高速热红外辐射仪软件开发与矿物测量应用
高速热红外辐射仪软件开发与矿物测量应用
高扬1,2，陈春霞1，修连存1
（1.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016； 2. 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，南京 210094 ）
摘 要 岩石矿物光谱特征的研究在对地探测中有着重要意义，热红外光谱可以测量大多数低温和高温蚀变矿物。利用光谱仪获得岩石矿物的连续光谱特征，对其热红外波段的光谱特性进行分析，是实现岩矿信息精细提取和定量分析、识别地物类型以及组成成分的主要研究方法。DnPTurboFT热红外辐射仪能够用于探测地物的热红外光谱，开发后的软件具有参数设置、光谱采集、黑体定标以及光谱数据处理等功能。通过控制软件的研发与矿物热红外光谱测量实验，为日后建立岩石矿物红外光谱数据库提供了条件，并为将来使用该仪器进行对地探测奠定了基础。
关键词 热红外辐射仪；光谱特征；软件开发；矿物热红外光谱测量
中图分类号 O657.33
Development of Control Software for High Speed Thermal Infrared Radiometer and Application of Mineral Measurement
Gao Yang1,2 , Chen Chunxia1 , Xiu Liancun1
(1. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016; 2. Jiangsu Key Laboratory of Spectral Imaging & Intelligence Sense, Nanjing 210094)
Abstract Research on spectral characteristics of the rocks and minerals has great significance in Geological Prospecting. The thermal infrared spectroscopy can detect and measure all the alteration minerals including low and high temperature alteration minerals. Using middle infrared spectrometer to obtain continuous thermal spectral characteristics of rocks and minerals and analyze spectral properties of thermal infrared band is the method to operate fine rock information extraction and quantitative analysis and identify major research component of the feature types. DnPTurboFT thermal infrared radiometer can be used to detect surface features among the thermal infrared spectral range. After the redevelopment, the software has parameters setting function module, spectral acquisition module, blackbody calibration module and data processing function module. The researches of software development and measurements in thermal infrared spectrum of minerals provide the conditions to build database of rocks’ and minerals’ infrared spectrums, and establish the foundation for this instrument to command geological prospecting in the future.
