CN106546335B - 一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法，包括沿光路方向依次设置的准直物镜、双通道干涉仪、第一探测模块、第二探测模块及数据处理系统，所述第一探测模块和第二探测模块都与数据处理系统连接；所述双通道干涉仪包括共光轴顺时针依次设置的分束镜、第一棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二棱镜，所述分束镜与入射光轴成45°，第一反射镜和第二反射镜与分束镜平行；所述第一棱镜能绕棱镜中心垂直于纸面的轴转动或摆动。能够同时获取探测点(目标)发出光束的两路干涉信息，从中能够解调出探测点光强随时间的变化量，进而有效的消除探测点光强变换对干涉信息的影响，复原探测点准确的光谱信息。

Description

一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法

技术领域

本发明涉及光谱探测领域，尤其涉及一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法，可以对光强变换目标进行光谱探测。

背景技术

傅里叶光谱仪通过探测目标的干涉信号，利用傅里叶变换反演目标的光谱信息。与传统色散型光谱仪相比，具有高光通量、多通道等优点，适用于探测宽谱段光谱，尤其是红外波段光谱信息。傅里叶光谱仪已经成为天文观测、空间遥感、大气探测、元素分析、污染监测、生物医学等领域重要的探测仪器。

现有的傅里叶光谱仪主要分为两类，一是时间调制型，采用平移反射镜、反射角体或者旋转棱镜方式获取探测点(目标)的干涉信息，系统具有较高的信噪比；二是空间调制型，内部无运动部件，能够一次性获取探测点的干涉信息。空间调制型虽然能够实现实时光谱探测，但是信噪比不高，无法获取高分辨率的光谱信息。因此，目前商用傅里叶光谱仪大多数采用时间调制型，能够获取长光程差的干涉条纹，且具有较高的信噪比，复原光谱分辨率高。但是，时间调制型傅里叶光谱仪在推扫探测过程中，探测点光强的变换会影响采集干涉信息的准确性，进而影响复原光谱的精度。现有的解决方法是在采集完成干涉信息后，利用数据处理算法，如最小二乘拟合法、多项式拟合法等，求取探测点光强随时间变化量。但是该类数据处理算法存在两个问题，一是通过近似拟合过程只能近似获取探测点光强随时间变化量，并不准确；二是当探测点光强出现抖动等稍微复杂的变化时(例如探测飞机尾焰或者探测室外污染气体光谱时)，无法有效获取探测点光强随时间变化量，进而导致复原光谱存在较大误差。

采用现有的时间调制型傅里叶光谱仪进行探测，利用数据处理算法无法有效消除背景强度，导致复原光谱误差较大。采用现有的空间调制型傅里叶光谱仪进行探测，由于采用空间分光技术，导致系统信噪比低于时间调制型傅里叶光谱仪，影响复原光谱精度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种双通道傅里叶光谱仪及探测方法，能够对光强变换目标进行高分辨率的光谱探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双通道傅里叶光谱仪，包括沿光路方向依次设置的准直物镜、双通道干涉仪、第一探测模块、第二探测模块及数据处理系统，所述第一探测模块和第二探测模块都与数据处理系统连接；

所述双通道干涉仪包括共光轴顺时针依次设置的分束镜、第一棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二棱镜，所述分束镜与入射光轴成45°，第一反射镜和第二反射镜与分束镜平行；所述第一棱镜能绕棱镜中心垂直于纸面的轴转动或摆动。

所述第一探测模块包括沿光路方向依次设置的第一聚焦物镜和第一探测器，其中第一探测器的靶面位于第一聚焦物镜的后焦面上，所述第一探测器与数据处理系统连接。

所述第二探测模块包括沿光路方向依次设置的第二聚焦物镜和第二探测器，其中第二探测器的靶面位于第二聚焦物镜的后焦面上，所述第二探测器与数据处理系统连接。

所有的光学元件相对于基底等高。

探测点发出的光线经过准直物镜形成平行光束，经过分束镜后分为第一反射光和第一透射光；

第一反射光首先经过第一棱镜后入射到第一反射镜，发生反射后再次入射分束镜，随后被分束镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一探测模块，第二透射光进入第二探测模块；

第一透射光首先经过第二棱镜入射到第二反射镜，发生反射后再次入射分束镜，随后被分束镜分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二探测模块，第三透射光进入第一探测模块。

