电光调制型静态傅里叶光谱仪的研究及其软件开发

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光谱探测在光源光谱获取、化学材料分析、有毒物质检测等领域的应用越来越多,并且光谱探测对高速处理、抗干扰能力等的要求也不断地提高,故电光调制傅里叶变换光谱仪已成了备受关注的话题。光谱探测是由光谱仪完成的,而干涉系统又是光谱仪的主要器件,即设计开发高灵敏度、高光谱分辨率的静态干涉系统是提高静态型光谱仪性能的核心思路。在光谱探测硬件的基础上,还需要有光谱探测相应的分析软件及其光谱数据处理算法等。在介绍了光场的干涉条件、电光调制特性等的基本原理和理论,在比较了各种类型光谱探测器件检测原理及特点之后,提出了基于电光调制型静态傅里叶变换光谱仪的设计方案及其相应的软件算法。论文研究了基于电光调制型静态傅里叶变换干涉系统的调制形式、折射率变化规律,光程差函数及干涉条纹分布形态等,由折射率调制晶体(铌酸锂晶体)干涉具、聚焦透镜、红外CCD探测器、高速信号处理器及VC++软件平台等组成。为使系统可以通过电光调制光程差,采用电光调制干涉晶体,通过控制调制方式及周期确定干涉具的调制度。对多种激光器进行实验可知,对于相同大小的干涉模块而言,光谱分辨率得到了大幅的提高。在能获得清晰的静态干涉条纹的条件下提高光谱分辨率,研究了电光调制型静态傅里叶变换光谱仪的基本原理及光谱分辨率增强技术。采用傅里叶干涉系统,以光的相干、调制光学及信号处理技术为依托,采用电光调制干涉具晶体,在保持传统干涉系统大小的基础上,通过电光调制实现光程差的增大,从而提高了光谱分辨率且无需机械扫描,光谱响应速度快。采用电光调制型光谱探测技术可以进一步的增大光程差的变化范围,从而提高光谱分辨率。在采用铌酸锂晶体进行折射率调制的过程中,实验数据显示,对于1064nm的激光而言,最小的光谱分辨率能达到2.8cm-1经过计算仿真等步骤后,完成了电光调制型静态傅里叶干涉系统。在此基础上,研发了用于本系统的分析软件。在比较了目前国内外最常用的光谱分析算法后,系统应用偏最小二乘法筛选特征波长,同时应用遗传算法划分光谱的方法进行光谱探测,通过VC++平台实现了对调制产生的干涉条纹的光谱还原,经光谱校正、数据处理及遗传分类等程序,最终完成了所有光谱信息的可视化分析。本论文研究的电光调制型静态傅里叶变换干涉具为稳定快速获取光谱数据建立了一种数学模型,该光谱探测系统不仅可在稳定的室内环境中工作,还能够在环境相对恶劣的野外工作,为采用电光调制光谱探测技术的广泛应用奠定了基础。
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