Key words thermal infrared radiometer; spectrum characteristic; software development; mineral thermal infrared measurements
引 言
傅里叶变换红外光谱仪是一种利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过对测量得到的离散干涉图进行傅里叶变换，反演得到的光谱图，最终获取光谱信息的干涉型光谱仪。与传统光栅色散型光谱仪相比，傅里叶变换红外光谱仪具有光通量大、高分辨率、宽波谱范围、测量速度快和精确度高等优点，现已成为鉴别物质组成和分析发射光谱成分的有效工具[1]。美国Designs & Prototypes公司生产的DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪结构牢固，抗震性强，适合野外工作，是现场进行快速分析的理想工具，并在地质、化工、医药、农业、冶金、石油和海关等部门得到广泛应用，拥有重要科研及应用价值。本文以研制DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪的控制软件为核心，通过软件开发与数据处理算法的研究与实现，达到操作仪器采集矿物热红外光谱数据，进行岩石矿物信息提取与地物定性定量分析的目的。
1 仪器介绍
最初开发的便携式光谱仪用于在战场上检测化学药剂。逐渐演变为用于监测大气成分，尤其是污染物的鉴别。小型红外光谱仪已经发展成为星载仪器，光谱仪在宇宙空间中的使用，反过来也促进了从地面测量辐射亮度的需求。即地面实况测量，用来验证校准，提供大气修正数据，以及测量那些不能在实验室测量的地物表面材料的发射率[2]。基于上述原因，光谱仪目前主要被用于推进理解野外样品的红外发射与传播、确认大气辐射传输模型、研究臭氧层对大气中微量气体的影响以及云层属性和温室效应等。DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪可以用来对地球表面和大气的光谱辐射亮度进行野外测量，配置了三种可选光谱分辨率（4cm-1,8cm-1,16cm-1）和2.5μm~16μm的波段范围来测量3μm–5μm和8μm–14μm大气窗口中的辐射亮度。仪器的应用范围属于热红外，在热红外的研究中，已有一些便携式高精度的光谱仪在不同的应用领域内投入使用，如Model 102F便携式傅里叶变换热红外光谱仪。但是DnPTurboFT以其具有的能够监控高速连续变化目标的优点，展现出强进的竞争优势与重要的科研价值。
DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪的性能特点如下：
1) 携带方便：主机重量不到4公斤；
2) 扫描速度快：可高至200张光谱/秒；
3) 处于中红外波段的光谱测量范围：2.5-16微米；
4) 三档光谱分辨率可调：4cm-1、8 cm-1、16 cm-1；
5) 拥有坚固稳定的高通量干涉仪以及轻巧便携的“午餐盒”式计算机；
6) 可以实时输出，能够监控目标和过程的迅速改变；
7) 超高速的扫描极大减少了振动对仪器效果的影响；
8) 轻便、坚固的结构和小电池的操作可在艰难的区域使用。
技术参数：
1) 制冷方式：液氮和斯特林制冷；
2) 供电方式：蓄电池、汽车点烟器或市电供电；
3) 光谱范围：标准5μm~16μm，可选2.5μm~20μm；
4) 扫描速度：25~200张光谱/秒（取决于分辨率）；
5) 可用两种方法连续采样：
i. 连续采样数据存入单一文件，无间隙，最多至10,000张光谱。
ii. 连续采样数据存入顺序文件，互相间有小间隙，最多至10,000张光
6) 检测器：采用InSb与MCT的复合探测器；
7) 标配1#（8度），可选2#（2.4度）、4#（1.2度）镜头，以及相应的冷热校准黑体；
8) 主机尺寸：20 cm x 20 cm x 15cm。
其应用有如下几个方面：
1) 对于航空传感器的地面实况反演：测量地面的辐亮度和发射率，用于校准卫星（如ASTER）或航空扫描器的大气影响。
2) 矿物和土壤的研究：发射率测量可识别岩石和混合物的类别，如石英砂、硅酸盐等；标注岩石和矿石的位置；研究土壤的特性随时间的改变。
3) 光谱数据库的收集：建立数据库用于航空光谱数据“超立方体”的光谱分析；利用光谱进行主要成分分析。
