CN103644969B - 一种弹光调制干涉信号预处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种弹光调制干涉信号预处理的方法，属于弹光调制干涉信号的数据处理领域；提供一种对高分辨率弹光调制干涉信号的采样、对一幅完整干涉图的提取并检测干涉图瞬态最大光程差的弹光调制干涉信号预处理的方法；所述高分辨率弹光调制干涉信号的采样，是指采用时钟芯片作为AD转换器的时钟，实现对干涉信号的等时间采样，并以非均匀傅里叶变换算法实现干涉信号的快速傅里叶变换，所述提取一幅完整的干涉图，是指在辐射源为复色光源时，利用零光程差点幅值绝对最大的特性，通过检测相邻两幅干涉图最大值之间的数据量，确定一幅完整干涉图；本发明主要应用在弹光调制干涉信号的数据处理方面。

Description

一种弹光调制干涉信号预处理的方法

技术领域

本发明一种弹光调制干涉信号预处理的方法，属于弹光调制干涉信号的数据处理领域。

背景技术

随着科学研究的深入，对光谱仪器提出了更高的要求。现有的时间调制型傅里叶变换光谱仪的探测速度慢、抗震性能差，不适合在恶劣环境下作业；静态傅里叶变换光谱仪的光谱范围窄、分辨率低，且需要阵列探测器，限制了其在高速光谱测量中的应用。因此，现有的傅里叶变换光谱仪很难满足瞬态光谱探测对探测速度的要求。

弹光调制傅里叶变换光谱仪具有测量速度快、光谱范围宽，抗震性能好、采用点探测器等优点。但是弹光调制器的调制频率高、时间调制，为了完成辐射源的光谱复原，需采用高速采集方法实现干涉图的连续采集，并从连续采集的干涉数据中截取一幅完整的干涉图，进行傅里叶变换。因此，有必要对干涉图的截取技术进行研究。同时，弹光调制器的瞬态最大光程差与其温度、驱动电压、光束的传输路径等有关，是一个变化量，为了实现干涉信号的快速傅里叶变换和波长定标，需对此进行研究。

现有技术均采用非均匀采样方法，对于具体的干涉数据的处理并没有详细说明，因此，为了实现干涉数据的处理和复原光谱的定标，有必要对高分辨率弹光调制干涉信号预处理方法进行研究。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，提供一种对高分辨率弹光调制干涉信号的采样、对一幅完整干涉图的提取并检测干涉图瞬态最大光程差的弹光调制干涉信号预处理的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种弹光调制干涉信号预处理的方法，首先对高分辨率弹光调制干涉信号进行采样，提取一幅完整的干涉图，然后检测干涉图瞬态最大光程差；所述高分辨率弹光调制干涉信号的采样，是指采用时钟芯片作为AD转换器的时钟，实现对干涉信号的等时间采样，并以非均匀傅里叶变换算法实现干涉信号的快速傅里叶变换，其采样频率满足公式：

所述提取一幅完整的干涉图，是指在辐射源为复色光源时，利用零光程差点幅值绝对最大的特性，通过检测相邻两幅干涉图最大值之间的数据量，确定一幅完整干涉图的数据量（N-1)；并以绝对最大值为中心，选择对称的双边数据，两边数据量各为(N-2)／2个，提取一幅完整干涉图的干涉数据。

所述检测干涉图瞬态最大光程差，是指在弹光调制干涉仪瞬态最大光程差未知时，将激光作为参考光源，对一幅干涉图调制时间内的激光干涉图过零计数，根据公式L=0.5·λ_ref·n，计算弹光调制干涉仪的瞬态最大光程差。

所述的过零计数是分别将弹光调制干涉仪的驱动信号和激光干涉信号经高速比较器转换为方波信号，在弹光调制驱动信号转换的方波信号的上升沿或下降沿，开始对激光干涉信号转换的方波信号的上升沿和下降沿进行计数；当弹光调制驱动信号转换的方波信号下降沿或上升沿时，停止计数。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本发明提供了高分辨率弹光调制干涉信号的采样方法和最低采样率的计算方法、一幅整周期干涉图的提取技术和干涉图的瞬态最大光程差计算方法，通过该技术可完整的提取一个周期的干涉信号，提高复原光谱的准确度；同时，通过瞬态最大光程差的测量，可为干涉图的快速傅里叶变换提供数据处理参数，实现复原光谱的波长标定。

附图说明

下面附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明高分辨率弹光调制光谱仪结构框图；

图2为本发明单周期干涉信号提取方法原理图；

图3为本发明激光干涉信号与驱动信号原理图；

图4为本发明激光干涉信号过零比较电路；

图5为本发明经过零比较转换为方波的激光干涉信号和驱动信号图。

图中1为干涉仪、2为高速探测器、3为放大滤波、4为AD转换器、5为FPGA、6为比较电路、7为驱动信号、8为复色光干涉信号、9为激光干涉信号。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

