（光学工程专业论文）小型水下连续激光拉曼光谱探测控制系统设计与实现.pdf

小型水下连续激光拉曼光谱探测控制系统设计与实现 摘要 深海以其广阔的空间、丰富的资源和特殊的政治地位日益成为各国关注的重要 战略区域。深海探测，尤其是原位、实时、连续探测，是开展深海研究、在深海竞 争中取得优势的关键。目前，大部分深海实时、原位探测技术针对的是海底物理环 境参数，对于海底化学成分的实时、原位分析基本依靠对特定组分的传感器的开发， 非常缺少针对海底多种环境和多种成分的化学分析测试手段。 研制一套应用于海洋环境的小型低功耗原位激光拉曼光谱探测的控制系统，此 控制系统可搭载在水下运载器平台上，可进行深海海底多种物质化学成份的原位分 析。该控制系统软件部分通过了两个阶段的设计和试验，第一个阶段是利用浅海和 实验室环境进行软件试验和性能测试，第二个阶段利用自容式激光拉曼光谱控制系 统进行深海探测试验。本论文首先介绍了选题的背景和意义，然后介绍了激光拉曼 探测原理，并分阶段介绍了浅海和深海的软硬件设计。作者的主要工作包括：浅 海试验样机的软件设计和实现；深海自容式系统软件的总体设计规划。 在浅海试验阶段，该控制系统分为水上甲板控制子系统和水下数据采集子系统 两部分。水上甲板控制子系统通过8 芯电缆和水下数据采集子系统相连，通过r s 4 8 5 总线实现对水下部分的监测和控制，通信协议基于m o d b u s ；水下数据采集子系 统以p c i 0 4 计算机为平台，用m s p 4 3 0 单片机进行辅助控制，利用温湿度传感器进 行舱体内温湿度的监控，整个控制系统的软件开发基于c 挣。浅海试验表明，该系 统能够满足水下激光拉曼光谱探测的控制和通讯要求，实现水下化学成分的原位测 量。 在浅海试验样机控制系统的基础上，参与了深海探测控制系统自容式设计的整 体规划，其软件的整体设计沿袭了浅海样机软件设计框架。 论文主要包括以下内容： ( 1 ) 水下数据采集子系统硬件平台的搭建以及p c i 0 4 计算机激光拉曼光谱 采集软件的开发； ( 2 ) 单片机辅助系统和温湿度信号采集系统的软硬件平台的搭建； ( 3 ) 水上甲板控制子系统软件的开发。 在深海自容式系统本文主要介绍了： ( 1 ) 水下自容式系统硬件平台的搭建以及p c i 0 4 计算机激光拉曼光谱采集 和深海图像采集软件的开发； ( 2 ) 单片机控制系统的软硬件平台的搭建； ( 3 ) p c i 0 4 计算机中文件的操作，以及对单片机任务包进行管理的上位机软 件的开发。 关键词：0 e 6 5 0 0 0 ；m o d b u s ；自容式；激光拉曼光谱；原位探测；控制系统 c o n t r o lu n i td e s i g na n dr e a l i z a t i o nf o ru n d e r 、v a t e rd e t e c t i o no f m i n i a t u r ec wr a m a ns y s t e m a b s t r a c t d e e p s e aw i t hv a s ta i l dr i c hr e s o u r c e sa n d t h es p e d a lp o l i t i c a ls t a t u so fc o u n t r i e si s i 1 1 c r e a s i n 百yb e c o m i n ga ni n l p o r t a n ts t r a t e 酉ca r e a d e e p s e ad e t e c t i o ne s p e c i a l l yi n s i t u ，r e a l t i m e ，c o n t i n u o u sd e t e c t i o ni st h ek e y t oc a l l 叮o u td e e p s e ar e s e 砌a n dg a i n a d v a n t a 萨i i ld e e p s e ar e s o u r c ec o m p e t i t i o n p r e s e n t l ) 0 m o s tt e c h l l o l o g y0 fd e 印一s e ai n s i t u ，r e a l - t i m ed e t e c t i n gi st 0a 妇a tp a r a m e t e r so fp h y s i c a le n v 的砌e n to ft h es e a b e d s i t u ，r e a l - t i ea n a l y s i so nc h e m i c a lc o n s t i t u e n t so ft h es e a b e db a s i c a l l yd 印e n d su p o n s p e c i f i cc o m p o n e n t0 ft h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r s ，a i l dh e n c et h e r ei sl a c k a g eo fm e a n s o fc h e m i c a