4) 植被分析、军事应用、大气污染测量、工业在线监测以及温度测量等。
2 控制软件研发
2.1 函数接口
1）软件运行开始，进行初始化设置，包括NI电路板的复位和自检，函数接口为Initialize()；
2）启动NI数模转换电路板，函数接口A2DStart()；
3）启动仪器内置的三个温控器其中的两个，即仪器温控和激光二极管温控，函数接口为SetTemperatureSetting(int &iTinst , double TemperatureBB , int iTinst , double TemperatureINST);
4）打开参数设置界面，设置光谱采集参数、数据处理算法、仪器温度、校正冷热黑体温度、文件保存目录等，所用函数接口包括SetLaserWavelength(double N)、SetNumberOfInterferogramPoints(int N)、SetApodizationFunction(int N)、SetApodizationFunction(int N)、SetZeroFillFactor(int N)等；
5）扫描光谱采集数据并保存在之前建立或选中的文件目录中，干涉图采集用到的函数接口为AcquireFTIRInterferograms(double *Interferograms)，叠加光谱值和一次扫描所得到的四个角度的光谱值可以分别获取，所用函数为AcquireFTIR(*Spectra, double *CoaddedSpectrum);
6）利用采集到的干涉图数据画出干涉图，显示在框图上半部，纵坐标为干涉数据值，横坐标为采样点数；采用原始光谱数据绘出光谱图，显示在框图下半部，横坐标为波长，纵坐标为光谱强度。绘制谱图曲线使用函数为drawSpectra(CClient &dc)和drawIngram(CClient &dc)，框图绘制函数为drawScale(CClient &dc)和drawScale1(CClient &dc);
7）数据保存所使用的函数为SaveAs()和WriteAllData();
8）关闭软件时，释放堆栈所有占用空间，调用Terminate()将NI电路板数字端口写零，终止数模转换电路板的一切任务。
2.2 功能模块
2.2.1参数设置
参数设置模块为采集数据之前提供了准备工作，包括以下几部分功能：
= 1 \* GB3 ①光谱叠加数：为了提高光谱的信噪比，在其他测试条件不变的情况下，测量样品、金板或者黑体定标的过程中，可以增加光谱的扫描次数来降低噪声干扰。由于仪器本身内置的旋转干涉仪的特殊设计，一次完整的旋转有四个角度光程差为0，分别为0°、90°、270°和180°，因此可以得到四张光谱。这也决定了光谱叠加数必须是4的倍数，可选范围为4到1000个。光谱叠加降低了噪声的同时，也增加了样品采集的时间，一般取软件所设置的默认值40个做叠加。
= 2 \* GB3 ②设置校准激光波长：该参数为厂家给出的出厂默认值，1.274。
= 3 \* GB3 ③干涉图采样数：表示干涉图的采样数目，最多有4096个，也可以选择2018和1024两种。该参数决定了光谱分辨率的最大值。
= 4 \* GB3 ④光谱分辨率：用于进行傅里叶变换的干涉图数据点的数目，决定了光谱分辨率的大小。软件提供了三种方式可选，分别为4096数据点,2048数据点和1024数据点，对应了4 cm-1、8 cm-1、16cm-1三档光谱分辨率。该参数不得超过干涉图采样数。如干涉图采样数为2048，那么光谱分辨率最大值只能达到8，而不可以选择4。
= 5 \* GB3 ⑤插值：可以提供内插函数，在光谱值之间成倍的增加点数。但是并不能增加光谱分辨率。有三档可以选择，1，2，4分别代表无插值、一倍插值和两倍插值。
= 6 \* GB3 ⑥切趾：即抑制主峰两侧旁瓣的手段。用切趾函数替代矩形函数截取干涉图，可以缓和图谱的不连续性。有三角型切趾函数、Hanning切趾函数、Hamming切趾函数、Blackman切趾函数、高斯切趾函数可选。
= 7 \* GB3 ⑦温度设置：仪器内部有三个温度控制器，一个控制激光二极管的温度，另外两个分别控制仪器自身和黑体的温度。将需要设置的冷热黑体温度分别输入到对应的编辑框中，待黑体校正时使用。仪器自身的温度不能低于环境温度超出5℃以上，而是应该比环境的最高温度高出1~2℃。如果在测量过程中环境温度高于35℃或者低于15℃，仪器应预热一小时来保证数据质量。在不使用黑体时应将其关闭，以免消耗多余的电量。
