光谱分析类实验是光电信息相关专业核心实践内容，但传统实验存在明显局限：一是核心设备如傅里叶光谱仪单价高，多数场景难以实现 “一人一机”，常采用演示教学，学生动手参与度低；二是激光类实验操作复杂度高，需控制温度、压强等多参数，新手易因操作不当导致实验失败；三是实验误差分析难，真实场景中外界干扰因素多，学生难直观关联参数变化与理论规律。

LabVIEW 的图形化编程特性可针对性解决上述问题：无需复杂文本代码，通过图标拖拽与连线即可构建实验逻辑，降低编程门槛；自带数据采集、信号处理函数库，能快速实现多参数模拟与数据可视化；支持与 Origin、HITRAN 数据库等工具联动，可拓展实验分析维度，成为仿真实验开发的优选工具。

实验系统设计

1. 核心功能模块

基于 LabVIEW 构建的仿真系统包含三大核心模块：

• 参数配置模块：提供温度（-50℃~150℃）、吸收光程（5000cm~9000cm）、气体浓度等关键参数输入控件，支持实时修改并同步触发仿真计算；内置谱线位置、线强等基础数据库调用接口，可直接读取 HITRAN 标准谱线数据，确保仿真准确性。

• 计算模拟模块：依据朗伯 - 比尔定律公式It(v)=I0(v)e−α(v)L，结合 Voigt 谱线线型模型，编写计算逻辑；通过循环结构实现不同参数组合下的批量仿真，自动生成吸收截面、透过率等中间数据，计算耗时≤1s，满足实时交互需求。

• 结果输出模块：采用波形图表控件实时展示透过率 - 波数曲线，支持多组数据叠加对比（如不同光程曲线同屏显示）；提供数据导出功能，可将仿真结果保存为 Excel 格式，便于后续用 Origin 进行深入分析，同时支持截图保存当前图表，用于实验报告撰写。

2. 界面交互设计

前面板设计遵循 “简洁直观、功能分区” 原则：左侧为参数输入区，采用数值输入控件与下拉菜单结合，明确标注参数单位（如温度℃、光程 cm）；中间为实时显示区，以波形图为核心，设置坐标轴自动缩放功能，确保曲线清晰展示；右侧为操作功能区，包含 “开始仿真”“暂停”“重置”“数据导出” 等按钮，按钮图标采用 LabVIEW 自带工程化样式，符合工程师操作习惯。

程序后面板通过子 VI 封装关键逻辑，如将 “Voigt 线型计算”“吸收系数推导” 等独立为子 VI，既简化主程序框图，又便于后续功能迭代；采用错误处理机制，当参数输入超出合理范围（如光程为负）时，自动弹出提示对话框，提升系统稳定性。

实验实施流程

1. 课前预习阶段

依托教学平台推送 LabVIEW 基础操作手册，重点讲解 “波形图表调用”“循环结构使用”“数据读写” 等实验相关功能；提供简化版仿真程序示例，学生可通过修改参数观察结果变化，初步理解实验原理；发布预习任务，要求学生基于朗伯 - 比尔定律，预判 “光程增加时透过率变化趋势”，并在平台提交分析报告，教师据此掌握学生预习情况。

2. 课中操作阶段

• 原理讲解：结合系统界面，拆解参数与公式的对应关系，如 “吸收光程 L” 对应控件与公式中光程参数的关联，帮助学生建立 “操作 - 理论” 映射；

• 仿真操作：学生分组完成多组对比实验，如固定温度（25℃）改变光程（5000cm→9000cm），记录透过率变化（从 0.971 降至 0.949）；固定光程改变温度（150℃→-50℃），观察吸收增强现象；

• 深度分析：引导学生调用 Origin 对仿真数据进行拟合，计算积分吸收面积，验证A=NLS关系；结合热力学知识，解释 “温度降低导致透过率下降” 的本质（玻尔兹曼分布使分子更多处于低能级，吸收线强增强）。

3. 课后拓展阶段

要求学生基于现有系统进行功能优化，如增加 “压强参数模拟” 控件，推导压强对吸收系数的影响公式并嵌入程序；优秀实验报告可按学术论文格式修改，尝试投稿相关期刊；开放实验室，学生可预约使用真实光谱设备，对比仿真与真实实验结果差异，分析误差来源（如真实实验中杂散光干扰）。

问题改进与优化

1. 提升拟真度

单一 LabVIEW 仿真难以展示激光传播路径，引入光学设计软件 TracePro 联动：通过 LabVIEW 生成的参数（如激光频率、光斑大小）作为 TracePro 输入，模拟光线在吸收池、探测器等元件间的传播轨迹，生成 3D 可视化动画；在 LabVIEW 界面嵌入 TracePro 动画窗口，学生可直观看到 “激光入射 - 吸收 - 出射” 全过程，解决 “仅见数据不见过程” 的问题。

2. 强化虚实结合

采用 “虚拟仿真 + 实物演示” 模式：教师使用真实光谱仪演示关键操作（如激光校准、探测器调试），强调 “光路对准”“参数校准” 等实操要点；对比仿真与真实实验数据，如仿真中透过率曲线平滑，而真实实验存在微小波动（源于设备噪声），引导学生分析误差类型（系统误差、随机误差）；开放实验室实操机会，学生可将虚拟实验设计的参数方案用于真实设备，验证可行性。

应用效果

1. 教学效果

• 知识掌握：实验后测试显示，学生对朗伯 - 比尔定律公式应用正确率提升 40%，能独立推导积分吸收面积公式；

• 能力提升：85% 学生可熟练使用 LabVIEW 完成简单仿真程序开发，部分学生参与光电设计竞赛，基于该实验技术开发 “光纤传感测量仪”，实现远程数据采集与分析；

• 科研启蒙：通过参数优化、数据拟合、论文撰写等环节，学生初步掌握科研流程，3 篇学生修改后的实验报告成功发表于相关期刊。

2. 工程应用

该系统可拓展至气体检测领域，如修改数据库参数，模拟不同气体（CO₂、CH₄）的吸收特性，为环境监测、工业气体分析等场景提供前期仿真支持；LabVIEW 的硬件兼容性强，可对接实际传感器（如气体浓度传感器），将虚拟系统改造为半实物仿真平台，用于工业人员培训，降低实操风险与成本。