CN103874911B - 在干涉仪中补偿频率漂移的方法 - Google Patents

Abstract

一种在基于FT干涉仪的分光仪中补偿参考能源的频率漂移的方法，该分光仪具有一个算数单元，在其中获得表示响应于依赖参考能源的发射频率而生成的一个触发信号而收集的一个参考干涉图（40）的数据并且以同样的方法获得表示由FT干涉仪响应于也是依赖该参考能源的发射频率而生成的一个触发信号而记录的一个目标干涉图（42）的数据。该方法进一步包括该在该算数单元中对该表示该参考干涉图（40）的数据和该表示该目标干涉图（42）的数据进行比较从而确定在离开中心猝发（44）的至少一个区域（36）中的一个窗口W中的这些干涉图之间的一个相位偏移（d），以及在该算数单元中依赖于所确定的一个或多个偏移（d）生成一个数学变换，从而随后应用于控制该分光仪的运行以生成表示由该FT干涉仪记录的一个未知样本的一个频率稳定的干涉图的数据。

Description

在干涉仪中补偿频率漂移的方法

技术领域

本发明涉及一种用于补偿用于从未知样本生成光谱数据的干涉仪中的参考源的频率漂移的方法，并涉及一种根据该方法运行的基于傅里叶变换干涉仪的分光仪。

背景技术

干涉光谱学技术被广泛用于未知样本的化学和组成特性的确定。根据这些技术运行的分光仪通常通过生成一个干涉图案和检测置于干涉能量束的路径中(或者有时在生成该干涉图案之前在该能量束的路径中)的感兴趣的未知样本的该图案的效应来这样做。这样得到的在时间或位置域中观察到的干涉数据(所谓的“干涉图”)然后使用傅里叶变换经受与该分光仪相关联的算数单元中的数字变换从而变换成频率或波长域中的信息。因此，此类分光仪通常被称为傅里叶变换(FT)分光仪。然后，未知样本的化学和/或组成特性的差别可能与所收集的数据的波长相关的强度变化有关。这通常是通过将合适的校准模型应用到相关联的算数单元中的该数据上而实现的。

其中一种最常用的FT干涉仪类型为迈克耳孙干涉仪。干涉仪通过以下步骤生成所需要的干涉图案：使用分束器将来自探测能源的入射能量分成强度几乎相等的两条光束；将这些光束中的每一个从相关联的反射镜反射以便使其在该光束分离器处重新组合；移动一个或这两个反射镜以便在这些入射光束之间创建一个可变的路径差；以及由于路径差改变在一个检测器处监测干涉图案(干涉图)。通过在该(或这些)可移动反射镜的许多分离的和优选地等距的位置处测量该信号，可以通过在与该分光仪相关联的算数单元中应用FT技术从如此收集的干涉图重构光谱信息。

众所周知，对于迈克耳孙型干涉仪，两条光束之间在具体路径长度差的干涉图的强度(所谓的延迟量)可以表达成延迟量的余弦函数之和。探测光束的每一个光谱元素(或频率)为该干涉图的每个点做出贡献，其中，每个元素的贡献(或权重)对于每个点而言是唯一的(假设为一个单侧干涉图)。当该分束器与每个反射镜之间的距离相等时，该延迟量为零。这会生成该干涉图的所谓中心猝发。

为了减少计算负荷，熟知的快速傅里叶变换(FFT)技术常用于采用了迈克耳孙型FT干涉仪的现代分光仪中。对于FFT技术的应用而言关键的是在任何时间对延迟量的精确知晓。因此在此类迈克耳孙型FT干涉仪中精确地监测该反射镜(或这些反射镜)的移动。大多数情况下这是通过使用发射已知波长的实质上单色的辐射的参考能源来完成的。这通常是一个激光源，该激光源被配置成用于沿着一条穿过该干涉仪的路径发射已知波长的能量，该路径与来自该探测能源的能量所贯穿的路径基本相似。所产生的该检测器所检测到的实质上单频的振荡干涉图案依赖该(这些)反射镜的相对位置和该激光发射的波长。因此，当至少理论上准确地知道该激光的波长时，然后可以精确地确定或监测该移动反射镜的位置。从而，该检测器处的这个振荡信号用来控制或记录处于准确已知且等距的延迟量值的干涉数据的收集。这可以通过例如在零幅值交叉或用激光干涉图的其他周期性发生的特征触发数据收集来实现。