la n a l y s i sf o rm u l t i p l eu n d e r s e ae n v i r o n m e n ta n dm u l t i - c o m p o n e n tm a t e r i a l t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e v e l o ps m a l l s c a l el o w p o w e r c o n s u m p t i o ns i t u l a s e r r a m a ns p e c t r u md e t e c t i o ns y s t e mf o rd e e ps e ae n v i r o 砌e n t ，w h i c hc a nb e e m b a r k e dt ot h eu n d e r w a t e rv e h i c l ep l a t f o 册t h a tp r o c e s s e ss i t u 锄a l y s i so fav a r i e t yo f d e e ps e a b e dm a t e r i a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o n t h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei sd i v i d e di n t o 觚op h a s e st od e v e l 叩a n dt e s t n ef i r s tp h a s ei st od e s i 印c o n t r o ls y s t e ma i l dt e s tt h c s y s t e mi nm es h a l l o w s e ae n v 的衄e n ta n dt h el a b o r a t o 巧；a n dt h es e c o n dp h 豁ei s t o d e v e l o pd e e p - s e as e l f 二c o n t a i n e dl a s e r - r a m a i ls p e c t r u mc o n t r o ls y s t e m ，i nw m c ht h e d e s i 印o f h a r d w a r eh a sb e e nd i s c u s s e di nd e v e l o p m e n tt e 锄f i r s t l y ，t h ep a p e r i n t r o d u c e s b a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e ni l l u s t r a t e st h e d e t e c t i o np r i n d p l e o fi 邢e r r a m a ns p e c t m m ，d e s i 印j n gw o r ko fh a r d w a r ea i l ds o f 咐a r er e s p e c t i v e l y i i ls h a l l o w s e at e s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t oa b o v e - w a t e rc o n t r o ls u b s y s t e 阻 a n du n d e 刑a t e rd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m n ea b o v e w a t e rc o n t r o ls u b s y s t e mi s c o 皿e c t e dw i t ht h eu n d e 删a t e rd a t aa c q u i s i t i o nt h r o u g l la n8 - c o r ec a b l e ，w h i c hm o n i t o r s a n dc o n t r o l st h eu n d e 刑a t e rd a t a a c q u i s i t i o ns u b s y s t e mb y r s 4 8 5 b u s ， 觚d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sb a s e do nm o d b u s ；t i h eu n d e 刑a t e rd a t aa c q u i s i t i o n s u b s y s t e mi sb a s e do nt h ep c i 0 4c o m p u t e rp l a t f b m ，u s i n gm s p 4 3 0t 0 c 0 n d u c t a u x i l i a r ) rc o n t r o l 姐du s i i l gh u m i d i t y 蚰dt e m p e r a t u