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原文传递一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法

专利名称：	一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法
摘要：	本发明涉及一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，属于太赫兹时域光谱技术领域。本发明所述方法：采用LabVIEW软件搭接的光谱测量显示平台。平台外部连接的是时域光谱仪包括光学延迟线系统，光电探测器模块。主成分分析法(PCA)作为一种通过正交变换将高维的光谱信息降维，然后识别物质种类的方法，在光谱数据处理方面有着显著效果。利用PCA识别样品特征光谱，调用MATLAB COM Builder将该方法的主程序写入com组件，然后输入到光谱测量显示平台，当识别到样品的光谱信号，平台自动结束测量并保存源文件。本发明与现有技术相比，解决了太赫兹扫描阶段无效时间较长的问题，增加了自动识别和自动终止任务的功能。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	云南;53
申请人：	昆明理工大学
发明人：	许可
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201910145740.7
公开号：	CN109946264A
分类号：	G01N21/3586(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	650093 云南省昆明市五华区学府路253号
主权项：	1.一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于:包括如下步骤：步骤一，搭建LabVIEW太赫兹光谱测量分析控制平台，它由多态vi、主程序面板、前面板构成，主程序面板包括波形显示、嵌套锁相SR830和延迟线平移台ESP300系统的子vi，LabVIEW软件中的GPIO接口连接外部硬件光谱仪，光谱仪包括光电转换器、通信I/O口、光电探测模块，光谱仪通信I/O口中的RS232与光电探测模块相接；步骤二，在光谱测量分析控制平台设计幅值分析控件vi和频谱分析控件vi以及相位控件vi多态vi，在前面板建立串口管理库LLB，串口管理库LLB包含串口读写，串口初级读写，串口初始化的子vi程序；幅值分析控件vi有文件生成vi、文件读取vi、扫描时间百分比vi、数组转换vi、时域转频域vi；频谱分析控件vi和相位控件vi作为子vi集成与数据处理vi；步骤三，在光谱测量分析控制平台的程序框图中嵌套ESP300系统的子vi，ESP300系统是一种微位移平移台，作为光学延迟线系统的底盘；ESP300系统的通信接口采用的是GPIB，驱动部分采用SMC100单轴步进电机，步进电机与光谱测量分析控制平台的GPIO数据接口相连，并且给步进电机单独建立LLB管理库；整个系统用来调节透射光和探测光的光程，使其相等；步骤四，在光谱测量分析控制平台的程序框图中接入锁相放大器vi，锁相放大器采用美国的SR830，外部接口为输入输出子vi和com组件vi；步骤五，建立用户文件夹user.lib，管理主控件面板的com组件、数据处理vi、频谱分析vi、ESP300系统的vi和SMC100单轴步进电机控制LLB管理库；步骤六，打开MATLAB，编写用来识别样品光谱的PCA脚本文件，加入条件结构与定时程序，每隔1min调用PCA脚本识别数组，如果测得样品光谱，终止LabVIEW主控件的扫描测量，如果没有样品光谱信息，继续扫描，依次循环；步骤七，在LabVIEW的平台主程序框图中加入与MATLAB相连的节点COM，将主成分分析法PCA提前编译成m文件，将m文件生成扩展文件.dll写入节点COM中，然后在LabVIEW中调用该组件，在程序中通过Math Script Node实时获取太赫兹信号；步骤八，搭建空气激发-探测太赫兹时域光谱仪，根据四阶混频理论和相干偏置检测器，采用先分光再激发太赫兹的光路设计；从入光口进来波长800nm，脉宽15fs的超短脉冲激光，通过沃拉斯顿镜分光，产生两束能量不同的光，分别是透射光和探测光，其中，透射光的能量占70％，探测光的能量占30％，两束光都要穿过硅片和BBO晶体，其中硅片用于过滤可见光，BBO晶体用于激发空气，最后生成超短太赫兹脉冲；步骤九，光谱仪开始采集样品，进入探测器的太赫兹脉冲进入空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，将太赫兹信号转换成电信号；利用RS232串口传输至光谱测量控制端，同时透射样品的那束太赫兹脉冲也会进入光电探测器转换电信号传输至光谱测量控制端；光谱测量控制端每接收1min的数据，就会被识别是否为样品的特征信号；一旦测到样品信号，即刻停止扫描自动保存光谱文件；步骤十，测量目标样品：点击前面板提前设置的布尔按钮，即可实现一键采集太赫兹信号，此时用户管理库的字vi库：常用功能vi，串口通信vi，归一化vi，数组vi同时工作，不需要用户自己调整测量参数，延迟线系统的运动平台ESP300会因为太赫兹信号透过样品，与探测光产生一定的光程差，且光程差会不断变化，其位置显示会实时更新。 2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：所述步骤八中的时域光谱仪光路采用先分光后激发，在透射样品处和探测器内部分别引入飞秒激光，在透射光透射样品之前放置BBO晶体，在光电探测器内部放置BBO晶体，光谱仪内部的光电探测器采用空气相干偏置检测器ZAP-ABCD，用于检测等离子体中的二次谐波，内部有光电倍增管PMT，通过PMT输出一系列电流尖峰，电流尖峰被馈入一个电流前置放大器，该放大器将信号放大并滤波成缓慢变化的电压信号，探测器电源5V DC，可检测的光谱范围：0.1-30THz；频域DNR：60dB，最大70分贝；时域DNR：70dB，最大80分贝；工作温度：15℃至35℃。 3.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：所述步骤九中光谱仪开始采集样品时一键连接端口：在光谱测量分析控制平台点击com口，找到总接口端点，即连接各个外部串口包括锁相、延迟线、数据采集，之后点击“自定义位置”即开始初始化，延迟线自动调节至39.3mm处，此时在没有样品情况下，探测光和透射光光程相等。 4.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：所述步骤六中测得样品光谱后，样品信号会在前面板显示，主控件可以显示样品信号的三种波形包括幅值波形，频谱波形，相位波形，其中的频谱波形和相位波形要通过频谱分析vi中的傅里叶变换，此函数集成在频谱分析vi。 5.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW与主成分分析法的光谱分析自动控制方法，其特征在于：所述步骤七中在加载样品的太赫兹信号同时，基于PCA特征识别的MATLAB COM组件也在定时接收数据，其中每隔1min，光谱数据以TXT文本形式传输到组件中，进行光谱分析，加入主成分分析法与终止扫描程序的MATLAB脚本文件可以不间断地获得光谱文件并且能够保存。
所属类别：	发明专利