正如可以意识到的，对相同的仪器在不同距离的干涉数据的收集之间或不同的仪器之间的激光发射的发射波长的变化将等距地但在稍微不同距离触发数据收集。这将引起在这些不同距离处收集的干涉图的相位偏移。这将展示为经傅里叶变换的所收集的数据的频率或波长刻度的不同，并最终达到未知样本的化学和/或组成特性的不同，未知样本的化学和/或组成特性有待与该相关联的算数单元中所收集的数据的频率或波长相关的强度变化相关。

为了缓解这个问题并对此类由参考源漂移造成的相位差进行校正，在其作业使用期间不时地对基于FT干涉仪的分光仪进行标准化是熟知的。通常在这种标准化事件中，比如在US 5,933,792中所披露的，用干涉仪对参考样本进行测量，并且在分光仪的算数单元中将干涉图或经傅里叶变换的光谱数据与该参考样本的所希望的干涉图或已变换光谱数据进行比较。然后该算数单元运行以基于该比较生成多个参数，这些参数描述了参考样本的测量到所希望的测量的转变，并且当被应用到一种未知样本的测量时，这些参数将对这些测量进行变换以生成标准化的测量(已针对频率漂移进行了校正)。

以此方式，使用一个仪器获得的针对一个样本的信息将与用相同类型的任何其他仪器针对相同样本所获得的信息相同。而且，预期这种标准化将对相同仪器中的上述时间变化进行校正。

不幸的是，相同仪器中的参考能(典型地，参考激光)源的波长的变化或漂移经常比该仪器的标准化事件之间的间隔更频繁，这样使得上述标准化事件仅部分地解决该问题。

这具体为当固态发射源用作该参考时的情况。这些源通常比传统用作参考的氦/氖激光器更易受环境变化的影响。频繁的温度漂移被看做是这些固态源的具体问题，并且现代迈克耳孙型FT干涉仪中经常包括相对昂贵的温度稳定单元以对抗该问题。

发明内容

在不需要参考源的准确温度稳定的条件下对抗FT干涉仪中的频率漂移是本发明的一个目的。

根据本发明，提供了一种补偿基于FT干涉仪的分光仪中的频率漂移的方法，该方法包括以下步骤：(a)在该分光仪的一个算数单元中获得表示响应于依赖一个参考能源的发射频率而生成的一个触发信号而收集的一个参考干涉图的数据，从而反映该干涉仪的一个移动光学元件的位置；以及(b)随后在该算数单元中获得表示由该FT干涉仪记录的一个目标干涉图的数据；其特征在于，该方法进一步包括下列步骤：(c)在该算数单元中对表示该参考干涉图的数据和表示该目标干涉图的数据进行比较从而确定在离开中心猝发的至少一个区域中的这些干涉图之间的一个相位偏移；(d)在该算数单元中依赖于所确定的一个或多个偏移生成一个数学变换；以及(e)应用该数学变换从而控制该分光仪的运行以生成表示由该FT干涉仪记录的一个未知样本的一个频率稳定的干涉图的数据。

可以生成该变换从而在一个感兴趣的干涉图区域上最大化该参考和该目标干涉图数据之间的相位相关性。

可以在该算数单元中应用该变换以数学地校正为未知样本记录的干涉图。

其中，在该算数单元中生成该数学变换可包括依赖于所确定的一个或多个偏移d_max生成一个变换从而贯穿一个感兴趣的干涉图区域最大化在该参考和该目标干涉图数据之间的一种相位相关性。