= 8 \* GB3 ⑧定标：如果勾选，在进行完黑体定标之后，所有采集的光谱都将被进行辐射校正，反之则为原始光谱。
图1.软件界面
图2.参数设置对话框
2.2.2数据采集、保存与显示
数据采集模块包括被测样品光谱值的采集、黑体定标、参比采集以及仪器、黑体的温度值获取。当仪器在扫描过程中，利用NI数模转换电路板采集干涉数据时，是没有空余的带宽来读取温度数据的，因此温度的获取和数据的采集不能同时进行。黑体定标过程中，依次点击“冷黑体”、“热黑体”按钮可以控制黑体温控器工作，从编辑框中可以看到当前温度向着之前设定好的温度下降或上升，当达到预设值后，点击“采集”，便可分别获取冷热黑体的辐射出射度，保存在文件夹中，为后续的双温法定标做好准备。由于温度的读取和光谱采集不能同时进行，而编辑框所显示的当前温度值需要不停地利用温控函数回读，以便实时观察温度是否达到预设。因此将读取温度的函数写入定时器中，当需要采集光谱数据时，该定时器自动停止，温控函数也会停止运行，采集完成后再开启定时器，编辑框中又会重新更新实时温度，这样就不会产生温度回读与数据采集的冲突。每次采集完成，都会在界面显示光谱曲线与干涉图。干涉图谱主要用于检测仪器是否工作正常。当液氮制冷效果不达标时，干涉图会出现不正常的曲线，这时就需要再次添加液氮。光谱曲线根据所需要的数据处理方式的不同而变化，最常用的是原始光谱曲线，辐射亮度曲线及反射率。仪器有效光谱区间为2.5μm ~16μm，软件提供显示光谱范围更改的功能，根据所选起始/终止波段大小的不同，光谱图内的网格线数也有所不同，横坐标被均等的分为3、4或者5份，坐标值精确到小数点后三位。该项功能主要是为了保持图谱的美观及查看波长的准确性。纵坐标根据光谱值的大小取到最大值和最小值，分别向两个方向扩大稍许范围，中间的网格线按照所取最大值和最小值的不同被均等划分。这样既保证了谱图曲线不会超过画框范围，又最大限度的将图形呈现出来，坐标值精确到小数点后四位。扫描结果根据采集方式的不同，会自动追加不同的后缀名，如用于校正的冷热黑体数据分别以CBB和WBB后缀命名，原始光谱数据以SAM结尾，反射率以REF命名等等。所有的数据格式都是文本文档，可以用记事本打开，或导入excel、Matlab中查看处理。
图3. 黑体定标对话框
图4. 干涉图与原始光谱
图5. 坐标变换对话框
图6. 文件存储
2.2.3数据处理
厂家提供的动态链接库中不包含任何数据处理的功能，扫描采集函数只能返回未经过加工的原始光谱值和干涉值。二次开发的软件中提供了以下几种处理方法：
1)原始光谱数据，即未经过任何算法处理的光谱值；
2)被测样品的辐射亮度，该项算法需要分别采集冷热黑体的辐射出射度后，利用双温法消除仪器自身的辐射影响，才能对被测样品进行的该项运算；
3)反射率，即样品与参比的比值，不需要黑体校正，先测量漫反射金板的光谱值，再测量样品；
4)样品与参比的差值或参比与样品的差值。这两种方法的依据都是背景扣除法得到差减光谱，可以扣除光路中的二氧化碳和水汽的吸收。
5)吸光度，即样品表面反射光的强度与漫反射金板反射光强度之比的对数；
3 矿物光谱测量应用
岩石矿物的光谱特征分析研究在对地探测中具有重要意义。影响岩石光谱特征的主要因素是其所包含的矿物成分，其次是构造与结构。适用于研究岩石矿物光谱特征的最佳大气窗口有两个，分别为0.4μm ~2.5μm的可见近红外至短波红外波段区域与8μm ~14μm的热红外波段区域[3]。物体表面反射的辐射能量占总入射能量的百分比称为反射率，不同物体反射率不同，但都小于等于1。反射率的获取方法为：分别测量目标地物与标准板的光谱的辐射能量，两者之比就是地物的光谱反射率。物体的反射分为镜面反射、漫反射与实际物体的反射三种。镜面反射是指物体的反射满足反射规律，即入射波与反射波在同一平面内，且入射角与反射角相等；漫反射是指无论入射光的方向如何，虽然反射率与镜面反射相同，但反射方向却是向四面八方的；对于漫反射面，当入射辐照度一定时，从任何角度观察，反射面的反射亮度都为常数，这种反射面又称为朗伯面；而实际物体的反射是介于镜面反射与漫反射之间的。实验中我们采用金板作为标准版。地物反射率随波长的变换规律的曲线称为地物的反射曲线，它反映了地物的波谱特征。
3.1 室内矿物样品测量实验
为验证二次开发软件的实用性与可靠性，选取两种已知成分的矿物样品作为实验对象，方解石与石英样品如下图所示：
图7.样品1石英 图8.样品2方解石
