基于光柵信號(hào)控制干涉圖數(shù)據(jù)采樣方法研究

任興

摘 要：本文介紹了紅外光譜儀的發(fā)展，給出常用He-Ne激光控制干涉圖采樣的方法，并提出了一種基于光柵信號(hào)控制采樣的方法。在傅里葉變換紅外光譜儀中，干涉儀是其核心部件。紅外光譜圖由干涉圖進(jìn)行傅里葉逆變換得到，必須對(duì)等距離光程差采樣才能得到完整干涉圖。光柵柵距與位移一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，不僅保證了等光程差采樣，而且光柵副與干涉儀集成，便于紅外光譜儀系統(tǒng)小型化。

關(guān)鍵詞：傅里葉變換紅外光譜儀 光柵信號(hào) 干涉圖 He-Ne激光 等光程差

中圖分類號(hào)： TH744.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

紅外光譜儀是進(jìn)行光譜學(xué)研究和物質(zhì)光譜分析的儀器，通過對(duì)光譜的測(cè)量來完成對(duì)光源的分析、材料光學(xué)屬性測(cè)試和物質(zhì)成分的鑒定。隨著計(jì)算機(jī)、激光、光電子學(xué)及先進(jìn)加工工藝的不斷發(fā)展和引入，并伴隨光譜學(xué)與化學(xué)計(jì)量技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，使得光譜學(xué)快速發(fā)展，紅外光譜儀的性能不斷提高且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。紅外光譜儀作為紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用載體，因其操作簡(jiǎn)便、快速、非破壞性以及多組分同時(shí)定量分析測(cè)試等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)和軍用領(lǐng)域，例如各種生物檢測(cè)、生物化學(xué)分析、天文研究、工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)等，能夠?qū)ξ镔|(zhì)的輻射進(jìn)行研究、對(duì)物質(zhì)的吸光屬性研究、對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究以及物質(zhì)的定性和定量光譜分析等。

1 紅外光譜儀發(fā)展

20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了第一臺(tái)紅外光譜儀是基于棱鏡對(duì)紅外輻射色散實(shí)現(xiàn)的分光，不過棱鏡材料容易吸水潮解，使用時(shí)需恒溫恒濕，而且分辨率低，造價(jià)高。20世紀(jì)60年代隨著光柵技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，利用光柵分光原理制成第二代紅外光譜儀，它比棱鏡式能量高、分辨率高、價(jià)格便宜、使用條件低，但是儀器掃描速度慢，應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)70年代，傅里葉變換紅外光譜儀問世。它是基于光的空間相干性原理而設(shè)計(jì)，不同于色散型棱鏡和光柵型光譜儀，傅里葉變換紅外光譜儀被稱作第三代紅外光譜儀。

傅里葉變換紅外光譜儀具有以下特點(diǎn)：（1）測(cè)量速度快。動(dòng)鏡掃描一次的時(shí)間大約為1秒，這其中包含了光源的所有信息。這種快速的掃描方式可以快速跟蹤化學(xué)反應(yīng)，在線監(jiān)測(cè)氣體和液體的樣品。（2）靈敏度高。傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)使用整個(gè)光源的波段測(cè)量，信號(hào)強(qiáng)度大，通過調(diào)節(jié)掃描次數(shù)可增加信噪比。（3）分辨率高。分辨率是指分辨兩條譜線的能力，傅里葉變換紅外光譜儀的分辨率取決于動(dòng)鏡移動(dòng)的最長距離，動(dòng)鏡移動(dòng)的距離越長，分辨率越高。（4）測(cè)定范圍寬。光源和分光鏡決定了整個(gè)光譜儀的測(cè)量范圍，現(xiàn)在紅外光譜儀可以研究整個(gè)紅外區(qū)的光譜（12800～10cm-1）。

傅里葉變換紅外光譜儀，簡(jiǎn)稱FTIR。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傅里葉變換紅外光譜儀包括光源系統(tǒng)、干涉儀、探測(cè)器、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)五部分。光譜儀可分為開放式和封閉式兩種，開放式傅里葉變換紅外光譜儀前置望遠(yuǎn)鏡，用于接收外界的光線，適用于遙測(cè)，既可測(cè)未知光線的波長，又可測(cè)被測(cè)區(qū)域的物質(zhì)信息。區(qū)別于開放式光譜儀，封閉式光譜儀有獨(dú)立的內(nèi)置光源，可進(jìn)行定性和定量分析。

不論開放式光譜儀還是封閉式光譜儀，從外界環(huán)境接受的光還是內(nèi)置光源發(fā)出的光，經(jīng)過匯聚后平行入射干涉儀，轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀夂笳丈錁颖?，通過探測(cè)器接收經(jīng)過樣本后的干涉光強(qiáng)，從光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)，由信號(hào)采集系統(tǒng)控制采集，得到帶有樣本信息的干涉光信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換得到光譜圖。