r es e n s o rt 0m o n i t o ra n dc o n t r o l h u m i d i t ya 1 1 dt e m p e r a t u r ei nt h ec a b i n w h i l et h es o f t 、a r eo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi s w r i t t e nb y ( 并l a n g u a g e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec 0 n t r o ls y s t e mc a i lm e e tt h en e e d so f c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o no fu n d e r w a t e rl a s e r r 锄a ns p e c t n j md e t e c t i o n b a s e d0 nt h ec o n t r o ls y s t e mo fs w a l l o ws e ap r o t o t y p e ，s e l f - c o n t a i n e dp l o t t i n gi s a p p l i e dt od e 印s e ac o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c ht h ee n t i r ep l o t t i n gi n h e r i t st h ed e s i 印 丘锄e w o r ko fs w a l l o ws e ap r o t o t y p es o 脚a r ep l a t f o ma i l dm o d b u sp r o t o c o l i s u t i l i z e d ，m e a n w h i l et h ef u n c t i o n0 fv i d e oc a p t u r eh a sb e e na d d e d t h es o f t 、v a r e d e s i g n i si n u s t r a t e di i ld e t a i lw h i l et h eh a r d w a r e d e s i g n i s i i l t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to fs h a l l o ws e a p r o t o t y p ei ss h 0 、v nb e l o w ： ( 1 ) c o n s t r u c th a r d w a r ep l a t f o 衄f o rt h eu n d e r w a t e rd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e ma n d d e v e l o ps o f 时a r eo fl a s e r - r a m a ns p e c t r ac o l l e c t i o ni np c i 0 4c o m p u t e r ( 2 ) c o n s t l l l c tt h es o f c 、v a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o n no fm c u a s s i s t a n tc o n t r o ls y s t e ma n d h u m i d i t ya n dt e m p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( 3 )d e v e l o p s o f t w a r ef o ra b o v e w a t e rc o n t r o ls u b s y s t e m t h ei n t r o d u c t i o n0 f d e e p s e ac o n t r o ls y s t e mi sm a i n l ys h o w n b e l o w ： ( 1 ) c o n s t r u c tt h eh a r d w a r ef o ru n d e r w a t e rs e l f _ c o n t a i n e ds y s t e ma n dd e v e l o ps o f c w 2 u r e o fl a s e r - r a m a ns p e c t r ac o l l e c t i o ni np c i 0 4 c 0 m p u t e r ( 2 ) c o n s t m c tt h es o f a r ea n d h a r d w a r ep l a t f o 衄f o rm c uc o n t r o ls y s t e m ( 3 ) o p e r a t ef i l e s i np c i 0 