本发明属于光谱仪的信号调制，具体涉及一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法。
背景技术：
1、光谱仪器是一种应用广泛的分析仪器，通常采用调制解调的方式进行光谱信号的处理，以获得高精度的光谱测量值。光谱仪器的组成结构包括光源、调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、调理检测电路、计算控制电路、电源、上位机。光源发出的复合光，经过调制器机械调制为固定频率的调幅光信号，该信号经单色仪后输出特定波长的单色光、通过取样器与样品作用后由探测器及转换电路转换为固定频率的电信号。调理检测电路对此信号进行滤波、放大、移相、模数转换等处理后，得到调幅单色光对应信号的数字量，即光谱调制信号。计算控制电路控制调理检测电路的模数转换单元进行信号采集，并对光谱调制信号进行数字解调处理，以同步参考信号进行采样周期控制，获得每个调制周期的信号幅值-解调值，并以多个采样周期的各解调值的均值作为该波长位置光信号的测量值。同时，计算控制电路控制单色仪扫描从而获得所需波长范围的光谱测量值，上传至上位机。上位机接收不同被测样品及参比等在各波长下的光谱测量值，计算对应样品的反射率或透过率后进行样品成分分析。
2、光谱仪的信号调制采用机械调制，调制器由直流电机和与其同轴的调制盘组成。调制盘有均布的通光孔，在电机的带动下进行光的幅度调制。当电机稳速转动时，调制信号的频率f为一定值。由于调制器的制造和安装误差，调制信号的频率存在周期波动性误差δf，波动的周期是调制盘的通光孔个数。对这种机械调制的频率误差，现有技术采用整周期校频数字解调方法进行校正，光谱测量精度高。
3、但整周期校频数字解调方法在实施过程中，要同步测量被测信号(光谱调制信号)单周期的频率。该频率以被测信号整形后的方波上升或下降沿触发计数器的计数值获得。但当被测信号较弱，由于噪声的影响，整形后的方波失真，出现跳变的伪周期，频率失真、周期不准，整周期校频数字解调方法失效。为解决以被测信号自身整形作为参考(简称自参考)信号存在伪周期的问题，采用光电参考信号：用光电开关获得光调制盘切光信号，整形后为参考信号，可以光电参考信号触发计数器进行同周期测频。但仍然存在测量时光电参考信号超前于被测信号、调制盘存在安装偏心误差时相同周期的光电参考信号和被测信号的频率不同、光电参考信号和被测信号间在不同的信号周期存在不同的零相位误差、光电参考信号控制的整周期采样数据存在冗余或缺失等问题，影响解调值的准确性。
技术实现思路
1、本发明的目的就在于，提供一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，以解决光谱仪的光调制信号存在频率波动时，数字锁相解调的光电参考信号与被测信号在周期、频率、相位和采样点上的不一致，引起光谱测量误差的问题。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，采用基于光信号机械调制和整周期校频数字锁相解调方式的光谱仪器实施，包括以下步骤：
4、a、预测光电参考ro和被测自参考rx两路信号的相位和频率，计算频率对准修正参数；
5、b、光谱调制信号采集和自适应修正补偿解调计算光谱扫描测量值：
6、当光谱仪进行光谱扫描测量时，接收到测量参数：扫描起始波长λ1、扫描终止波长λ2、扫描波长间隔δλ、测量周期数q，通常q为m的整数倍，控制扫描机构扫描至每个波长λ位置，λ初值为λ1，在每个波长λ位置，对光谱调制信号进行如下操作：
7、b1、整周期控制信号采集、频率自适应对准修正，获得q+1个周期的信号采样值d(kd，jd(kd))和q个周期自适应对准修正的等效频率f’(k)；其中：
8、kd＝1:q+1，k＝1:q，为信号的周期序号；
9、jd(kd)＝1:n(kd)，为第kd个周期的采样点序号，n(kd)为第kd个周期的采样点数：
10、
11、其中，floor为向下取整函数；
12、b2、各周期采样数据的频率自适应等效补偿，计算各调制周期的信号幅值，即解调值a(k)；
13、b3、计算当前波长λ位置的信号测量值d(λ)：
14、
15、b4、控制扫描机构按扫描波长间隔δλ进行波长扫描，在扫描波长λ+δλ位置重复步骤b1-步骤b4，直至λ＝λ2，完成所有扫描波长λ1～λ2位置的信号测量。
16、进一步地，步骤a，在光谱仪开机初始化时，光谱仪对参比取样，计算控制电路控制单色仪扫描位置处于光信号较大的位置，计算控制电路的微处理器利用计数器和两路上升沿的捕获引脚，对光电参考ro和自参考rx两路信号进行连续n个周期的整周期计数，采样开始前将计数器清零，分别得c1(i1)和c2(i1)，i1＝1:n+1，n≥2m，m为调制盘的齿数，进行如下处理：
17、a1、判断2路信号的相位差是否满足零相位的条件——相位差对应的时间不大于采样周期的1/2，即：
18、
19、其中：fc为计数器的计数频率；fs为信号的采样频率。
20、如果不满足，仪器状态不合格，需要调重新调节移相；如果满足，仪器状态合格，继续；
21、a2、计算2路信号的频率f1(i)和f2(i)：
22、
23、其中：j＝1或2，i＝1:n，c0为计数器的满计数值；
24、a3、分别计算f1(i)和f2(i)的均值，得：f1mean和f2mean；
25、a4、自适应计算周期错位值δt。首先计算f1(i)和f2(i)的均方差：
