第35卷：第9期 2015年9月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
面向生物过程的阿达玛变换近红外光谱仪
刘鹏，李凯，曾立波，吴琼水*
武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079
Vol. 35,No. 9,pp2654-2659
September, 2015
摘要对生物过程中营养物质的消耗进行监测，有利于控制微生物的生长环境，使其始终处于最佳生长条件，从而使目标产物的产量最大化。针对酵母培养液中甘油、甲醇和葡萄糖含量的监测需求，研制了一科基于阿达玛变换(hadamardtransform，HT)技术的近红外光谱仪.该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集，采用数字微镜（digital micro-mirror devices，DMD)进行阿达玛模板的编码调制，配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件，实现了培养液中营养物含量的实时监测。给出了光谱仪的光路设计、近红外原位探头改进设计、硬件电路和软件模块的设计，通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%，波动率为士4.28%，利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水落液进行光谱采集和数学建模，
实验结果表明该仪器测量准确，能够满足生物过程监测的要求，关键词
月近红外原位探头；生物过程；阿达玛变换；近红外光谱仪
中图分类号：TH744.1
引言
文献标识码：A
D01: 10, 3964/j. issn, 10000593 (2015)09265406
光通量、扫描速度快且信噪比较高。仪器内部无运动部件，所采用的数字微镜(DMD)表面镀的是铝膜"，与傅里叶变换光谱仪相比，在抗震、防潮以及成本方面其有较大的优
随著计算机技术、光纤技术以及化学计量学的发展，近红外光谱分析技术越来越多的应用于农牧、化工、食品等众多领域1-。现代近红外光谱分析技术具有方便快捷、样品无需预处理、成本较低且不污染环境等优点5.6，近红外光谱仪接照分光器不同，可分为四类，分别是：滤光片型、光色散型、傅里叶变换型和声光可调滤光器型等；对光辑色散型仪器，又分为扫描-单通道检测器和固定光路-阵列检测器两种类型。
滤光片型仪器成本低、采样速度快，但是内部有运动部件，波长稳定性差；光棚扫描型仪器分辨率较高，但是扫描速度慢，波长的长期重现性和抗震性较差：傅里叶变换型仪器分辨率高、扫描速度快、信噪比和灵敏度高，但是抗震防潮性能差，成本也较高；声光可调滤光器型仪器无运动部件、扫描速度快、体积小，但是分辨率不如光栅扫描和傅立叶型仪器高，价格也较昂费：固定光路阵列检测器型仪器扫描速度快，长期稳定性好，抗干扰能力强，不足之处是光通量和信噪比较低[8]
除以上几种常见的近红外光谱仪，还有阿达玛变换光谱仪。阿达玛变换光谱仪与传统色散型光谱仪相比，具有较大收稿日期：2014-07-17，修订日期：2014-11-20
基金项目：国家科技支撑计划课题项目（2011BAF02B02)资助作者简介：刘
」鹏，1988年生，武汉大学电子信息学院硕土研究生
势。
针对酵母培养液中营养物质，包括甘油、甲醇和葡萄糖的消耗监测需求，设计了一种面向生物过程的阿达玛变换近红外光谱仪。
阿达玛变换光谱仪的工作原理
阿达玛变换光谱仪是阿达玛变换与传统色散型光谱仪相结合的产物。阿达玛变换的理论模型是基于数理统计学中的称重设计方法，通过编码模板实现了同时测量多个谱元10。根据统计学原理，及个物体分组称量后再通过求解方程所得各物体的重量，比单个物体分别称量所得的重量要准确得多，应用到光学系统中，光信号单个谱元的信号强度十分微小，而探测器不可避免的存在一定噪声，故所得谱图的信噪比非常低，若采用将谱元进行组合之后再测量的方法，由误差理论可知，多次测量降低了噪声影响，从面提高了仪器的信噪比。光谱编码是由特定谱带的透射和抑制来实现的1，
其原理如图1所示。 e-mail: liup920@q4- com
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