方。
　　普通光谱分析和显微光谱分析已经具有专利技术的光谱分析对比表
　　普通光谱分析显微光谱分析复享专利的显微光谱分析
　　空间分辨率能力典型1X1mm2最小25X25um2最小5X5um2
　　角分辨能力无无有，详见R6产品介绍
　　最大光谱波段200-0nm320-1100nm
　　制绒过程:
　　制绒是将电池片表面刻蚀或腐蚀成不规则的粗糙表面。由于入射光在电池片表面多次反射和折射、增加了光的吸收，提高了电池片的短路电流和转换效率。此时，可以利用测量反射率来衡量电池片的制绒效果。一般来说，在制绒完成后，电池片的反射率在35%左右。
　　清洗过程:
　　在制绒过程后，需要对电池片表面进行一般的化学清洗。清洗后还要进行脱水处理。此时，可以利用测量反射率来衡量电池片清洗效果。
　　PECVD过程
　　为了进一步减少表面反射，提高电池的转换效率，需要沉积一层SiN(氮化硅)减反射膜。现在工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子体增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体做能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜，即氮化硅薄膜。在反应过程中，可以使用高分辨的等离子体监控仪进行等离子体反应的原位监控。一般情况下，使用PECVD方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。完成PECVD镀膜后，需要使用椭偏仪和反射率仪综合衡量电池片的膜厚和反射率
　　封装过程
　　在组件的表面需要封装上玻璃，起到保护电池组件的作用。现在一般使用增透型的压花玻璃进行封装。压花玻璃的透过率将直接影响电池组件的发电效率。因此，需要使用压花玻璃透过率仪对封装的压花玻璃透过率进行检测。
　　测试过程
　　为了衡量电池组件的发电效率，需要使用太阳光模拟器照射进行发电效率的测试。太阳光模拟器一般使用特殊的脉冲氙灯光源。由于脉冲氙灯光源具有使用寿命，因此，为了获取准确的效率数据，需要对太阳光模拟器的辐射情况进行检测。
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今天，就该大家详细介绍一下E5071C网络分析仪的测试设置方法：当前位置：
近红外光谱分析技术在过去、现在及未来
近红外（NIR）光谱仪已有60多年的历史，但现在仍只有少数人了解这类可靠的工具。让人诧异的是，尽管近红外光谱分析为很多人带来了极大便利，但“光谱仪”一词对他们而言仍非常陌生。近红外光谱仪能够为各类用户群体的日常工作决策过程提供帮助。
&　　近红外（NIR）光谱仪已有60多年的历史，但现在仍只有少数人了解这类可靠的工具。让人诧异的是，尽管近红外光谱分析为很多人带来了极大便利，但&光谱仪&一词对他们而言仍非常陌生。近红外光谱仪能够为各类用户群体的日常工作决策过程提供帮助。例如：　　1.农民：我使用的饲料能否提供足够的蛋白质？　　2.食品安全技术人员：牛奶中是否含有杂质？　　3.化学药剂师：药物的浓度是否恰当？　　许多行业（如食品、农业、执法、纵火检测、制药、石油及医学等领域）均依赖光谱仪获取重要信息。近红外光谱仪主要用于测量通过材料样本反射或发射的能量。通过该技术人们可以了解样本内部分子的类型。从某种意义上来说，近红外光谱仪是在寻找物质的分子&足迹&。　　近红外光谱技术过去的发展情况　　早期光谱仪通常是体积庞大笨重且配备活动部件的仪器。照明光源通过棱镜或光栅被分散为其子部件适用的波长。针对相应光谱上的每个测量点，光栅在手动控制下以小的增量旋转。每个所测样本的数据都被整理成一份光谱图。然后，需要手动将光谱图与参考物及其他样本进行对比。这些早期光谱仪固定摆放在实验室的某个位置，而且一经安装就很少再被移动。　　20世纪70年代首次迎来了光谱技术领域微处理器的诞生，其既可用于控制光谱仪，也可用于处理所测得的数据。20世纪70年代到21世纪初期，半导体工业获得了长足发展。这给微处理器和电脑带来了革命性的变化，从而能够更好地控制光谱仪和处理光谱数据。模拟/数字转换器的诞生使光谱数据采样可以通过处理器控制。　　