26、
27、其中，δt为预设周期错位值，δt＝1，2，…，m；求得m个均方差fσ(δt)的值并取最小值；根据均方差取最小值时对应的δt计算得到实际的周期错位值δt：
28、
29、其中，当δt≥0时，表示光电参考超前于自参考δt个周期；当δt<0时，表示光电参考滞后于自参考δt个周期；
30、a5、计算频率修正系数sf：
31、
32、数据f1mean、f2mean、δt和sf作为仪器后续处理的自适应修正补偿的参数保存。
33、进一步地，步骤b1中，频率自适应对准修正，等效频率f’(k)的计算步骤如下：
34、b11、频率周期自适应对准，得周期对准的频率fa(k)，步骤：
35、a、当δt≥0时，以光电参考信号上升沿触发计数器，测δt个周期的频率f(1：δt)后，连续测q个周期的频率f(j+δt)，j＝1:q+1，同时控制adc进行连续q+1个周期的信号采集；周期对准的频率fa(k)＝f(k)；
36、b、当δt<0时，以光电参考信号上升沿触发计数器，连续测q+1个周期的频率f(j)，并同时控制adc进行连续q+1个周期的信号采集；继续测δt-1个周期的频率f(j)；周期对准的频率fa(k)＝f(k+δt)；
37、b12、频率自适应修正，计算k＝1：q各调制周期的等效频率f’(k)：
38、f′(k)＝sf[fa(k)-f1mean]+f2mean (7)。
39、进一步地，步骤b2中，采样数据的频率自适应等效补偿，计算解调值，解调值a(k)的计算步骤如下：
40、
41、其中，r(k)为第k个周期等效补偿点数：
42、
43、进一步地，所述光谱仪器由光源、调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、调理检测电路、计算控制电路、电源、上位机连接组成；其中，调理检测电路由滤波、放大、移相、整形、模数转换单元连接而成，分别与探测器及转换电路和计算控制电路连接；计算控制电路输入接口分别与调制器的光电开关的光电参考信号ro接口、控制调理检测电路的模数转换单元的光谱调制信号x接口和整形单元的自参考信号rx接口连接，输出接口分别与单色仪驱动和上位机通信接口连接，采用光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法进行数字解调，获得所需波长范围的光谱测量值，上传至上位机。
44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
45、本发明提供一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，通过提前预测调制盘的光电参考信号和调制信号整形的自参考信号的连续各调制周期的频率，获得两路信号的频率对准修正参数；光谱仪实际扫描过程中，在每个扫描波长位置，对采集的多个连续调制周期的整周期采样值，进行频率的自适应对准修正和采样点自适应补偿，从而在每个周期信号获得与被测信号等效的采样数据和频率值；本方法消除了由于机械调制频率误差引起的光电参考信号与被测信号在周期、频率、相位和采样点上的不一致，对整周期校频数字解调方法计算的解调值的影响，可有效提高光谱信号的测量精度。
1.一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，其特征在于，采用基于光信号机械调制和整周期校频数字锁相解调方式的光谱仪器实施，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，其特征在于，步骤a，在光谱仪开机初始化时，光谱仪对参比取样，计算控制电路控制单色仪扫描位置处于光信号较大的位置，计算控制电路的微处理器利用计数器和两路上升沿的捕获引脚，对光电参考ro和自参考rx两路信号进行连续n个周期的整周期计数，采样开始前将计数器清零，分别得c1(i1)和c2(i1)，i1＝1:n+1，n≥2m，m为调制盘的齿数，进行如下处理：
3.根据权利要求1所述的一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，其特征在于，步骤b1中，频率自适应对准修正，等效频率f’(k)的计算步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，其特征在于，步骤b2中，采样数据的频率自适应等效补偿，计算解调值，解调值a(k)的计算步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种光谱调制信号频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法，其特征在于：所述光谱仪器由光源、调制器、单色仪、取样器、探测器及转换电路、调理检测电路、计算控制电路、电源、上位机连接组成；其中，调理检测电路由滤波、放大、移相、整形、模数转换单元连接而成，分别与探测器及转换电路和计算控制电路连接；计算控制电路输入接口分别与调制器的光电开关的光电参考信号ro接口、控制调理检测电路的模数转换单元的光谱调制信号x接口和整形单元的自参考信号rx接口连接，输出接口分别与单色仪驱动和上位机通信接口连接，采用光谱调制信号自适应频率对准修正和采样点补偿的数字解调方法进行数字解调，获得所需波长范围的光谱测量值，上传至上位机。
