邁克爾遜干涉儀在紅外遙測領域的應用研究

吳鋒明

（杭州譜育科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 311305）

邁克爾遜干涉儀作為一種光學儀器，主要是通過光波振幅分割方式，達到干涉的目的，有助于相對論建立的同時[1]，在一定程度上促進了物理學發(fā)展?，F(xiàn)階段，按照邁克爾遜干涉儀原理研究出的各種儀器，已經(jīng)在科研及生產(chǎn)領域被廣泛應用，具備較大的發(fā)展前景，因此對其在紅外遙測領域的應用進行研究意義重大，本文對此進行檢驗分析，具體如下。

1 邁克爾遜干涉儀工作原理

邁克爾遜干涉儀工作原理為：通過分光鏡，將一束射入光分為兩束后，經(jīng)過平面鏡進行范圍，由于這兩束光存在相同的振動方向及頻率，同時擁有恒定的相位差，因此可發(fā)生干涉。干涉環(huán)節(jié)，可對干涉臂長度進行調(diào)節(jié)，或改變介質折射率，對光程進行控制，最終獲得不同的干涉圖樣。干涉條紋屬于等光程差的軌跡，所以，若下井對某種干涉圖樣進行分析，需要通過實際計算，獲得相關光程差位置分布函數(shù)。如果干涉條紋出現(xiàn)移動情況，說明場點對應的光程差出現(xiàn)了變化，導致這一情況的原因較多，可能是光路中某段機制折射率產(chǎn)生了變化，或者光線長度有所變化，也可能使薄膜厚度出現(xiàn)了變化。邁克爾遜干涉儀原理圖如圖1 所示。

圖1 邁克爾遜干涉儀原理圖

經(jīng)不斷發(fā)展，邁克爾遜干涉儀逐漸被應用于紅外遙測領域，例如傅里葉紅外吸收光譜儀，主要是通過邁克爾遜干涉原理開展光譜測量工作，在傅里葉變換下，得到樣品拉曼光譜或紅外吸收光譜。相比于棱鏡光譜儀，測量時間更短，光譜信噪比更高。傅里葉變換光譜儀光源發(fā)出的光，屬于通過邁克爾遜干涉儀轉變成的干涉光。利用干涉光照射樣品，進而獲得干涉圖，隨后通過計算機，將干涉圖實施傅里葉變換即可獲得紅外吸收光譜。此外，在干涉成像光譜技術方面，該技術屬于可見光紅外遙感器的前沿科學，可用于地球科學、天文物理研究等方面，也可用于軍事偵察中，獲得難以發(fā)現(xiàn)的軍事目標，對武器型號及種類進行判斷。由此可見，邁克爾遜干涉儀在紅外遙測領域具備較大的應用價值。

2 基于邁克爾遜干涉儀的光譜測試系統(tǒng)的優(yōu)勢

第二，光譜相應范圍寬，測試時間快。干涉調(diào)制光譜測試系統(tǒng)中存在的探測器，能夠進行光源全部頻譜信息測試，不過光柵分光下的光譜測試系統(tǒng)，不具備較寬的測量波束范圍，相比而言，干涉光譜測試系統(tǒng)擁有更快的測試時間，若需測量的光譜通道數(shù)量為N，T 為測量總時間，光柵分光下的光譜測試系統(tǒng)各通道平均測量時間為T/N，干涉光譜測試系統(tǒng)，能夠同時測量所有通道，各通道測量時間均為T，得出該系統(tǒng)的信噪比更高。

第三，分辨率高，掃描速度快。干涉光譜測試系統(tǒng)分辨率受光程差影響，光程差不斷增大下，系統(tǒng)分辨率也隨之提升，在指定波長范圍內(nèi)，若想達到給定的分辨率，將動鏡掃描距離增加即可，分辨率能達到0.1～0.005cm-1。在掃描速度上，干涉光譜測試系統(tǒng)應用環(huán)節(jié)，邁克爾遜干涉儀中的動鏡經(jīng)過一次移動，即可將所有信息采集到。動鏡移動速度決定著掃描速度，為提升信噪比，應實施多次測量，求取平均值，可達到光柵調(diào)制光譜測試系統(tǒng)的十倍以上。此外，邁克爾遜干涉儀的光譜測試系統(tǒng)還具備較高的波數(shù)精度，能夠更加準確的確定出動鏡位置，波數(shù)精度可達到0.01cm-1。