操作步骤如下：
1）将DnPTurboFT傅里叶变换热红外辐射仪安装在三脚架上，固定自锁装置，避免滑出；
2）使用三漏斗在仪器的杜瓦瓶中注满液氮，使探测器充分制冷。当杜瓦瓶表面温度降至77K，会冒出羽状蒸汽，待没有蒸汽涌出后，将瓶塞盖住；
3）将标准配置的1英寸镜头装在仪器前部，并在其上扣住校准黑体；
4）打开操作软件，使仪器充分预热。保证室内环境温度基本不变，最大变化不超过0.1摄氏度；
5）加热被测样品至40-50℃之间;
6）设置冷黑体温度比室温稍低，热黑体温度比样品温度稍高，在本次实验中分别设置为15℃和55℃，是否校正框内打钩;
7）采集冷热黑体光谱，得到定标系数;
8）采集金板光谱数据，得到参比;
9）采集样品光谱数据，得到反射率。
图9.样品1的反射率曲线
图10.样品2的反射率曲线
3.2 室外矿物样品测量实验
室外温度20.6℃，无风，多云，湿度35%，设置光谱叠加数120次，为室内试验的3倍，冷黑体10℃，热黑体30℃进行辐射定标，在无太阳光照射的情况下测量金板和样品，得到反射率曲线如下：
图11.样品1的室外反射率曲线
图12.样品2的室外反射率曲线
ASU红外光谱波谱库由亚利桑那州立大学地质系的行星探索实验室建立，该波谱库包含150多个纯矿物的热红外波谱( 2000 cm-1-380 cm-1 )，主要是一些常见的成岩矿物,包括硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐及氧化物等。从ASU红外光谱波谱库可以得到以下标准光谱曲线：
图11.一些标准反射率曲线
图12.各类石英标准反射率曲线
岩石矿物的光谱特征与其成分及结构有关，是矿物晶格中原子基团的各种振动的反映，热红外波段发射光谱特征与晶格中的原子基团的基频振动有关。硅酸盐是硅酸中的氢被铁、镁、铝、钾、钠以及其他金属离子取代形成的盐。天然硅酸盐包括硅酸盐岩石和硅酸盐矿物等，是构成地壳岩石、土壤以及许多矿物的主要成分。热红外可以探测硅酸盐矿物中Si－O键的振动光谱，硅酸类矿物所含的Si-O 键的不对称伸缩振动产生了在波段8.5μm～12.0μm 之间的光谱曲线最强吸收特征[4]。从实验得到的光谱数据与标准光谱的对比可以看出，样品分别为方解石和石英，与先验知识相吻合。波形虽类似，但不完全一致，这是由于地物热红外光谱的测量环境要求十分严格，在扫描过程中仪器的温度漂移应控制在0.1℃以内，并且被测样品周围应尽量空旷，以免附近的人或物对扫描结果产生辐射影响。室内的加热光源与空间环境并不理想，而野外测量时无法保证仪器的温度漂移，因此得到的结果与标准谱图稍有不同。室外与室内测量的反射率曲线相对比，可以看出，虽然室外测量时选择了120次的光谱叠加方式，信噪比却不太理想。这是由于野外测量时，地表微观尺度与宏观尺度粗糙度会使光谱对比度减少，因此相对于室内测量的样品光谱来说，野外获取的光谱对比度会变小，有时会导致一些矿物的漏提。但是吸收特征峰出现的波段位置与峰值都是一样的。并且在野外环境中，扫描过程中仪器温度漂移不得超过0.1℃的这个要求很难达到，也会对测量结果产生影响。野外测量最好能够在炎热的夏天进行，选择午多云天气的午后时段为最佳，这样既避免了太阳光的直接照射，又可以保证被测样品有足够的热辐射。
两组实验验证了该仪器可以灵敏地探测到样品中Si－O 键振动光谱，说明了所研制的软件能够操控仪器可靠运行以及软件功能的可靠性和算法的准确性。
4 结束语
通过开发，建立了完整的DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪控制系统，所研制的软件具备仪器参数设置、光谱采集、黑体定标、测量物体的光谱曲线以及数据处理等功能。研究了矿物热红外光谱测量的理论基础及特点，并通过矿物样品的辐射亮度与光谱反射率测量实验论证了仪器可用于对地探测进行岩矿信息精细提取的可行性。利用傅里叶变换热红外光谱仪获得连续光谱特征，对岩石矿物的热红外波段的光谱特征进行分析，是实现岩矿信息精细提取和定量分析、识别地物类型以及组成成分的主要研究方法，也是该课题将来的研究领域与发展趋势。102F便携式热红外光谱仪已有被应用于测量矿物、岩石、土壤及植被等目标红外光谱、辐射强度和发射率的成功先例，相信在不远的将来，应用DnPTurboFT型超高速旋转扫描热红外辐射仪进行对地探测与矿物填图也将被付诸实践。
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