CN105136299A - 一种基于pem的新型红外光谱反演方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外光谱反演方法，具体涉及一种基于PEM的新型红外光谱反演方法及其装置，是一种采用弹光调制干涉具、无需知道零光程差点、高通量的红外光谱测量方法；提出一种非傅里叶变换的新型PEM红外光谱反演方法，该方法只需以PEM驱动频率为参考，以等时间采样方式采集一个驱动周期的干涉信号，无需知道零光程差点；最大光程差以短波长、单色性较好的632.8nm的氦氖激光器为参考得到；对PEM调制的干涉信号进行快速傅里叶变换，得到矩阵B，通过最大光程差<i>L</i>₀和测量光谱波段范围得到系数矩阵A，由公式得到被测光光谱；本发明主要应用在红外光谱反演方法方面。

Description

一种基于PEM的新型红外光谱反演方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种红外光谱反演方法，具体涉及一种基于PEM的新型红外光谱反演方法，是一种采用弹光调制干涉具、无需知道零光程差点、高通量的红外光谱测量方法。

背景技术

红外光谱测量技术及仪器在科学研究、环境监测、航天、军事、安全生产和化学分析等方面有广泛的应用和迫切的需求。由于弹光调制器（PhotoelasticModulator，PEM）的通光角孔径大、受光面积大、调制频率快、光谱范围宽等优点，使得PEM干涉具在大视场、高速度、宽光谱测量中具有不可比拟的优势。

PEM干涉具的调制频率一般在20kHz-60kHz，理论上通过对PEM调制被测光的干涉信号傅里叶变换就可以得到被测光谱。但是PEM调制光程差并不是随着时间是线性的，无法使用快速傅里叶变换反演算法；采用波长较短、单宽极窄的激光作为参考光源实现等光程差采样，但硬件上实现非常困难，且目前国内外未见到PEM光谱仪采用等光程差采样；而等时间采样的干涉数据不满足笛卡尔网格采样条件，不能利用快速傅里叶变换算法；文献[PEM-FTS非线性干涉信号的快速光谱反演算法，中国激光.2013，40(5):0515001]采用对等时间采样干涉信号插值为等光程差的干涉信号，再对其进行快速傅里叶变换得到反演光谱，即所谓的非均匀快速傅里叶变换，虽然该方法一定程度上解决了PEM光谱仪光谱反演的问题，但是该方法插值存在误差，并且需要得到零光程差的干涉强度和最大光程差才可以正确反演光谱，最大光程差可以通过采用波长较短的激光作为参考得到，但零光程差的干涉信号不一定真实采集到，往往是通过插值得到，这样就对反演光谱造成一定误差。

发明内容

针对现有PEM光谱测量中无法实现等光程采样、且零光程差无法真正采集到等原因造成的傅里叶光谱反演存在误差，提出一种非傅里叶变换的新型PEM红外光谱反演方法，该方法只需以PEM驱动频率为参考，以等时间采样方式采集一个驱动周期的干涉信号，无需知道零光程差点；最大光程差以短波长、单色性较好的632.8nm的氦氖激光器为参考得到。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于PEM的新型红外光谱反演方法的装置，包括测量光路、实时检测PEM调制最大光程差的参考光路和电脑；测量光路由起偏器、PEM调制器、检偏器和高速红外点探测器组成，实时检测PEM调制最大光程差的参考光路由氦氖激光器、第二起偏器、反射镜、PEM调制器、反射镜、第二检偏器和高速可见光电探测器组成；电脑用于控制PEM及对数据进行处理。

起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向互相垂直，PEM调制器的方向与起偏器的偏振方向成45°角，第二起偏器的偏振方向与检偏器的偏振方向互相垂直，起偏器和第二起偏器的偏振方向为45°，PEM调制器的方向为0°，检偏器和第二检偏器的偏振方向为-45°。

一种基于PEM的新型红外光谱反演方法，按照以下步骤进行：

a、对PEM调制的干涉信号进行快速傅里叶变换，得到矩阵B：

b、通过最大光程差L ₀和测量光谱波段范围得到系数矩阵A：

c、由得到被测光光谱。

最大光程差L ₀由实时检测PEM调制最大光程差的参考光路得到，检测最大光程差光路的光源采用波长较短、单色性较好的632.8nm氦氖激光器。

最低采样率应以测试光谱波段最小波长、PEM驱动频率f和PEM调制最大光程差L ₀为参考，采样率应大于等于。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：

该方法无需对PEM调制的非线性光程差进行插值，减小了插值带来的误差；该方法也无需完全采集到零光程差对应的干涉信号强度，由于PEM调制的干涉信号是以PEM驱动频率为周期的正弦周期信号，因此只需采集时间长度的PEM调制干涉信号即可，与采样的起始点和结束点无关；因此，该方法采集干涉信号更为方便，结果更为准确。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为基于PEM的新型红外光谱测量装置；

图2为PEM驱动信号与PEM调制干涉信号图；

图3为PEM调制干涉信号频谱图。

图中1为起偏器、2为PEM调制器、3为检偏器、4为高速红外点探测器、5为氦氖激光器、6为第二起偏器、7为反射镜、8为反射镜、9为第二检偏器、10为高速可见光电探测器、11为电脑。

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。

如图1所示，一种基于PEM的新型红外光谱反演方法的装置，被测光依此通过起偏器1、PEM调制器2、检偏器3和高速红外点探测器4构成测量光路；实时检测PEM调制最大光程差的参考光路由氦氖激光器5、第二起偏器6、反射镜7、PEM调制器2、反射镜8、第二检偏器9和高速可见光电探测器10组成；电脑11用于控制PEM及对数据进行处理。