4c o m p u t e ra n dd e v e l o ps o f t w a r ei n h o s tc o m p u t e rw h i c h c o n t r o l sm c ut a s kp a c k a g e k e yw o r d s ：q e 6 5 0 0 0 ；m o d b u s ；s e i f _ c o n t a i n e d ；l a s e r - r a m a ns p e c t r o s c 叩y ；i n s i t ud e t e c t i o n ；c o n t r o ls y s t e m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得! 逵! 垫 遗壹墓丝置噩挂别童盟的：奎拦要窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：多q 7 年厂月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息 服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蒯 签字魄加罗年z 月f 日 导师签新磁 一期1 年6 月 小型水下连壤激光拉曼光谱探泱袭钢系统设薅与安撼z m g 2 0 0 9 l 绪论 1 1 引言 伴随科学技术的迅猛发展，人类赖以生存的地球陆地面临严重的挑战。人口膨 胀、环境污染、资源枯竭等问题的出现，追使世界各国把发展目光转移到海洋资源 开发。水深超过2 0 0 0m 的深海约占海洋总颞积的9 0 3 ，是海洋的主体部分。深海 海底蕴藏着丰富资源，到目前为止，人类对大洋海底的了解却非常有限。许多深海 海域还有待于更深入的调查、探测。谁先掌握了深海调查探测与资源开发的先进技 术，谁就掌握了本世纪发展的主动权。 深海海赢存在着极端生命现象( 深海生物基因资源，同时蕴藏着丰富觞石、油、 天然气和天然气水合物、金属结核、热液硫化物等矿产资源，例如：海底石油的储 量墨蓊估计约占世界总储量的2 终，被称为“未来能源”的天然气水合物里譬烷占 8 0 9 9 9 ，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣，污染比煤、石油、天然气 都要小褥多。仅我国南海成功钴获的天然气水合物就达上酉亿吨油当量。海底热液 矿床也是近年来颇为引人注目的深海资源，在世界大洋水深数百米至3 5 0 0m 处均 有分布。它主要般现在2 o 5 靛深处的大洋争脊和弧焉盆地，是具有重大远 景意义的海底多金属矿产资源，主要元素为c u 、z n 、f e 和m n 等。另外，a g 、 a l l 、( 轴、惩和a 等也在些地区达到工业晶位【”。 由鼍二这些资源处于深海广阔地域，深海环境的复杂性加上难以探测性，迫切需 要原位、实时和快速的探测系统来完成深海勘探工作。而传统的探测方法很难在灵 敏度、探测范围、成本、适应性上满足深海原位、实时、快速探测的要求。 在海洋探测技术中，光谱技术可同时探测多种化学成分，不需对样品直接接触。 其分斩速度快，适应面广，为深海地球化学及生物原位调查和监测开辟了新的途径。 随着世界各海洋国家深海调查需要的加大，一些发达国家纷纷对此类深海原位探测 技术进行研究，成为蜀嚣深海开发技术研究的热点1 。 1 嚣家辎3 诗楚l 课题( 2 酗圆圆z 2 4 3 ) 孛谤书 尘! 苎互兰茎苎苎兰! 垄堡堑型塑i 苎堡! 童墨墨墨竺堡堡型 12 国内外发展现状及趋势 深海化学成分原位探测对深海资源的开发具有非常重要的意义，但以往深海探 测基本上都采用将采集样品送回水上的实验室进行分析的方式，远远不能适应大洋 考察的需要。海洋化学原位探测技术一直是海洋研究与开发中的“瓶颈”，尤其是高 温高压环境下的化学传感器的研究与开发。目前所研制的高温高压环境下的化学 传感器均采用电极技术，其测量的主要参数也只局限h 2 s 、h 2 、p h 、f e s 几个指标。 “十五”期间，在国家“8 6 3 计划”资助下开展了电极式h 2 s 、h 2 、p h 高温高压化学传感 器的研究工作，取得了极端环境下探测传感器技术上的突破。由于海洋具有较复杂 的物理、化学和生物环境，选择性电极的化学传感器的水下工作时间非常有限，因 此亟待开发新型的深海水下化学要素检测手段2 。 由于光谱类传感器具有对海底固、液、气态目标物的原位、实时、连续、无接 触测试的特点，随着世界各海洋国家深海调查的开展一些发达国家纷纷对此类深 海原位传感器进行了研究，目前在这方面取得重要进展的有水下质谱仪【4 1 和水下激 光拉曼光诺仪。其中，具有代表性的的光谱类传感器是黄幽m o ne e 北yb a y 海洋 研究所研制的深海激光拉曼光措仅d o r i s s 系统。 ( p 铆蛳胁舢n h 吼ui p e c 咖m 蚴1 d o r l s s 系统分为三个耐高压密封舱，分别为：分先系统舱( 如图f 1 所示) 、发 射系统舱( 如图1 - 2 所示) 和光学探头舱( 如图1 3 所示) 。