3 基于邁克爾遜干涉儀的紅外光譜測試系統(tǒng)設計

本文提出的邁克爾遜干涉儀的紅外光譜測試系統(tǒng)，主要包括三個部分，第一個部分為光學系統(tǒng)、第二個部分為步進掃描控制模塊，第三個部分為探測器驅動及干涉信號采集模塊。其中第一部分中的光學系統(tǒng)就是邁克爾遜干涉儀，主要的作用就是產(chǎn)生干涉光；第二部分的步進掃描控制模塊，主要作用是同步動鏡掃描與數(shù)據(jù)采集模塊；第三個部分主要是進行干涉信號采集工作。

3.1 邁克爾遜干涉儀

選擇Bruker V80 傅里葉光譜儀中的干涉光路，搭設邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，設備內(nèi)部存在近紅外光源以及中紅外光源，能夠隨意切換，也能實現(xiàn)紅外光源外界，同時，存在兩個紅外光束入口與五個紅外光束出口，可進行多種組件與附件連接。表1 為光譜儀相關參數(shù)：

表1 光譜儀相關參數(shù)

第一，紅外光源選擇。對于紅外光源而言，屬于光譜測試系統(tǒng)中較為關鍵的一個核心器件，主要用于產(chǎn)生紅外輻射，理想狀態(tài)下，紅外光源光譜可將整個紅外波段覆蓋住，無需更換光源，能量較高。通常紅外焦平面探測器會在三個“大氣窗口”工作，一是1～3μm，二是3～5μm，三是8～14μm，紅外光源光譜分布需要與紅外焦平面探測器工作光譜范圍相匹配。按照不同的光譜范圍，可將紅外光源分成三個類型，一是近紅外光源，二是中紅外光源，三是遠紅外光源，選擇光源時，應保證與被探測器工作波段相同，可選擇碳化硅光源。

第二，光闌。干涉系統(tǒng)中，光闌主要的作用是對光束進行限制，對光闌孔徑大小進行調(diào)節(jié)，能夠對入射光的光通量進行控制，孔徑越大，入射光就會越多，不過并非孔徑越大越好，由于孔徑增大下，背景光也會進入其中，所以一般應將其控制在合理范圍內(nèi)。

第三，分束器。分束器主要使將入射光分為兩束強度相等的光，通常情況下，分束器會將半透半反膜鍍于透明材料上實現(xiàn)，其屬于干涉儀較為重要的部分，本文提出的光譜測試系統(tǒng)，其中存在的分束器能夠實現(xiàn)射入紅外光束的半透半反。選擇分束器時，應結合紅外探測器與光源情況，光譜測試環(huán)節(jié)，利用更換分束器及光源，切換光譜范圍。本文提出的光譜測試系統(tǒng)，主要進行中波及長波紅外范圍探測器的光譜響應，以此選擇標準KBr 分束器。

第四，激光器。通過He-Ne 激光，對紅外干涉信號采樣間隔進行確定，He-Ne 激光器實際使用環(huán)節(jié)，發(fā)出的紅光波長為632.8nm,額定輸出功率為5mW。邁克爾遜干涉儀中激光通過后，會產(chǎn)生干涉光，激光干涉信息會被激光探測器采集到的，因為激光器會產(chǎn)生單色光，所以干涉信號屬于標準的余弦曲線，因此可根據(jù)激光波長及干涉圖對動鏡移動距離進行判斷，從而獲得紅外干涉信號的具體采樣位置，確定出光程差大小。選擇He-Ne 激光器進行采樣，精度較高，可獲得較好的采樣效果。

第五，標準探測器。選擇標準熱釋電探測器，將其作為標準探測器優(yōu)勢較大，一是存在較寬的光譜響應范圍，可將紅外探測器全部工作波段覆蓋??；二是探測器輸出不會受到波長影響，存在較為平坦的光譜曲線；三是不僅具備較好的穩(wěn)定性，還具備較強的抗干擾能力。