其中，该算数单元可被配置成用于将该数学变换生成为一个也是该移动光学元件的位置的函数。

其中，该算数单元可被配置成用于将该数学变换生成为由该移动光学元件的位置的该函数相乘的一个相对百分比偏移d％。

其中，该算数单元可被适配成用于校正表示该参考和该目标干涉图中的每一个的数据从而提供给分别表示该参考和该目标干涉图的每个相位补偿的数据，其中每个贡献频率在中心猝发处可以是同相的并且可在步骤(c)的比较中使用这个相位补偿的数据。

根据本发明，还提供了一种基于FT干涉仪的分光仪，其中该干涉仪包括至少一个可移动光学元件，该移动光学元件被配置成用于在该干涉仪中的光束间引入一个路径长度差；该分光仪进一步包括一个参考能源，该参考能源被配置成用于以一个参考频率发射可用于依赖该至少一个可移动光学元件的位置而生成一个触发信号的能量；以及互相被配置成用于响应于该触发信号而使得记录来自该FT干涉仪的干涉数据的一个检测器和一个算数单元的一种合作式安排；其特征在于，该算数单元被配置成用于在相关联的内存单元n中定位表示一个参考干涉图的数据以及表示一个目标干涉图的数据并且用于致使该分光仪运行从而执行上面所述的方法的特征部分。

方便的是，可以对每个干涉图进行初始相位校正，以保证每一个贡献频率分量对于在中心猝发的两个干涉图中的每一个具有零相位偏移。对于这两个傅里叶变换的干涉图中的每一个而言，可以通过首先确定其相关联的功率谱(是将FFT应用到该干涉图之后的复光谱的长度)然后进行逆傅里叶变换以对这两个初始测量的干涉图中的每一个生成一个相位补偿的干涉图，从而例如在该算数单元中进行校正。以此方式，新生成的干涉图使得所有贡献频率在中心猝发都将具有零偏移。这有利于任何远离中心猝发的相位差的优点将对于参考激光频率中的给定漂移而言被最大化并且这两个干涉图可以在中心猝发可靠地相位对齐。

由于频率漂移实际上将引起干涉图的“拉伸”，所以优选地该变换也依赖于该干涉图中到中心猝发的距离而做出，比如该移动光学元件的位置的小数或百分数，其中，该分数或百分数的大小是根据所确定的一个或多个偏移计算出的，例如计算为一个或多个相对偏移。

附图说明

这些或其他优点将从下面参照附图中的图描述的示例性实施例的考虑变得明显，其中：图1示意性示出了基于迈克耳孙型FT干涉仪的分光仪的运行；图2是使用图1的分光仪得到的典型干涉图的程式化的图解；以及图3是根据本发明的方法的对于如在有待应用的补偿的计算中使用的相同样本在不同时刻获得的典型干涉图。

具体实施方式

参照图1对包括一个迈克耳孙型FT干涉仪的分光仪的基本结构和操作进行讨论。举例来说，分光仪2仅包括一个迈克耳孙型FT干涉仪4和一个相关联的算数单元6，该算数单元在此与该分光仪2成一体，运行性连接以从该干涉仪4接收输出。将认识到的是，该算数单元6可以可替代地被配置成一个单独的但被连接的单元，局部地定位或被连接从而通过网络(互联网、LAN、WAN等)从干涉仪4接收输出，或者实际上该算数单元6的功能性的一部分可以被整体地、局部地或远程地设置，而不背离所要求保护的发明。

该迈克耳孙型FT干涉仪4通常包括一个固定反射镜8、一个可移动反射镜10和一个分束器12(通常也与一个相关联的补偿器板一起，该补偿器板出于清晰的目的未加以展示)。一个被选择从而从电磁频谱的紫外和红外区之间的波长区域内发射辐射的辐射源14被安排成通过一个准直器16向该干涉仪4内发射辐射，并且干涉辐射被引导穿过一个小样本池18并朝向一个相关联的检测器20。在其他实施例中，该小样本池18可以在使用中被定位在来自源14的准直辐射的路径中，在一个分束器12之前的位置，但优选地在使得来自一个参考能源的辐射(在此为一个固态参考激光器22)也将贯穿该小样本池的位置。