主要元件有：1 0 0 m w 、5 3 2 n m n 出y a g 激光器，k a i s e r h 0 1 0 s 口e c 1 8 i 光谱仪和a n d o r 2 0 4 8 5 1 2 像素c c d 吼 2 国家8 6 3 * 划* 题脚m 改4 砷申请书 图1 1 分光系统舱 十型# f 4 襞鞋t 缸曼z 谱自柱“ # 蚌 害氍zm g i 撕 图1 3 光学探头舱 2 0 0 4 年，d o r i s s 系统经过海试后，在2 7 0 0 m 深海热液喷口附近成功获得光谱数 据。后又经过多次深海实验，d o r i s s 在深海3 6 0 0 m 、16 条件下取得了较为理想 的结果l “。 欧洲近年来也在进行这方面的研究，并于波罗的海完成浅海激光拉曼样机性能 测试，深海激光拉曼样机目前正在研制中m 。 我国在深海原位探测领域起步较晚，与发达国家差距较大。国家为了填补在深 海原位探测领域的空白，缩小与发达国家的差距，于2 0 0 6 年底佶动了国家8 6 3 课题 “深海原位激光拉曼光谱系统”的研究，目前该课题研究进展顺利，2 0 0 9 年3 月首 次海试获得成功。 小垄水下连续激光拉曼光谱探铡控静j 系统设计与实现z m y 口n g 2 0 0 9 1 3 论文研究的目的和意义 国家8 6 3 计划目标导向类课题“深海原位激光拉曼光谱系统 的研究目标是研 制一套针对深海海底多种物质化学成分分析的小型低功耗原位激光拉曼光谱系统。 作为该课题的前期工作，课题组试制了有缆浅海试验样机，并成功进行了码头实验。 本论文的主要工作就是为该原理样机的控制系统中的控制通讯部分进行设计与开 发，以实现甲板对水下系统的控制通讯及光谱数据采集和保存，为课题的顺利实施 进行了有益的探索。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是有缆浅海试验样机的控制系统软件的设计和实现，并 参与了深海自容式软件整体规划设计。根据课题组要求，软件规划中提出了新的功 能，增加了由课题组其他成员完成的图像采集功能，此软件控制系统进行了两个阶 段的测试和试验。本论文从两个阶段介绍了系统软件设计。第一阶段详细介绍了小 型低功耗原位激光拉曼光谱控制系统的软件设计和实现。第二个阶段介绍了深海原 位激光拉曼光谱自容式控制系统的软件设计，其软件框架基于浅海试验样机，并介 绍了硬件部分的组成。 第一阶段中，小型低功耗原位激光拉曼光谱控制系统分为水上甲板控制子系统 和水下数据采集子系统两部分。水上甲板控制子系统通过8 芯电缆和水下数据采集 子系统相连，通过r s 4 8 5 总线实现对水下部分的监测和控制；水下数据采集子系统 以p c i 0 4 计算机为平台，用m s p 4 3 0 单片机进行辅助控制，整个控制系统的软件开发 基于c 撑。整个软件系统也分为两部分，水上甲板控制子系统和水下数据采集子系统， 水下数据采集实现了光谱数据的采集和保存，水上系统软件实现了光谱仪参数的设 置和下达各种控制命令。 第二阶段中，小型低功耗原位激光拉曼光谱控制系统是基于自容式设计的探测 系统。硬件部分以p c i 0 4 计算机为平台，用m s p 4 3 0 单片机进行辅助控制，并利用 d e e p s e a 公司的m u l t i s e a c 锄摄像机进行图像采集。进入深海进行激光拉曼探测之 前，光谱数据采集任务包由上位机软件写入到e 2 p r o m 中，由m s p 4 3 0 定时执行这 4 小型水f 连续激光拉曼光谱探莉控翻系统设计与实璁z m y n n g 2 0 0 9 些任务。软件部分沿袭了浅海试验样机的框架结构，并加入了基于d h c t s h o w 技术 开发的图像采集功能光谱数据采集任务完成后，将存有该数据的小型系统回收，然 后由上位机软件查看p c i 0 4 中采集的光谱数据和图像，并给单片机设置下一个采集 包任务。 5 小型水下连续激光扛曼光谱探渌t 控制系统设对与实瑗z m n g 2 0 0 9 2 激光拉曼的探测原理 激光拉曼光谱技术是一种快速、非破坏性、能进行原位化学分析的光谱技术。 尽管拉曼散射光很微弱( 1 0 个光子只能产生1 个拉曼散射光子) ，但拉曼光谱是一种 能反映物质中分子特征的化学显微分析工具。某些分子被特定波长范围的激光照射 后，能形成独有的拉曼光谱。拉曼光谱可对物质进行指纹性认证，物质结构的任何 微小变化都能灵敏地反映在拉曼光谱中，特别适合于海水中痕量组分的检测。原位 拉曼光谱检测可以对深海中固体、液体、气体目标在原位进行分析，不仅能探明海 底矿藏的分布情况，而且免去了从海底提取样本到水面进行分析的过程，不会造成 对样本的破坏【引。 2 1 激光拉曼光谱原理 电磁波与物质相互作用时会发生吸收、反射、散射等过程。当一束频率为( 1 ) 0 的 光照射到物质上时，大部分的光子被吸收或透射，但有少量一部分入射光子与物质 分子发生碰撞后向各个方向散射，形成了散射光。如果这一碰撞不发生能量交换， 则该散射为弹性散射，此时，散射光的频率跟入射光的频率完全相同，这种散射称 为瑞利散射，其波数基本不变或变化小于1 0 5 锄。在其他散射光中，还有极少部分 的光子与分子发生了能量交换，称为非弹性散射，其中波数变化大于l c m d 的部分称 为拉曼散射。从散射光的强度看，瑞利散射较强，拉曼散射很弱仅为瑞利散射强度 的千分之一。