3.2 步進掃描控制模塊

以邁克爾遜干涉儀為主的光譜測試系統(tǒng)，可通過兩種方式采集干涉圖，分別是連續(xù)掃描以及步進掃描，其中連續(xù)掃描表示的是動鏡按照一定速度在掃描環(huán)節(jié)，按照He-Ne 激光干涉圖進行紅外干涉信號采集，根據(jù)相應時間間隔，進行一次干涉信號采集，為實現(xiàn)光譜分辨率進一步提升，應將動鏡掃描的距離適當增加，不過光譜分辨率不斷增加下，當動鏡掃描長度不斷增加下，會降低系統(tǒng)時間分辨率，所以，在連續(xù)快速掃描模式應用下，會對時間分辨率產(chǎn)生限制，特別是在高光分辨率的情況下。而步進掃描模式下，能夠根據(jù)不同的手段，得到較高的時間分辨率，步進掃描環(huán)節(jié)，動鏡會步進到固定位置，此時光程差不會發(fā)生變化，探測器采集干涉信號，隨后，再通過動鏡移動，進行下一個位置干涉信號的采集。因為主要是進行紅外焦平面探測器光譜響應測試，通常紅外焦平面探測器會根據(jù)信號情況，對光敏元陣列組成及電路情況進行了解，所以，光敏元陣列應將光信號向電信號進行轉換，在積分電路的應用下，存儲電信號，利用移位寄存器輸出所有信號，因為這一工作環(huán)節(jié)屬于高頻動態(tài)模式，所以若選擇連續(xù)掃描模式，會降低時間分辨率。通過光譜儀的外部觸發(fā)盒，實現(xiàn)步進掃描控制模塊功能，利用響應的信號接口，對所需信號進行檢測，當XPMTO 信號為高時，開始步進掃描測試，SEQTO 較高時，開始采集相應數(shù)據(jù)。當動鏡步進至新位置時，STPTO 信號會出現(xiàn)一個上升沿，可對其進行檢測，對動鏡位置進行確定，并利用外部采集卡，采集待測探測器干涉信號。

3.3 紅外焦平面探測器驅動與數(shù)據(jù)采集模塊

利用PXIE 高速總線產(chǎn)品框架，進行測試系統(tǒng)搭建，其中主要有PXI 機箱PXIe-1095 及遠程控制卡，還包括1 張數(shù)據(jù)采集卡、1 張時鐘驅動卡、8 張源測量單元、驅動板卡及服務器等。電源模塊主要是由SMU卡組成，在驅動板卡應用下，使被測探測器獲得相應偏壓，通過時鐘驅動卡，構成時序模塊，主要作用是使探測器獲得需要的時序信號，當探測器處于正常工作狀態(tài)時，會在驅動板卡中存在的采集接口的應用下，通過服務器中的采集卡，開展采集工作，服務器中帶有的測試系統(tǒng)軟件，會利用采集到的數(shù)據(jù)，計算出相關參數(shù)，并進行圖像處理等操作。對紅外焦平面探測器光譜響應測試時，能夠通過數(shù)據(jù)采集卡，采集干涉信號響應數(shù)據(jù)，采集卡不僅能夠采集干涉信號，還能對信號進行存儲，并實時進行信號顯示。系統(tǒng)中應用的是M2P-5923 模擬采集卡，能夠進行數(shù)據(jù)的快速傳輸，存在64 路采集通道，可在響應接口的使用下，以每通道20MHz 的速度，進行數(shù)據(jù)傳輸與在線分析，也可將相關數(shù)據(jù)存儲于主機中。各個通道中，均存在放大其以及16 位ADC，具備較廣的電壓范圍，共包括六檔，最高可達±500mV，最低為±1V。可通過Spectrum 程序中采集卡的API 采集相關數(shù)據(jù)，通過DMA 模式采集，向計算機中存儲采集到的數(shù)據(jù)信息。

4 結語

綜上所述，邁克爾遜干涉儀在不斷發(fā)展中，已被廣泛應用于各個領域中，并充分發(fā)揮出了實際作用。當前，邁克爾遜干涉儀也逐漸應用于紅外遙測領域，將其應用于光譜測試系統(tǒng)構建中，具備較大的優(yōu)勢，如具備較高的光通量、分辨率、信噪比，并且掃描速度較快，光譜范圍較寬，能夠獲得較好的信號采集效果。在未來，紅外遙測領域，邁克爾遜干涉儀勢必會得到更加深入的應用，實現(xiàn)紅外遙測水平的不斷提升。