由于可移动反射镜10是相互平移的，在从反射镜8反射之后在分束器12处重新组合的辐射将生成一个干涉图案，在该检测器20检测该图案以形成一个在该算数单元6中记录的干涉图。对于进入干涉仪4的辐射的每个波长元件而言，当每个反射镜8、10之间的路径长度差(延迟量)等于整数n个波长时，分束器12生成的光束分量在该分束器12处将完全同相(该干涉图案中的一个最大值)，并且当每个反射镜8、10之间的路径长度差等于n+1/2个波长时，将完全不同相(该干涉图案中的一个最小值)。在这两个极值之间，该信号依赖延迟量的余弦。

在计算机上存储的干涉图案表示该干涉图案在可移动反射镜10的分离的点或位置处的强度。在图2中仅出于示意的目的描绘了一个可能是针对牛奶记录的典型的干涉图32，并且如可以看到的，该干涉图案包括在中心猝发34的一个最大幅值以及一个具有随着延迟量增大而降低的幅值包络的振荡幅值部分36。该干涉图的实际频率组成依赖来自源14的辐射的波长，该辐射到达检测器20并因此依赖任何插入从源14到检测器20的光束路径的样本材料的透射特性。

优选地，当实施所记录的干涉图的所谓快速傅里叶变换(FFT)分析时，在沿着移动反射镜10的位置轴的多个等距点收集数据，从而使得当FFT算法被应用到该算数单元6时，所产生的光谱数据将由频率等距的点表示。

为了得到干涉图案的等距测量结果，通常采用使用参考源(在此是一个固态激光器22)所生成的干涉图案。通常，来自激光器22的辐射被引导到该干涉仪4中(比如通过一个双色反射镜26)，从而沿着与穿过该干涉仪4和小样本池18的相同路径，同来自源14的辐射一样并且被一个相关联的检测器28检测到。在本实施例中，来自检测器28的输出被传递到一个零交叉检测器30，该零交叉检测器被配置成用于当所检测到的强度的余弦变化与零或其他阈值水平相交时提供触发信号(如上所述)。然后该触发信号用来触发记录该算数单元6内的一个数据点，或者其可以被记录为该干涉图案中的一个位置处的延迟量的索引。

在使用中，根据本发明的分光器2在一个实施例中如下运行并同样参照图3。在该分光仪2中获得表示参考干涉图40的数据，并且使该算数单元6可访问该数据。该参考图案可以是一个在与实际分光仪2类型相同的仪器上收集并且可以由该分光仪2记录的“主”干涉图。然后由该分光器4随后记录表示目标干涉图42的数据，并且使该算数单元6可访问该数据。

该小样本池18中的用来生成目标光谱的样本应该与用来生成参考光谱从而自身对所记录的干涉图造成不重要的相位变化的样本相同或足够相似。在一个实施例中，用来生成该参考和该目标数据的样本材料可以是一种所谓的零液体，当对牛奶进行测量时通常是水。在FT光谱测量领域，为了建立一个背景或“零”水平，零液体的使用是熟知的，相对于该背景或“零”水平，对未知样本的光谱的透射强度进行测量。零液体的干涉图的记录比较频繁，经常在连续的未知样本干涉图案的记录之间。由于不需要中断分光仪的正常运行以引入特别用于根据本发明的方法中的样本，因此在根据本发明的方法和分光仪中可以有利地采用零液体干涉图。在其他实施例中，基本类型相同的未知样本(例如牛奶样本)可以用于该参考和该目标干涉图案数据的生成。这是基于以下实现：样本材料(通常采用基于FT干涉仪的分光仪对这种材料进行监测)的较小的组成改变对所记录的干涉图案只有微小的影响，这一般不会引入明显的相位改变。确实，由于这些组成改变仅产生微小的影响，经常零液体和未知的样本干涉图案可以用作该参考40和该目标42干涉图案。