发展现状　　当今的近红外光谱仪通常采用以下六种架构：　　固定滤波器：这类仪器基于固定数量的波长进行测量，每种波长对应滤光轮上特定的滤光片。滤光轮在不同滤光片之间转动时进行读数。　　旋转光栅/棱镜：这类仪器利用电机在单点探测器上移动光栅分散的输出（波长）。　　FT-NIR：这类仪器利用迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶交换性质，通过移动的镜面创造能够与某个光谱形成数学相关的干涉图样。　　线阵探测器：这类仪器利用光栅在元素数量为256或512以上的一维线性像素阵列上分散波长。　　线性渐变滤光器：这类仪器利用线阵探测器前的渐变滤光元素，使特定波长能够影响每个像素元素。　　DLP&技术：数字微镜器件（DMD）将光栅分散的光反射到单个像素探测器上。DMD可编程，且灵活度高，因此可按照任何顺序或不同分辨率对波长进行采样。整个过程只需一次扫描即可完成。　　现在的近红外光谱仪比前几代产品要先进得多，具有微处理器控制、高精A/D采样、光谱电算化（带统计分析）等特性。不同架构的使用模型也有所不同：　　实验室专用型：通常为高精度的大型通用仪器。处理光谱数据的计算机可以是实验室内部设备，也可以是通过以太网或USB互联的远程设备。这些计算机可对海量数据进行处理，并在数秒之内完成与分布式参考库的对比。　　便携型：便携式NIR光谱仪外形同实验室小型版本类似，可以移动，通常配备110V交流电源或12V带反相器电源，体积通常比午餐盒略大一些，可以放在卡车后挡板上，以供现场或工业环境（例如农场或矿区）中使用。　　联机型：这类专门化设备用于监测工厂环境，通常具有特定用途。工厂安装可能会在一条装配线上包含多台光谱仪，通过以太网或无线网连接到主控制设施。　　手持型：手持式光谱仪的生产受到了广泛关注，其最大的特征是真正实现了便携化，非常便于用户使用。目前已推出电池供电式产品，体积与大型手钻相近。这类产品的好处是，非常便携，而且依靠内置电源可以远途使用。　　发展前景　　近红外光谱仪未来的发展前景十分乐观。一直以来，测量仪器通常体积庞大且成本昂贵，而且被局限在有限的实验室环境中，对于一般大众而言遥不可及。使用模型主要是由这种典型实验室设备的体积和成本决定。得益于技术的改进，近几代近红外光谱仪的体积和成本都大大缩减，因而便携性更高，也更适合在相关领域应用。　　由于新探测器和DLP技术的发展，半导体工业带来的微型化变革以及云计算时代的到来，便携式近红外光谱仪的未来仿佛近在迟尺。随着体积的缩小、价格的降低、效率的提高以及用户体验的改善，光谱仪将会逐步在公众中普及开来。　　新的技术可以给光谱仪产业带来翻天覆地的变化。智能手机的广泛流行使强大的计算能力蕴含于股掌之中。理论上来看，近红外光谱仪的发展也会遵循类似的体积和成本变化曲线，最终光谱测量将以家庭或&个人使用&模型的方式普及开来。将来的个人测量设备可能不再沿用&近红外光谱仪&的名称，但是它们可能会用来帮助家庭评估食物的生熟度，检测食物中是否含有花生等致敏物质，确定高价橄榄油的纯度，协助医疗监测或检查汽车液体。未来近红外光谱仪将会不可逆转地朝着体积更小、功能更强大的趋势发展，也预示着巨大的应用潜力。
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光色波长λ(nm)区间代表波长红（Red）780～630--700橙（Orange）630～600---620黄（Yellow）600～570---580绿（Green）570～500---550光谱图青（Cyan）500～470---500蓝（Blue）470～420---470紫（Violet）420～380---420
仪器/光谱分析
现代光谱分析仪器有原子发射光谱仪、原子吸收光谱仪(原子吸收分光光度计)、红外光谱仪等。
光谱研究的内容/光谱分析