高分辨率弹光调制干涉仪光程差比较大，在可见光和近红外波段光谱探测中，信号频率很高，不能采用传统等相位采样方法实现干涉信号的采样。因此，本发明所述的弹光调制傅里叶变换光谱仪采用时钟芯片作为AD转换器的时钟，实现对干涉信号的等时间采样，并以非均匀傅里叶变换算法实现干涉信号的快速傅里叶变换。为了保证采集干涉图的不失真，其采样频率应满足公式：

经AD转换器采集的干涉数据包含有随时间变化的多幅干涉图，从连续的多个干涉图中提取整周期的一幅干涉图，以完成干涉数据的处理和傅里叶变换，提高复原光谱的准确度。

当辐射源为复色光源时，弹光调制傅里叶变换干涉仪产生的干涉图在零光程差点具有绝对最大值，随着距离零光程差点越远，干涉信号振荡衰减、趋向于零。利用零光程差点幅值绝对最大的特性，可提取一幅完整干涉图的干涉数据。

从连续采集的干涉数据中，确定相邻两幅干涉图的零光程差点的位置，并计算两幅干涉图最大值之间的采样点数N，数据量(N-1)则是一幅完整干涉图的数据量。

从连续采集的干涉数据中，以一个绝对最大值为中心，选择相邻对称的双边数据，两边数据量各为(N-2)／2个。

一幅干涉图的数据为x₀为绝对最大值，总的数据量为(N-1)。

所述的弹光调制干涉仪的最大光程差是一个变化量，与驱动电压、光的传输路径以及谐振状态等有关，为解决瞬态最大光程差的测量、实现干涉数据的处理和复原光谱的标定，采用参考激光作为参考光源，经弹光调制干涉仪产生激光干涉图，并采用对激光干涉图过零计数的方法，测量瞬态最大光程差。

所述的参考激光干涉图过零计数方法，包括参考激光干涉图产生光路***、干涉图过零检测电路以及一幅干涉图的过零计数方法。

所述的干涉图过零检测电路是以高速比较器为核心，对激光干涉图和弹光调制驱动信号分别进行过零检测，转换为方波信号。在弹光调制驱动信号转换的方波信号的上升沿，开始对激光干涉图转换的方波信号的上升沿和下降沿进行计数；当弹光调制驱动信号转换的方波信号下降沿时，停止计数。

瞬态最大光程差计算公式为：L=0.5λ_ref·n。

如图1所示，高分辨率的弹光调制干涉仪1，其核心部件是弹光调制器，弹光调制器是一个热机电耦合器件，其谐振频率大约为50kHz。当驱动信号的频率与弹光调制器的谐振频率相接近时，产生比较大的形变，使两束光产生不同相移。在驱动信号作用下，两束光干涉，产生随时问变化的干涉图。当辐射源和参考激光采用不同的光路作用于弹光调制干涉仪时，将分别产生连续变化的干涉图I(υ)和I_ref(υ)。I(υ)为辐射源的干涉图，辐射源一般为连续光谱，如黑体，白炽灯等，其干涉图如图2所示；I_ref(υ)为参考激光的干涉图，激光为窄带光谱，弹光调制仪产生的激光干涉图如图3所示。

干涉图经高速探测器2转换为微弱的电信号，如采用型号为J15D14-M200-S01m的HgCdTe探测器，在经过1000倍前置放大滤波3电路后，干涉图信号幅值在100mV左右。

为了实现近红外波段，如(3～14)μm波段范围的大气窗口进行探测，且要求光谱分辨率高，如为20cm^-1，为了保证不失真的采集干涉图，减小电路延迟对测量精度的影响，采用等时间采样方法对干涉图进行连续采样。

在干涉图等时间采样方法中，AD转换器4的采样时钟由时钟芯片产生，如：采用时钟发生器AD9524产生一路120MHz的差分信号作为AD转换器4的采样时钟。

在干涉图等时间采样方法中，为了保证采集干涉图的不失真，其采样频率应满足公式：

$f_s\≥{4\mathrm{\ω}}_r\·\frac{\mathrm{\π}}{2}\·m---\left(1\right)$

在公式(1)中，ω_r为弹光调制器驱动信号的频率，且在一个驱动信号周期内产生两幅干涉图。弹光调制器的驱动信号为正弦信号，因此，两束光的相位差为正弦变化。

在公式(1)中，m为在测量波段范围内，频率最小信号在半个调制周期内的振荡次数。如测量波段为(3～14)μm，在光谱分辨率为20cm^-1时，

$m=\frac{1\mathrm{cm}}{20\×3\mathrm{\μm}}=166.7$

在弹光调制干涉仪中，由于两束光的相位差是正弦变化的，导致干涉信号的振荡频率不是均匀变化的，如图3所示，激光干涉图的振荡频率疏密变化，其最高振荡频率是相位差线性变化时的π／2。