一旦使该算数单元6可访问表示(在本实施例中的并举例而言仅是在零液体干涉图案的记录的不同实例处获得的干涉图案)该参考40和该目标42的干涉图的数据，该算数单元被配置成用于应用该参考40和该目标42干涉图案中的每一个的相位校正从而保证所有贡献频率对于这些干涉图40、42中的每一个而言将在中心猝发同相。在一个实施例中，该算数单元6被适配成用于确定功率谱(FFT后的复光谱的长度)。这将会消除产生所记录的干涉图40、42中的每一个的频率分量之间的任何相位差。然后单元6将一个逆FFT应用到如此获得的功率谱，从而获得对称的“相位校正的”参考40和目标42干涉图，其中，每个干涉图对于每个在中心猝发的贡献频率而言具有零相移。

举例而言，该算数单元6可以被配置成用于将表示每个干涉图40、42的中心猝发的强度的数据元素存储在索引为n＝0的相关联的内存单元中，并且将每个连续的数据元素存储在连续标引的相关联的内存单元。从而，相关联的内存单元的索引n将与移动反射镜的位置(或延迟量)相对应。

然后单元6被操作以在一个空间地(或时间地)置于中心猝发44的位置的远端的宽W的窗口中检测相位校正的干涉图40、42之间的相移，该中心猝发针对每个干涉图40、42是相同的which center-burst is the same foreach interferogram 40,42.。本领域技术人员当然会认可该偏移实际上是该干涉图的一个拉伸，但是如果被确定在一个相对较小的窗口中则可以被描述为线性偏移。将该窗口定位以测量具有足够信噪比的最大偏移是有用的但不是必要的。这可以通过操作单元6以数学地沿着干涉图的时间/距离(在此x轴)滑动窗口W(在此通过循环穿过其中存储着干涉图的相关联的内存单元的索引n)，并且沿着相应特征(比如该参考40和该目标42干涉图的波峰、波谷或零交叉位置和相关的信噪比)的轴测量位置(索引值)。可替代地，可以预先设置窗口W的位置。一旦确定了窗口W的位置，如图3中所展示的，从索引位置n＝a延伸到n＝b，然后所确定的相应特征的位置(例如索引值n)(在此展示为零交叉)可以例如通过相关联的索引值的简单相减来数学地确定，并且可以被直接应用于控制分光器2的运行以生成表示FT干涉仪4所记录的未知样本的频率稳定的干涉图的数据。

然而，在一个优选实施例中，算数单元6被配置成在初始变换中采用如此确定的偏移，该偏移之后被应用于目标干涉图42。然后确定经变换的目标干涉图42和参考干涉图40之间的相位相关性，并且该偏移发生变化。生成新的变换并再次测量相关性。可以重复上述步骤，直到确定了最大相关性。该最大相关性d_max处的偏移用于分光器2中以控制其运行，从而生成表示FT干涉仪4所得到的未知样本的频率稳定的干涉图的数据。

在一个实施例中，如此确定的变换可以用于算数单元6中以数学地相位补偿从干涉仪4获得的未知样本的干涉图数据。在本实施例中，该变换被应用到如此获得的数据，从而沿着与计算出的偏移d_max共存的距离/时间轴将整个干涉图移动一个量。在一个优选实施例中，该移动被确定为一个固定的百分比(或小数)，其值是基于有待从具有索引n＝0的中心猝发44移动的点的干涉图的位置的偏移d_max。

激光干涉图上的零交叉实质上被作为在等距位置对干涉图进行采样的标尺。参考源22的运行频率的漂移导致该标尺被拉伸，这样使得将实际上相对于较早记录的干涉图在不同位置对此时的干涉图进行采样。优选地，然后，将该拉伸作为这两个干涉图40、42的相应特征之间的距离的百分比变化测量。由于偏移很小，所以可以方便地将其估计为“远离该中心猝发”的固定偏移，因为在此这些较小的偏移积累成了一个可检测的偏移。然后在窗口W中检测到的偏移d被以离中心猝发(在此x＝0)的平均距离划分(使用上述术语可以被给定为窗口W的(b–a)/2)，从而将百分比漂移d_％计算为：d_％＝(d/((b–a)/2))*100(1)。

