[发明专利]一种基于PEM的新型红外光谱反演方法及其装置

说明书

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(Photoelastic Modulator，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＝[I_2f I_4f … I_2Mf]^T

b、通过最大光程差L₀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L₀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λ_min、PEM驱动频率f和PEM调制最大光程差L₀为参考，采样率应大于等于4πfL₀/λ_min。

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。