每种物质的拉曼谱线可以有若干对，每对谱线对应于物质的某两个能 级间差值( 振动、转动或电子能量间的差值) 。拉曼散射光和瑞利散射光的频率之差 拉曼位移，与物质分子的振动和转动能级有关。不同物质有不同的振动和转动 能级，因而有不同的拉曼位移。对于同一物质，若用不同频率的入射光照射，所产生 的拉曼散射光频率也不相同，但其拉曼位移却是一个确定的值，因此，拉曼位移是 表征物质分子振动、转动能级特性的一个物理量。因此，拉曼光谱能反映分子结构 和组成信息，图2 1 为拉曼散射能级跃迁图。 6 小型水下连续激光缸曼光谱探测控制系统设计与实孤z m y n n g 。2 0 0 9 jl j v i r t u s t a t i 一 - - j ljl 1r1r v i b s t ： 1r1 r s t o l e s r 对l e i g h a n t i - s t o l e s 图2 1 拉曼散射能级跃迁图 按照量子理论观点，拉曼散射过程可以看成入射光子在介质中产生或泯灭声子 ( 分子的振动量子) 而产生斯托克斯散射或反斯托克斯散射。斯托克斯散射是将入射 光子损失的能量交给分子，即光子在系统中产生了振动量子( 声子) ，散射光频率比 入射光频率小：反斯托克斯散射是入射光子从分子中吸收能量，使声子泯灭，散射 光频率比入射光频率大。一般处在高能级振动态的分子数比处在低能级振动态的分 子数少很多，所以，斯托克斯散射光强度比反斯托克斯光强。 拉曼散射形成的拉曼光谱可以用来诊断分子或晶体的内部结构。在拉曼散射实 验中，从目标表面能激发出具有一定频率和极化率的散射光，通过对散射光频率和 强度的分析，就能判定出目标分子的内部特征和微小变化。 分子振动拉曼光谱可以有2 种表征：一是谱峰的位置，这反映着分子内原子核 相对移动的力场情况；二是谱峰的强度，这更深层次地反映着分子内核与电子的运 动信息。因为化学键的伸缩力常数比弯曲力常数大，所以，化学键伸缩的振动谱峰 总是在较高频率的区域，而在低频区的谱峰总是对应着分子键的弯曲振动。另外， 分子的结构虽然有千万种，但构成分子的化学键，如，c h 键、0 h 键、c c 键，其 强度等性质总是相近的。因此，根据拉曼光谱可以预料到不同的分子，它们往往具 有相近的光谱特征，如c c 键的伸缩谱峰总出现在5 0 0c m 1 附近，c h 键的伸缩峰 总出现在2 9 0 0 锄1 附近。在有机分子体系中，这种现象更加显著。分子的简正振 7 小型水f 连续激光拉曼光谱探澳4 控翻系统设甘与实现z m 。y a n g ，2 0 0 9 动是分子整体的运动，包括键的伸缩、弯曲等。不同振动模体现不同分子化学键的 伸缩振动和弯曲振动。简正振动的分析表明：振动模的绝大部分是由键的伸缩振动 构成，因为键伸缩力常数比弯曲力常数大一个数量级。由键的伸缩振动所构成的振 动模的数目与分子键的数目几乎相等，可以通过这个规律进行光谱图分析。对于不 同的分子，其拉曼光谱可能具有相近的谱峰位置，但其谱峰强度却有着显著的不同。 拉曼谱峰强度与分子的极化率对简正振动模的微分值大小有关，分子的极化率是其 电子受核约束状态的一个表征。 对于不同的分子，其键极化率的差别总是比键强度的差别大。也就是说，一个 化学键在不同的分子中其键强度差别不大，但不同分子结构结构特征对化学键上电 子活动的影响却是显著的。因此，谱峰所在位置只反映了少量分子的结构信息，大 量的信息尚存在于谱峰的强度中，对分子结构的研究主要落脚在对谱峰强度的分析 过程上。 2 2 激光拉曼光谱技术【9 】 激光拉曼光谱是一种以拉曼散射为理论基础的光谱分析方法。1 9 2 8 年印度科学 家c vr a m a n 和k s k r i s h m a n 在研究液体的散射时观察到了拉曼散射现象。几乎同 时，前苏联科学家l a n d s b e r g 和m a n d e l s t 锄在石英中也观察到频率发生变化的光散射 现象。激光拉曼光谱是用激光作为强的单色光源研究拉曼光谱的技术，它克服了经 典拉曼光谱的弱点，使拉曼光谱复兴起来。拉曼散射是光散射现象的一种，单色光 束的入射光光子与分子相互作用时可发生弹性碰撞和非弹性碰撞，在弹性碰撞过程 中，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，这种散射过 程称为瑞利散射。而在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不 仅仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能 量传递给光子，从而改变了光子的频率，这种散射过程称为拉曼散射。拉曼光谱是 基于光与物质相互作用特性的、非弹性光散射( 即入射激光的能量频率发生改变) 的 无损伤探测方法。通过测量散射光强随频移的关系，可获得被测分子体系的拉曼光 谱。拉曼光谱分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，反映的 是分子的精细结构振转结构，具有指纹特性，同时拉曼散射没有通常红外光谱 8 小型水下连续激光拉曼光谱探蒗i j 控翩系统设计与实观z m g 2 0 0 9 中由于高阶振动模式的吸收所产生的干扰，有利于测量水溶液中的样品而没有在红 外光谱中来自于水的干扰。 