为了消除干涉信号中直流的影响和提高干涉信号的对比度，起偏器1的偏振方向与检偏器3的偏振方向互相垂直，PEM调制器2的方向与起偏器1的偏振方向成45°角，同理，第二起偏器6的偏振方向与第二检偏器9的偏振方向互相垂直，为了方便，取起偏器1和第二起偏器6的偏振方向为45°，PEM调制器2的方向为0°，第一检偏器3和第二检偏器9的偏振方向为-45°。

具体如下：

光经过起偏器1、PEM调制器2和检偏器3后的调制干涉信号为：

(1)

其中，和分别为被测光中的最小波长和最大波长，为PEM调制器的最大调制光程差，为PEM调制器的驱动频率。

(1)式可近似写为：

(2)

其中，，，，将上式按Bessel展开得：

(3)

其中，为i级Bessel系数，将上式省去直流成分可写为：

(4)

设上式方程的系数矩阵A、光谱矩阵I(λ)和矩阵B分别为：

，，.(5)

因此(5)式可表示为：

(6)

为了使上式方程可解，取N=M，其中M是由最大光程差L ₀和被测光最小波长决定，结合(1)式可得，PEM调制的干涉信号的最高频率为：

(7)

由(3)、(4)式可知，PEM调制的干涉信号频谱只有频率是PEM驱动频率f偶数倍的信号，因此：

(8)

其中，int[X]表示不超过X的最大整数。

矩阵B由PEM调制干涉信号频谱得到，其频谱中只有以PEM驱动频率f偶数倍的频率信号，因此只需以PEM驱动频率f为参考，采集时间长度的PEM调制干涉信号做快速傅里叶变换就可得到矩阵B。

由上述及(6)式可得被测光谱矩阵I(λ)为：

(9)

其中光谱分辨率，因此光谱分辨率与被测光的光谱范围、最小波长及PEM调制的最大光程差有关，PEM调制的最大光程差L ₀由氦氖激光器5、第二起偏器6、反射镜7、PEM调制器2、反射镜8、第二检偏器9和高速可见光电探测器10组成检测光路得到。

具体实施方式如下：

基于PEM的新型红外光谱反演方法的具体实施方式参数如下：

被测波段范围：4μm-8μm；

PEM驱动频率：f=50kHz；

PEM调制最大光程差：L ₀=520μm；

PEM中弹光晶体材料：硒化锌(ZnSe)；

光谱分辨率：。

将波段范围为4μm-8μm的某复色光，经驱动频率f=50kHz的PEM调制后，其中PEM调制最大光程差L ₀=520μm，由上式(1)式可得PEM调制的归一化干涉信号如图2所示。由图2可以看出PEM调制的干涉信号是以为周期的周期信号。

将最小测量波长、L ₀=520μm和f=50kHz带入(7)式得到PEM调制干涉信号的最高频率为：

(10)

根据香农定理可知，采样率应大于等于二倍的信号最高频率，因此采样率应大于等于。截取一个调制周期0.02ms的干涉信号做快速傅里叶变换后得到PEM调制干涉信号的频谱归一化如图3所示，由图3可以看出，该频谱中只有PEM驱动频率f=50kHz偶数倍的信号（即只包含有100kHz整数倍的信号），由该频谱可得到(5)式中矩阵B：

(11)

由(8)式可得：

(12)

光谱分辨率：

(13)

将被测波段范围4μm-8μm分为N=408等份，取每一份的中心波长为，即的波长，因此带入(5)式得被测光谱矩阵I(λ)为：

(14)

同理，将波长和PEM调制的最大光程差L ₀=520μm带入(5)式得系数矩阵A为：

(15)

由上述及(9)式可得被测光谱矩阵I(λ)为：

(16)

最后通过光谱辐射定标得到被测光光谱。

本发明采集的PEM调制干涉信号只需一个完整的PEM驱动信号周期，无需知道零光程差点、无需插值，只需采集时间长度的PEM调制干涉信号即可，与采样的起始点和结束点无关。

Claims (5)

1.一种基于PEM的新型红外光谱反演方法的装置，其特征在于：包括测量光路、实时检测PEM调制最大光程差的参考光路和电脑（11）；测量光路由起偏器（1）、PEM调制器（2）、检偏器（3）和高速红外点探测器（4）组成，实时检测PEM调制最大光程差的参考光路由氦氖激光器（5）、第二起偏器（6）、反射镜（7）、PEM调制器（2）、反射镜（8）、第二检偏器（9）和高速可见光电探测器（10）组成；电脑（11）用于控制PEM及对数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于PEM的新型红外光谱反演方法的装置，其特征在于：起偏器（1）的偏振方向与检偏器（3）的偏振方向互相垂直，PEM调制器（2）的方向与起偏器（1）的偏振方向成45°角，第二起偏器（6）的偏振方向与检偏器（9）的偏振方向互相垂直，起偏器（1）和第二起偏器（6）的偏振方向为45°，PEM调制器（2）的方向为0°，检偏器（3）和第二检偏器（9）的偏振方向为-45°。

3.一种基于PEM的新型红外光谱反演方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

a、对PEM调制的干涉信号进行快速傅里叶变换，得到矩阵B：

b、通过最大光程差L ₀和测量光谱波段范围得到系数矩阵A：

c、由得到被测光光谱。

4.根据权利要求3所述的一种基于PEM的新型红外光谱反演方法，其特征在于，最大光程差L ₀由实时检测PEM调制最大光程差的参考光路得到，检测最大光程差光路的光源采用波长较短、单色性较好的632.8nm氦氖激光器。

5.根据权利要求3所述的一种基于PEM的新型红外光谱反演方法，其特征在于，最低采样率应以测试光谱波段最小波长、PEM驱动频率f和PEM调制最大光程差L ₀为参考，采样率应大于等于。