基于靜態傅里葉變換干涉系統的光譜數據處理

　　摘 要：設計了一種利用靜態傅里葉變換干涉系統的光譜分析算法，可以通過靜態條紋獲取光譜分布函數及波長標定。實驗采用五種不同波長的激光器，用M2CL-CCD探測器采集得到干涉條紋，再經該算法得到光譜信息，與用Q857B型光譜儀產生的光譜信息作比較。應用主成分分析法計算得到波長主峰和幾個次峰的相似度總和大于0.95，由實驗結果可知該算法實現了光譜分辨率132.1cm-1的光譜分析。
　　關鍵詞：光譜學 靜態傅里葉變換干涉儀 激光光譜分析
　　中圖分類號：O436文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0005-01
　　種類繁多的光譜分析儀已被廣泛應用于石油、化工、醫藥、環保、農業、公安、國防和教學等領域，以邁克爾遜干涉儀原理為基礎的[1，2]干涉儀居多，而從光程掃描方式[3]上看主要是時間掃描的，這種方式分辨率高，但結構復雜、靈活性差，而采用靜態傅里葉變換干涉儀[4]可以簡化結構、提高穩定性，可以較好的應用于實時遙測領域。現有的光譜分析軟件主要是基于對時間型干涉儀形成的干涉條紋的傅里葉變換，要研究對應靜態傅里葉變換干涉儀分析光譜的光譜分析軟件，必須從分析靜態干涉儀本身的原理入手。本文研究的是在靜態傅里葉變換條件下空間干涉條紋的光譜分析算法。
　　1 探測原理
　　入射激光經過靜態傅里葉變換干涉儀產生空間干涉，又因為空間干涉條紋與光源的光譜分布存在傅里葉變換關系，采集并分析干涉條紋即可得到待測激光的光譜信息。圖1是激光入射干涉儀的干涉原理示意圖，當激光入射AA’BB’面，經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。當激光入射靜態傅里葉變換干涉儀后，由柱面鏡匯聚到CCD上，CCD選取12位灰度值數據采集模式，將得到的干涉條紋轉化成1024個灰度數據，數據格式為.txt，在編程中由數組SHUJU[1024]表示。
　　2 程序設計
　　實驗采用折射率n=1.46、邊長30mm、斜楔角度0.1°的靜態傅里葉變換干涉儀，激光中心波長857nm，由CameraLink公司M2CL型線陣CCD探測器采集的數據通過USB連接PC，數據采集窗口將由CCD采集得到的干涉條紋數據加載到SHUJU[1024] 數組中，并繪制數據圖。選取857nm激光器采集的干涉條紋進行分析，如圖2所示。
　　3 數據分析
　　按照實驗原理再將532nm、660nm、780nm、980nm的標準激光器入射時產生的光譜數據與由本算法得到的光譜信息進行比較，對比如表1。
　　理論上五個值應該是完全一致的，但在實際實驗過程中CCD采集后再經過本算法處理的數據是開放條件下的，有背景光的干擾，背景光的增強造成的白噪聲提高了探測器采集得到的干涉條紋的整體亮度，對應的造成光譜特征基線增大、最大值與基線值的差減小，影響探測精度。而用Q857B型光譜儀測量時是用光纖導入激光的，幾乎沒有背景光的影響，所以在相對不是主峰的光譜位置上會引入一定的誤差。在5組波長的激光光譜分析中，主峰（Z1）及次主峰（Z2，Z3）的相似度總和在95%以上就足以說明光譜分析的正確性。
　　4 結論
　　設計了一種適合靜態光譜分析的算法，并用C#語言編譯成軟件。該軟件可用于靜態傅里葉變換產生的干涉條紋的頻譜變換。通過對五個波長激光的干涉實驗可知，本算法得到光譜數據與Q857B型光譜儀得到的光譜數據儀有很好的相關性。將兩組數據進行主成分分析，對同一個波長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傅里葉變換是可行的。
　　參考文獻
　　[1]呂高旭.Visual C#范例精要解析[M].北京：清華大學出版社，2008.
　　[2]唐義，倪國強.基于邁克耳遜干涉儀的空間調制型干涉成像光譜儀[J].光學技術，2007.
　　[3]劉智超，張記龍，閻鶴，等.一種投影式激光方向測量方法[J].光學學報，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