9 ! ：兰兰! 苎苎兰苎兰兰苎生苎翌苎竺i 兰苎芏生墨墨三兰堡堡! 婴 3 有缆浅海试验样机硬件组成介绍 有缆浅海试验样机的硬件部分设计是在整个课题组内讨论完成的。该有缆浅海 试验样机的控制系统分为水上甲板控制子系统和水下数据采集子系统两部分。水上 甲板控制子系统通过s u b c o i l 【l 公司的8 芯电缆和水下数据采集子系统相连，通过 r s 4 8 5 总线并采用了m o d b u s 通信协议实现对水下数据采集子系统的监测和控制； 水下数据采集子系统以p c l 0 4 计算机为平台，用m s p 4 3 0 微控制器进行辅助控制，并 能够实现对舱体内的温室度信号的监控。整个控制系统的软件开发基于c 桃系统内 部结构图( 如图3 1 所示) ： 图3 1 小型激光拉曼水f 系统内部结构 下图为水下系统实验室测试及水槽拷机试验： 图3 2 小型激光拉曼水下系统实验室测试及水槽试验 有缆浅海试验样机的浅海试验照片( 如图3 3 所示) ： 左图为青岛中苑码头现场实验照片，右图为青岛小麦岛现场实验照片 ! ：坐三兰茎苎型主兰兰苎鲨型! 苎竺芏兰墨墨! 些堡坚型 图3 3 小型激光拉曼光谱系统浅海试验照片 31 探测系统的整体设计 竺兰崮统匝卫 图3 _ 4 电器控制部分总体原理图 水上甲扳控制部分由供电系统和计算机终端控制系统组成，通过s u b c 0 肌公司 的8 芯水下电缆为水下系统提供电源，完成水上水下系统的双向通讯，实现激光器 的工作状态控制、环境测控、水下光谱仪的工作状态调整和数据的传输。系统开始 t 作后，水上甲板控制系统由a c2 2 0 v 供电，首先经2 2 0 v ，1 1 0 v 隔离变压器变换后 为激光器和光谱仪提供a c1 1 0 v 电源。为适应浅海远距离数据通讯，采用r s 4 8 5 总 线进行数据传输。水下采集部分根据水上甲板计算机终端的指令韧始化光谱仪，并 小型水下连续激光拉曼光谱探测控剜系统设计与实观z m y a n g 2 0 0 9 通过单片机系统实时采集舱体内的温度和湿度，同时对采集的数据实时保存并通过 r s 4 8 5 总线传输到水上甲板控制部分。在光谱采集完成后关闭水下计算机系统，进 入低功耗模式，降低了系统功耗。 水下数据采集部分以p c i 0 4 工控机为平台，以m s p 4 3 0 单片机为辅助控制芯片组 成的激光拉曼探测系统。水下系统到达目标区域后，水上系统为p c i 0 4 供电，水下 系统开始工作。当水下系统通讯控制软件加载完成后，水下系统会把已完成指令的 信号反馈给水上系统。当进行拉曼探测时，水上控制部分打开激光器电源并发送命 令由单片机控制调节激光器功率。o c e a no p t 缸公司的q e 6 5 0 0 0 光谱仪通过u s b 接口 和p c i 0 4 连接，通过设置积分时间来采集光谱数据，当积分时间适合要求时，采集 的光谱数据会存储到p c i 0 4 的c f 卡中，同时可以选择由r s 4 8 5 接口传到水上计算机 终端控制系统显示并储存。 3 2 水下数据采集系统设计 蔗孑 固态继电器 开关 电源 + 1 1 0 v + 1 2 + 5 v r s 2 3 2 接口与r s 4 8 5 接口的转换ll5 v ：3 3 v p c i 0 4 工控机 坠到m s p 4 3 0 微控制器 nm s p 4 3 0 微控制器 等f e q e 6 5 0 0 0ii 激光器 图3 5 水下部分电路框图 图3 5 是水下激光拉曼探测的电路框图，主要由三部分组成，一部分是由p c i 0 4 工控机，q e 6 5 0 0 0 光谱仪和激光器构成的激光拉曼光谱探测系统，此部分实现了光 小型水下连续激光拉曼光谱探澳4 控锏系统设计与实现z 。m y 口n 昏2 0 0 9 谱的采集和保存；另一部分是由m s p 4 3 0 单片机和温湿度传感器s h t l l 组成的控制电 路和温湿度采集电路，此部分实现了舱体内温湿度的监控和采集；第三部分由固态 继电器和开关电源组成的受控供电电路，此部分为整个系统提供和控制电源输出， 开关电源输出的a c l l 0 v 供给q e 6 5 0 0 0 光谱仪和激光器，+ 1 2 v 和+ 5 v 的输出供给 p c i 0 4 工控机，m s p 4 3 0 微控制器的电源由+ 5 v 开关电源提供，经过低压差线形稳压 器l d ol ，t 1 0 8 6 3 3 进行5 v 届3 v 电平转换后。m s p 4 3 0 单片机通过控制一个4 2 0 m a 电流源控制激光器的输出功率，用s h t l l 来采集舱体内的温度和湿度信号，s h r l l 是瑞士s e n s i r i o n 公司的智能型温湿度传感器，具有数字式输出、免调试、免外围电 路、功耗低、高可靠性及全互换的特点【1 0 】。采集的温湿度信号通过单片机的串行口 直接发送到水上甲板控制系统。当采集完毕后，可以通过水上系统发送相关命令关 闭水下系统。在整个采集任务完成后，通过水上甲板控制关闭整个水下数据采集系 统的电源。 3 2 1 激光拉曼光谱探测系统 由激光器，q e 6 5 0 0 0 光谱仪和p c i 0 4 计算机组成的拉曼光谱探测系统实现了水 下激光拉曼光谱的测量，测量的结果存储在p c i 0 4 计算机的c f 卡中。 