光谱波长分布图根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学，从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法。发射光谱可以区分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。现在观测到的原子发射的光谱线已有百万条了。每种原子都有其独特的光谱，犹如人的指纹一样是各不相同的。根据光谱学的理论，每种原子都有其自身的一系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。我们把氢原子光谱的最小能量定为最低能量，这个能态称为基态，相应的能级称为基能级。当原子以某种方法从基态被提升到较高的能态上时，原子的内部能量增加了，原子就会把这种多余的能量以光的形式发射出来，于是产生了原子的发射光谱，反之就产生吸收光谱。这种原子能态的变化不是连续的，而是量子性的，我们称之为原子能级之间的跃迁。在分子的发射光谱中，研究的主要内容是二原子分子的发射光谱。在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50～100倍，而振动态的能量比转动态的能量大50～100倍。因此在分子的电子态之间的跃迁中，总是伴随着振动跃迁和转动跃迁的，因而许多光谱线就密集在一起而形成带状光谱。从发射光谱的研究中可以得到原子与分子的能级结构的知识，包括有关重要常数的测量。并且原子发射光谱广泛地应用于化学分析中。当一束具有连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分便会有所减弱，当经过物质而被吸收的光束由光谱仪展成光谱时，就得到该物质的吸收光谱。几乎所有物质都有其独特的吸收光谱。原子的吸收光谱所给出的有关能级结构的知识同发射光谱所给出的是互为补充的。一般来说，吸收光谱学所研究的是物质吸收了那些波长的光，吸收的程度如何，为什么会有吸收等问题。研究的对象基本上为分子。吸收光谱的光谱范围是很广阔的，大约从10纳米到1000微米。在200纳米到800纳米的光谱范围内，可以观测到固体、液体和溶液的吸收，这些吸收有的是连续的，称为一般吸收光谱；有的显示出一个或多个吸收带，称为选择吸收光谱。所有这些光谱都是由于分子的电子态的变化而产生的。选择吸收光谱在有机化学中有广泛的应用，包括对化合物的鉴定、化学过程的控制、分子结构的确定、定性和定量化学分析等。分子的红外吸收光谱一般是研究分子的振动光谱与转动光谱的，其中分子振动光谱一直是主要的研究课题。分子振动光谱的研究表明，许多振动频率基本上是分子内部的某些很小的原子团的振动频率，并且这些频率就是这些原子团的特征，而不管分子的其余的成分如何。这很像可见光区域色基的吸收光谱，这一事实在分子红外吸收光谱的应用中是很重要的。多年来都用来研究多原子分子结构、分子的定量及定性分析等。在散射光谱学中，喇曼光谱学是最为普遍的光谱学技术。当光通过物质时，除了光的透射和光的吸收外，还观测到光的散射。在散射光中除了包括原来的入射光的频率外(瑞利散射和廷德耳散射)，还包括一些新的频率。这种产生新频率的散射称为喇曼散射，其光谱称为喇曼光谱。喇曼散射的强度是极小的，大约为瑞利散射的千分之一。喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性质。从这些资料可以导出物质结构及物质组成成分的知识。这就是喇曼光谱具有广泛应用的原因。由于喇曼散射非常弱，所以一直到1928年才被印度物理学家喇曼等所发现。他们在用汞灯的单色光来照射某些液体时，在液体的散射光中观测到了频率低于入射光频率的新谱线。在喇曼等人宣布了他们的发现的几个月后，苏联物理学家兰茨见格等也独立地报道了晶体中的这种效应的存在。喇曼效应起源于分子振动(和点阵振动)与转动，因此从喇曼光谱中可以得到分子振动能级(点阵振动能级)与转动能级结构的知识。喇曼散射强度是十分微弱的，在激光器出现之前，为了得到一幅完善的光谱，往往很费时间。自从激光器得到发展以后，利用激光器作为激发光源，喇曼光谱学技术发生了很大的变革。激光器输出的激光具有很好的单色性、方向性，且强度很大，因而它们成为获得喇曼光谱的近乎理想的光源，特别是连续波氩离子激光器与氨离子激光器。于是喇曼光谱学的研究又变得非常活跃了，其研究范围也有了很大的扩展。除扩大了所研究的物质的品种以外，在研究燃烧过程、探测环境污染、分析各种材料等方面喇曼光谱技术也已成为很有用的工具。其它光学分支学科：光学、几何光学、波动光学、大气光学、海洋光学、 量子光学、光谱学、生理光学、 电子光学、集成光学、 空间光学、光子学等。
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