從紅外光譜圖可以測(cè)出已知或未知光源的波長，因此紅外光譜圖的完整與否是一個(gè)非常重要的部分。紅外光譜儀中最重要的部件是干涉儀，干涉儀性能的優(yōu)劣直接決定了紅外光譜儀的參數(shù)指標(biāo)。紅外光譜圖由干涉圖傅里葉逆變換得到，光譜學(xué)基本方程為：

H（σ）表示波數(shù)為σ單色光源的光強(qiáng)，I（δ）表示光程差為δ時(shí)，探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度。從上面的基本方程可以看出在干涉儀動(dòng)鏡移動(dòng)過程中，每一個(gè)無限小的光程差都要采集數(shù)據(jù)才能得到干涉圖，因此必須在動(dòng)鏡移動(dòng)過程中在相等距離位置上采集數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)點(diǎn)組成干涉圖，然后對(duì)這個(gè)干涉圖進(jìn)行傅里葉逆變換得到紅外光譜圖。實(shí)際中，不可能在無線小的光程差采樣，只能在比較小的相等距離位置上采樣，即等光程差采樣。根據(jù)紅外光譜儀等光程差采樣的要求，本文提出了基于光柵控制采樣的方法。

2 He-Ne激光控制采集干涉信號(hào)

干涉信號(hào)的采樣一般是用He-Ne激光器控制的，如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的干涉儀為雙角鏡差動(dòng)干涉儀，干涉儀系統(tǒng)由光源發(fā)出光線光經(jīng)過分束鏡，分成透射光和反射光，這兩路光線經(jīng)過定鏡反射后，入射到背靠背兩個(gè)雙角鏡，雙角鏡由四面鏡子組成，互相成90°。光線經(jīng)過雙角鏡反射，返回分束鏡發(fā)生干涉，干涉信號(hào)由探測(cè)器接收。兩個(gè)角鏡同時(shí)固定在基座上，基座與絲杠配合，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，從而兩路光線產(chǎn)生光程差。

因?yàn)镠e-Ne激光的頻率穩(wěn)定，光譜帶寬非常窄，相干性很好，得到的干涉圖認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的余弦波。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，用He-Ne激光干涉信號(hào)的一個(gè)或者半個(gè)余弦波作為觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集干涉圖樣，認(rèn)為是等光程差采樣。從圖1可看出，在干涉儀中加入He-Ne激光干涉系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且He-Ne激光器的體積較大，不利于整個(gè)系統(tǒng)小型化。

3 光柵信號(hào)控制采集干涉信號(hào)

由于He-Ne激光器體積大，并使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜，考慮到干涉光等光程差采樣的要求，本文提出了一種基于光柵信號(hào)控制干涉信號(hào)采樣的方法。

光柵是刻畫在玻璃尺或金屬尺上，類似于刻線標(biāo)尺或度盤那樣的密集刻線，可以測(cè)量長度（或直線位移）和角度（或角位移）。利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測(cè)量的光柵成為計(jì)量光柵。計(jì)量光柵按照用途有圓光柵和長光柵之分，用于測(cè)量角度或者角位移的光柵成為圓光柵，用來測(cè)量長度或者直線位移的光柵稱為長光柵。按光線的走向分為透射光柵和反射光柵，本設(shè)計(jì)中使用透射式長光柵傳感器。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵和指示光柵之間有相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光柵上會(huì)出現(xiàn)莫爾條紋，光電元件上會(huì)接收到明暗相間的條紋經(jīng)過電路處理，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出。

光柵傳感器具有如下特點(diǎn)：①精度高。光柵式傳感器測(cè)量大位移或者大長度時(shí)，具有很高精度。②大量程測(cè)量兼有高分辨力。光柵傳感器的柵距后續(xù)可進(jìn)行電路細(xì)分，可達(dá)到5nm的分辨率。③可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。光柵副之間只要發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，便會(huì)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，利用這個(gè)脈沖信號(hào)可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。④具有較強(qiáng)的抗干擾能力。光柵傳感器主要用于實(shí)驗(yàn)條件下，也可以在環(huán)境較好的車間中使用。

光柵副之間的相對(duì)移動(dòng)量與位移有著嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)光柵讀數(shù)頭與動(dòng)鏡座固定，光柵尺貼在底座上。當(dāng)動(dòng)鏡座移動(dòng)時(shí)，讀數(shù)頭與光柵尺之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光柵讀數(shù)頭移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)。用光柵輸出的數(shù)字信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集卡的外部觸發(fā)源觸發(fā)采樣，實(shí)現(xiàn)干涉圖等光程差的采樣要求，可得到完整光譜圖。光柵傳感器不僅分辨率高，而且尺寸小，便于集成，有利于光譜儀系統(tǒng)小型化。光柵傳感器設(shè)計(jì)安裝如圖3所示。

4 結(jié)語

采用傳統(tǒng)He-Ne激光控制采集干涉信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)雜，為了使傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小型化，本文提出的利用光柵信號(hào)控制采集干涉信號(hào)的方法。該種方法對(duì)光譜儀的小型實(shí)用化具有非常重要的意義。

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