q e 6 5 0 0 0 光谱仪采用了h 锄锄a t s uf f t c c d 面阵探测器，具有高达9 0 的量子 效率( 量子效率被定义为光子转换为光电子的效率) 。q e 6 5 0 0 0 采用二维的面阵c c d ， 采用内部电路对像素进行纵向的运算，显著地提高了信噪比和信号处理速度。 q e 6 5 0 0 0 光谱仪非常适合于低亮度的应用，例如荧光测量，拉曼光谱，d n a 测序， 天文学和薄膜反射率测量等。热电致冷的探测器( 降温达到1 5 。c ) 具有低噪声和低 暗背景信号的特点，有利于在低亮度条件下探测和长时间的积分( 从8 毫秒到1 5 分 钟) 【1 1 】。 p c i 0 4 计算机采用的是a r b o r 公司的e m l 0 4 a 5 3 6 2 ，其特点是体积小n 1 0 m m 9 6 m m ) 、功耗低( 小于5 、聊，能在极端环境里连续长期稳定的工作。p c i 0 4 采用的是 w i n d o w s ，e 操作系统，w i n d o w sx pe m b e d d e d 是一种嵌入式操作系统，可以以组 件化的形式提供w i n d o w s 操作系统的功能，它提供了业内领先的可靠性、安全性 和性能，从而使得嵌入式开发人员能够只选择那些小覆盖范围嵌入式设备所需的丰 1 3 小型水下连续激光拉曼光谱探浸 控翻系统设计与实玻z m n g 2 0 0 9 富定制化特性。 3 2 2 温湿度采集电路 s h t l l 是s e n s i r i o n 公司的集温湿度传感器、放大电路、a d 转换电路及存储器 于一体的数字传感器芯片。同时，s h t l l 传感器具有体积小( 7 6 5 皿5 0 8 姗2 3 5 m m ) 、电流消耗小( 测量时为5 5 毗a ，平时为2 8 比a ，休眠时为跏a 的特点【1 0 】。 数字传感器s h t l l 的湿度量程范围为0 1 0 0 r h ，温度量程范围为4 0 0 1 2 3 8 ，能满足项目中温湿度环境的测量要求。温度测量可达1 4 位的分辨率、湿 度测量可达1 2 位的分辨率，在高速或超低功耗的应用中也可分别降至1 2 位和8 位的 分辨率。同时还具有电源电压监测功能，可监测到u o d 2 4 7v 的状态，精度为 5 0 。 s h t l l 的工作原理是先利用2 只传感器分别产生温湿度信号；经放大，送至a d 转换器进行模数转换、校准和纠错：由2 线接口将信号送至微控制器；再利用微控 制器完成相对湿度的非线性补偿和温度补偿。其内部结构框图如图3 。6 所示。 图3 6s h t l l 的内部结构框图 s h t l l 的测量时序由启动传输时序、发布命令、等待测量完成、读回数据等组 成。微控制器由“启动传输”时序完成通信。当s c k 时钟为高电平时，d a r r a 转为低 电平；d 觚为低电平期间，s c k 为低电平后转为高电平；在s c k 时钟为高电平时， d a ，队转为高电平。在“启动传输”时序后，微控制器向s h t l l 发送命令。并发布一 组湿度或温度测量命令后，等待测量结束。s h t l l 将d a t a 线拉低。 s h t l l 通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意 1 4 小型水下连续激光扭曼光谱探庆目控朝系统设计与其观z m n g t2 0 0 9 的地方是：d a t a 数据线需要外接上拉电阻，时钟线s c k 用于微处理器和s h t l l 之 间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对s c 最低频率没有要求；当工 作电压高于4 5 v 时，s c k 频率最高为1 0 m h z ，而当工作电压低于4 5v 时，s c k 最高 频率则为l m h z 。硬件接口电路连接图如下： 1 x t 且2 l 口 t “i t f “ 1 l m 8 p 4 3 0 箸 图3 7m s p 4 3 0 与s h t l l 的电路连接图 温湿度测量的软件设计，首先由微控制器启动传输时序，接着调用写时序发送 温度或湿度的测量命令，然后延时等待测量的完成。在完成测量后，再调用读时序 读回测量结果，进行温湿度的计算，最后将实际温度值存储于固定单元中。 3 2 3 单片机辅助控制电路 由于硬件电路采用的低功耗设计，因此在器件选型时，要求功耗要尽量低，c p u 在空闲时要工作在低功耗方式。美国r h ( t e x a sh l s t m m e n t s ) 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单 片机是一种混合信号控制器，该芯片是低工作电压( 1 8 v 一3 6 、超低功耗、高性能 的微控制器，在电池供电的便携式设备和仪器中有着广泛的应用。内部为1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式、简洁的内核指令，运行速度快，能实现1 5 0 n s 指令周期， 同时内部集成有丰富的片内外设：6 0 k b