然后该变换可以包括函数d_％*z(2)，其中，z是正在被校正的干涉图中的被测数据点的内存索引值n＝z。

如上所述，d有用地是d_max，作为该偏移d，当应用于使用上述变换(2)的目标干涉图时将提供该参考40和该目标42干涉图之间的最大相关性。

Claims (7)

1.一种在基于FT干涉仪(4)的分光仪(2)中补偿参考能源(22)的频率漂移的方法，包括以下步骤：(a)在该分光仪(2)的一个算数单元(6)中获得表示响应于依赖该参考能源(22)的发射频率而生成的一个触发信号而收集的一个参考干涉图(40)的数据，从而反映该干涉仪(4)的一个移动光学元件(10)的位置；以及(b)随后获得表示由该FT干涉仪(4)响应于依赖该参考能源(22)的发射频率而生成的一个触发信号而记录的一个目标干涉图(42)的数据并使其进入该算数单元(6)，从而反映该干涉仪(4)的一个移动光学元件(10)的位置；其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：(c)在该算数单元(6)中对表示该参考干涉图(40)的数据和表示该目标干涉图(42)的数据进行比较从而确定在离开中心猝发的至少一个区域(36)中的这些干涉图之间的一个相位偏移；(d)在该算数单元(6)中依赖于所确定的一个或多个偏移d生成一个数学变换；以及(e)应用该数学变换从而控制该分光仪(2)的运行以生成表示由该FT干涉仪(4)记录的一个未知样本的一个频率稳定的干涉图的数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该算数单元(6)中生成该数学变换包括依赖于所确定的一个或多个偏移d_max生成一个变换，从而贯穿一个感兴趣的干涉图区域使在该参考(40)和该目标(42)干涉图数据之间的一种相位相关性最大化。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，该算数单元(6)被配置成用于将该数学变换生成为一个也是该移动光学元件的位置的函数。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该算数单元(6)被配置成用于将该数学变换生成为由该移动光学元件的位置的该函数相乘的一个相对百分比偏移d％。

5.如权利要求1、2以及4中的任一项所述的方法，其特征在于，该算数单元(6)被适配成用于校正表示该参考(40)和该目标(42)干涉图中的每一个的数据从而提供给分别表示该参考(40)和该目标(42)干涉图的每个相位补偿的数据，其中每个贡献频率在中心猝发处是同相的并且在步骤(c)的比较中使用这个相位补偿的数据。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该算数单元(6)被适配成用于校正表示该参考(40)和该目标(42)干涉图中的每一个的数据从而提供给分别表示该参考(40)和该目标(42)干涉图的每个相位补偿的数据，其中每个贡献频率在中心猝发处是同相的并且在步骤(c)的比较中使用这个相位补偿的数据。

7.一种基于FT干涉仪(4)的分光仪(2)，其中该干涉仪(4)包括至少一个可移动光学元件(10)，该至少一个可移动光学元件被配置成用于在该干涉仪(4)中的光束间引入一个路径长度差；该分光仪(2)进一步包括一个参考能源(22)，该参考能源被配置成用于以一个参考频率发射可用于依赖该至少一个可移动光学元件(10)的位置而生成一个触发信号的能量；以及互相被配置成用于响应于该触发信号而使得记录来自该FT干涉仪(4)的干涉数据的一个检测器(20)和一个算数单元(6)的一种合作式安排；其特征在于，该算数单元(6)被配置成用于在相关联的内存单元n中定位表示一个参考干涉图(40)的数据以及表示一个目标干涉图(42)的数据并且用于致使该分光仪(2)运行从而执行如前述权利要求中任一项的特征部分。