因此，根据公式(1)，在满足上述条件时，AD转换器的采样频率应有：

$f_s\≥{4\mathrm{\ω}}_r\·\frac{\mathrm{\π}}{2}\·m=4\×50000\×\frac{\mathrm{\π}}{2}\×167=52\mathrm{MHz}$

为了更完整的复现干涉信号，采样频率一般选择(4：6)倍的信号频率，如选择采样频率为120MHz。

AD转换器4以等时间采样方法采集的干涉数据以并行高速传输方式传输到FPGA5，由FPGA5完成数据的暂存。

当辐射源为红外辐射源或黑体时，AD转换器4连续采集的干涉图如图2中所示的复色光干涉信号8，是随时间顺序变化的。在弹光调制傅里叶变换光谱仪中，为了实现光谱复原，需对一幅完整的干涉图进行处理和傅里叶变换。因此，有必要从连续采集的干涉图中提取一幅完整的干涉图进行处理。

如图2所示，x₀、x₁分别为相邻两幅干涉图的零光程差点，有绝对最大值，且该点为一幅干涉图的中间点。因此，以该点为中心选择双边数据构成一幅干涉图。

在弹光调制傅里叶变换光谱仪中，当弹光调制干涉仪驱动信号的频率、AD转换器的采样频率确定后，一幅干涉图中的采样数据量是确定的。如弹光调制干涉仪的驱动信号频率为50kHz，AD转换器的采样频率为120MHz，则一幅干涉图的数据量为1200个。因此，以干涉图绝对最大值为中心，选择双边数据量都为600个点可构成1201个点的干涉图。

在弹光调制干涉仪中，弹光调制器的驱动频率不是一个固定值，其频率随着驱动电压、温度变化，在50kHz左右漂移。因此，在采样频率确定时，一个周期内采集的数据量是不固定的，也是在1200左右漂移。因此，需确定一幅干涉图的数据量。

在连续采集的数据中，每1200多个点中，包含有一幅干涉图的零光程差点。因此，从连续采集的干涉数据中选择前1200个数据，通过编程确定绝对最大值在数据序列中所对应的位置，设为x₀；同样，再选择[x₀+600，x₀+1800]序列中的数据，确定这1200个数据中绝对最大值在对应序列中的位置x₁。一幅干涉图的数据量为(N-1)，其中，N=x₁+600。

在连续采集干涉数据中，存储的第一个数据一般不是干涉图的第一个数据点。如图2所示的存储的干涉数据第一个点对应干涉图的零光程差点，而不是一幅干涉图最右边点。要选择一幅完整的干涉图，需确定一幅干涉图两个边界点的位置。

为了提取一幅干涉图的左边界，应首先确定第一个零光程差点，即第一个绝对最大值左边的数据量是否包含有半幅干涉图的数据量(N-2)／2。

若第一个零光程差点对应序列位置x₀大于(N-2)／2，则说明x₀的左侧含有半幅干涉图。以x₀为中心，选择[x₀-(N-2)／2，x₀+(N-2)／2]区间内的数据，作为一幅干涉图数据，完成数据处理；若x₀小于(N-2)／2，则说明x₀的左侧没有半幅干涉图，因此，以第二个绝对最大值所对应的位置，选择[x₁-(N-2)／2，x₁+(V-2)／2]区间内的数据，作为一幅干涉图数据。

由上所述，根据相邻绝对最大值位置确定一幅干涉图的数据量，并以最大值为中心，选择两边数据量为(N-2)／2，总数据量为(N-1)个数据，完成一幅干涉图数据的完整选取，从而可提高复原光谱的准确度。

高分辨率弹光调制干涉信号的相位差呈正弦变化，为了实现等时间采样干涉数据的非均匀快速傅里叶变换处理和复原光谱的波长标定，需检测弹光调制干涉仪的瞬态最大光程差L。

瞬态最大光程差为：

$L=0.5{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ref}}\·n---\left(2\right)$

式中，λ_ref为激光波长，选择激光波长越短，计算的最大光程差准确度越高，但要求比较器的速度越高；n为一个半个调制周期内，激光干涉图的过零次数。

如图3所示，激光干涉信号9是一个频率疏密变化的余弦波，且余弦波的两个相邻过零点之间的距离为半个波长。若对弹光调制干涉仪驱动信号7的半个周期内激光干涉信号过零比较、计数，可检测出这副激光干涉信号9所对应的弹光调制干涉仪的瞬态最大光程差。因此，采用激光作为参考光源，通过弹光调制干涉仪1产生激光干涉图I_ref(υ)。

