基于靜態(tài)傅里葉變換干涉系統(tǒng)的光譜數(shù)據(jù)處理

　　摘 要：設(shè)計(jì)了一種利用靜態(tài)傅里葉變換干涉系統(tǒng)的光譜分析算法，可以通過(guò)靜態(tài)條紋獲取光譜分布函數(shù)及波長(zhǎng)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)采用五種不同波長(zhǎng)的激光器，用M2CL-CCD探測(cè)器采集得到干涉條紋，再經(jīng)該算法得到光譜信息，與用Q857B型光譜儀產(chǎn)生的光譜信息作比較。應(yīng)用主成分分析法計(jì)算得到波長(zhǎng)主峰和幾個(gè)次峰的相似度總和大于0.95，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知該算法實(shí)現(xiàn)了光譜分辨率132.1cm-1的光譜分析。
　　關(guān)鍵詞：光譜學(xué) 靜態(tài)傅里葉變換干涉儀 激光光譜分析
　　中圖分類號(hào)：O436文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2012）09（a）-0005-01
　　種類繁多的光譜分析儀已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、公安、國(guó)防和教學(xué)等領(lǐng)域，以邁克爾遜干涉儀原理為基礎(chǔ)的[1，2]干涉儀居多，而從光程掃描方式[3]上看主要是時(shí)間掃描的，這種方式分辨率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差，而采用靜態(tài)傅里葉變換干涉儀[4]可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高穩(wěn)定性，可以較好的應(yīng)用于實(shí)時(shí)遙測(cè)領(lǐng)域。現(xiàn)有的光譜分析軟件主要是基于對(duì)時(shí)間型干涉儀形成的干涉條紋的傅里葉變換，要研究對(duì)應(yīng)靜態(tài)傅里葉變換干涉儀分析光譜的光譜分析軟件，必須從分析靜態(tài)干涉儀本身的原理入手。本文研究的是在靜態(tài)傅里葉變換條件下空間干涉條紋的光譜分析算法。
　　1 探測(cè)原理
　　入射激光經(jīng)過(guò)靜態(tài)傅里葉變換干涉儀產(chǎn)生空間干涉，又因?yàn)榭臻g干涉條紋與光源的光譜分布存在傅里葉變換關(guān)系，采集并分析干涉條紋即可得到待測(cè)激光的光譜信息。圖1是激光入射干涉儀的干涉原理示意圖，當(dāng)激光入射AA’BB’面，經(jīng)BDB’D’半透半反面分為兩束，分別由全反面ADA’D’、CDC’D’反射后，由BCB’C’面射出，再由透鏡聚焦到CCD上。當(dāng)激光入射靜態(tài)傅里葉變換干涉儀后，由柱面鏡匯聚到CCD上，CCD選取12位灰度值數(shù)據(jù)采集模式，將得到的干涉條紋轉(zhuǎn)化成1024個(gè)灰度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為.txt，在編程中由數(shù)組SHUJU[1024]表示。
　　2 程序設(shè)計(jì)
　　實(shí)驗(yàn)采用折射率n=1.46、邊長(zhǎng)30mm、斜楔角度0.1°的靜態(tài)傅里葉變換干涉儀，激光中心波長(zhǎng)857nm，由CameraLink公司M2CL型線陣CCD探測(cè)器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB連接PC，數(shù)據(jù)采集窗口將由CCD采集得到的干涉條紋數(shù)據(jù)加載到SHUJU[1024] 數(shù)組中，并繪制數(shù)據(jù)圖。選取857nm激光器采集的干涉條紋進(jìn)行分析，如圖2所示。
　　3 數(shù)據(jù)分析
　　按照實(shí)驗(yàn)原理再將532nm、660nm、780nm、980nm的標(biāo)準(zhǔn)激光器入射時(shí)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)與由本算法得到的光譜信息進(jìn)行比較，對(duì)比如表1。
　　理論上五個(gè)值應(yīng)該是完全一致的，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CCD采集后再經(jīng)過(guò)本算法處理的數(shù)據(jù)是開(kāi)放條件下的，有背景光的干擾，背景光的增強(qiáng)造成的白噪聲提高了探測(cè)器采集得到的干涉條紋的整體亮度，對(duì)應(yīng)的造成光譜特征基線增大、最大值與基線值的差減小，影響探測(cè)精度。而用Q857B型光譜儀測(cè)量時(shí)是用光纖導(dǎo)入激光的，幾乎沒(méi)有背景光的影響，所以在相對(duì)不是主峰的光譜位置上會(huì)引入一定的誤差。在5組波長(zhǎng)的激光光譜分析中，主峰（Z1）及次主峰（Z2，Z3）的相似度總和在95%以上就足以說(shuō)明光譜分析的正確性。
　　4 結(jié)論
　　設(shè)計(jì)了一種適合靜態(tài)光譜分析的算法，并用C#語(yǔ)言編譯成軟件。該軟件可用于靜態(tài)傅里葉變換產(chǎn)生的干涉條紋的頻譜變換。通過(guò)對(duì)五個(gè)波長(zhǎng)激光的干涉實(shí)驗(yàn)可知，本算法得到光譜數(shù)據(jù)與Q857B型光譜儀得到的光譜數(shù)據(jù)儀有很好的相關(guān)性。將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，對(duì)同一個(gè)波長(zhǎng)的光譜分析在主峰及次主峰的相似度總和在95%以上，證明用本算法分析靜態(tài)傅里葉變換是可行的。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]呂高旭.Visual C#范例精要解析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
　　[2]唐義，倪國(guó)強(qiáng).基于邁克耳遜干涉儀的空間調(diào)制型干涉成像光譜儀[J].光學(xué)技術(shù)，2007.
　　[3]劉智超，張記龍，閻鶴，等.一種投影式激光方向測(cè)量方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2008.
　　[4]Dilip K.C. Examination of the Long-Path Open-air FTIR Technique for Air Monitoring in the State of Kentucky[J].SPIE，1995，Vol.2365：347-35