在图1中，参考激光干涉图经高速探测器2光电转换、并经过窄带放大滤波3后，输入到比较电路6，实现正弦波到方波的转换。

为了实现一幅激光干涉图的计数，需确定计数器的周期。弹光调制干涉仪驱动信号的周期是一幅干涉图周期的两倍。因此，利用此特性，对半个驱动信号内的激光干涉信号9过零次数n进行计数。

在弹光调制干涉仪光谱分辨率高时，最大光程差比较大，因此，干涉信号的振荡频率比较高。如在干涉仪光谱分辨率为20cm^-1、采用632.8nm的激光为参考光源，激光干涉信号的最高振荡频率为：

$f_{\mathrm{Laser}}=\frac{L}{0.5\×632.8\mathrm{mm}}\×\frac{\mathrm{\π}}{2}\×{2\mathrm{\ω}}_r$

其中，L=1cm／20=0.5mm，ω_r为弹光调制干涉仪驱动频率，如为50kHz。

因此，激光干涉信号的最高振荡频率为248MHz。

为了实现高频激光干涉信号的过零检测，则需采用超高速比较器。如采用双通道的超高速双通道比较器IT1715。

超高速双通道比较器IT1715，其响应时间达到了4ns级，满足最高振荡频率250MHz的激光干涉信号过零检测。

当干涉信号的光谱分辨率高于20cm^-1时，很难找到更高速度的比较器，可采用较长波长的激光器作为参考光源。如：15550nm的近红外激光器。此时降低了瞬态最大光程差的计算准确度。

在弹光调制干涉仪的一个驱动周期内，产生两幅干涉图。驱动信号为正弦信号，将调制信号经比较器转换为方波信号。在方波上升沿时，触发计数器，开始对激光过零检测的方波信号进行计数，在下降沿时停止计数。

如图4所示，超高速双通道比较器IT1715有两路比较器，INA+接弹光调制干涉仪驱动信号7，OUTA为转换成方波的驱动信号；INB+接激光干涉信号9，OUTB为转换成方波的激光信号。

为了减小噪声对过零计数的影响，在比较器的负端INA-和INB-，通过对5V的电压进行分压，增加0.1V的微小信号。

如图5所示，经比较器输出的方波驱动信号7和方波激光干涉信号9。将两个信号输入到图1的FPGA5实现计数处理。在OUTA为上升沿时，计数器开始工作，在OUTB的上升沿和下降沿计数值加1；在OUTA下降沿来临时，计数器停止工作；在OUTA为下降沿时，计数器开始工作，在OUTB的上升沿和下降沿计数值加1；在OUTA上升沿来临时，计数器停止工作。

利用所述的公式(2)，测量该幅干涉图的最大光程差。

本发明采用参考激光和弹光调制干涉仪的驱动信号，可实现干涉图的最大光程差的准确测量，以便干涉数据的准确处理和光谱复原。

以上所述仅为本发明的优选实施技术，并不仅限于本发明。对本领域的技术人员来说，在本发明实质范围内所做的变化、改型、或者替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种弹光调制干涉信号预处理的方法，首先对高分辨率弹光调制干涉信号进行采样，提取一幅完整的干涉图，然后检测干涉图瞬态最大光程差；其特征在于：所述高分辨率弹光调制干涉信号的采样，是指采用时钟芯片作为AD转换器的时钟，实现对干涉信号的等时间采样，并以非均匀傅里叶变换算法实现干涉信号的快速傅里叶变换，其采样频率满足公式：上式中，ω_r为弹光调制器驱动信号的频率，且在一个驱动信号周期内产生两幅干涉图；m为在测量波段范围内，频率最小信号在半个调制周期内的振荡次数；所述提取一幅完整的干涉图，是指在辐射源为复色光源时，利用零光程差点幅值绝对最大的特性，通过检测相邻两幅干涉图最大值之间的数据量，确定一幅完整干涉图的数据量N-1，N为相邻两幅干涉图最大值之间的采样点数；并以绝对最大值为中心，选择对称的双边数据，两边数据量各为(N-2)/2个，提取一幅完整干涉图的干涉数据；所述检测干涉图瞬态最大光程差，是指在弹光调制干涉仪瞬态最大光程差未知时，将激光作为参考光源，对一幅干涉图调制时间内的激光干涉图过零计数，根据公式L＝0.5·λ_ref·n，计算弹光调制干涉仪的瞬态最大光程差，上式中，λ_ref为激光波长，n为一个半个调制周期内，激光干涉图的过零次数。

2.根据权利要求1所述的一种弹光调制干涉信号预处理的方法，其特征在于：所述的过零计数是分别将弹光调制干涉仪的驱动信号和激光干涉信号经高速比较器转换为方波信号，在弹光调制驱动信号转换的方波信号的上升沿或下降沿，开始对激光干涉信号转换的方波信号的上升沿和下降沿进行计数；当弹光调制驱动信号转换的方波信号下降沿或上升沿时，停止计数。