所述分束镜的一面镀半透半反膜，另一面镀增透膜。

所述准直物镜采用折射型镜头或反射型镜头。

采用所述一种双通道傅里叶光谱仪的光谱探测方法，包括以下步骤：

步骤一：来自探测点的光束首先经过准直物镜形成平行光束，入射双通道干涉仪；

步骤二：平行光束进入双通道干涉仪后，经过两次分光，形成第一输出光束和第二输出光束，每路输出光束包含两束相干光束，通过旋转第一棱镜引入两束相干光的光程差；

步骤三：第一输出光束进入第一探测模块，记录第一干涉光强信息I₁，第二输出光束进入第二探测模块，记录第二干涉光强信息I₂；

步骤四：数据处理系统收集两路干涉光强信息求取探测点光谱。

所述步骤四包括，

步骤4.1，求探测点光束光强随时间变化量I₀＝I₁+I₂，并进行归一化，得到归一化光强

步骤4.2，重组探测点光强干涉信号

步骤4.3，对干涉信号I_f进行预处理，得到干涉信号中余弦项对干涉信号中余弦项进行傅里叶变换求取探测点光谱。

所述步骤4.3中预处理包括去直流项、切趾及相位校正。

本发明的有益效果：

本发明能够同时获取探测点(目标)发出光束的两路干涉信息，从中能够解调出探测点光强随时间的变化量，进而有效的消除探测点光强变换对干涉信息的影响，复原探测点准确的光谱信息。

本发明与现有技术相比，其显著特点为：

(1)能够对光强变换的目标进行光谱探测，消除目标光强抖动等对复原光谱精度的影响；

(2)采用双路探测，与传统傅里叶光谱仪相比，信噪比提高倍。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2(a)和图2(b)分别为模拟本发明一种双通道傅里叶光谱仪获取的探测点的两路干涉信息；

图2(c)为计算的探测点光束光强随时间变化量；

图2(d)为探测点重组干涉信息；

图2(e)为复原的探测点的光谱。

其中：1-准直物镜；2-双通道干涉仪：21-分束镜，22-第一棱镜，23-第二棱镜，24-第一反射镜，25-第二反射镜；3-第一探测模块：31-第一聚焦物镜，32-第一探测器；4-第二探测模块：41-第二聚焦物镜，42-第二探测器；5-数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

当探测目标的光强变换频繁时(例如探测飞机尾焰、大气中污染气体等)，采用现有的时间调制型傅里叶光谱仪进行探测，无法有效消除背景强度，导致复原光谱误差较大。本发明采用双通道时间调制结构，能够有效的提取随时间变换的背景光强信息，并予以消除，提高复原光谱的准确性。

一种双通道傅里叶光谱仪，包括沿光路方向依次放置的准直物镜1、双通道干涉仪2、第一探测模块3、第二探测模块4、数据处理系统5，如图1所示。

其中，双通道干涉仪2包括共光轴顺时针依次设置的分束镜21、第一棱镜22、第一反射镜24、第二反射镜25和第二棱镜23，分束镜21与入射光轴成45°，第一反射镜24和第二反射镜25与分束镜21平行。

第一探测模块3包括沿光路方向依次设置的聚第一焦物镜31和第一探测器32，其中第一探测器32的靶面位于第一聚焦物镜31的后焦面上。

第二探测模块4包括沿光路方向依次设置的第二聚焦物镜41和第二探测器42，其中第二探测器42的靶面位于第二聚焦物镜41的后焦面上。

第一探测器32和第二探测器42与数据处理系统5相连。

所有的光学元件相对于基底等高，即相对于光学平台或仪器底座等高。

其中光路走向如下：

探测点发出的光线经过准直物镜1形成平行光束，经过分束镜21后分为第一反射光和第一透射光；第一反射光首先经过第一棱镜22后入射到第一反射镜22，发生反射后再次入射分束镜21，随后被分束镜21分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一探测模块3的第一聚焦物镜31，第二透射光进入第二探测模块4的第二聚焦物镜41；第一透射光首先经过第二棱镜23入射到第二反射镜25，发生反射后再次入射分束镜21，随后被分束镜21分为第三反射光和第三透射光，第三反射光进入第二探测模块4的第二聚焦物镜41，第三透射光进入第一探测模块3的第一聚焦物镜31；经过第一聚焦物镜31的第二反射光和第三透射光聚焦在第一探测器32上；经过第二聚焦物镜41的第三反射光和第二透射光聚焦在第二探测器42上。

双通道干涉仪中分束镜21的一面镀半透半反膜，另一面镀增透膜；准直物镜1、第一聚焦物镜31和第二聚焦物镜32可以采用折射型镜头，也可以采用反射型镜头。

第一棱镜22可以绕棱镜中心垂直于纸面的轴转动，或者摆动，用以改变第一反射光和第一透射光的光程差。

基于一种双通道傅里叶光谱仪的光谱探测方法，包括以下步骤：

步骤一：来自探测点(目标)的光束首先经过准直物镜1形成平行光束，入射双通道干涉仪2；

步骤二：平行光束进入双通道干涉仪2后，经过两次分光，形成第一输出光束和第二输出光束，每路输出光束包含两束相干光束，通过旋转第一棱镜引入两束相干光的光程差；

步骤三：随后第一输出光束进入第一探测模块3，记录第一干涉光强信息I₁，如图2(a)所示；第二输出光束进入第二探测模块，记录第二干涉光强信息I₂，如图2(b)所示；

步骤四：数据处理系统收集两路干涉光强信息，首先求得探测点光束光强随时间变化量I₀＝I₁+I₂，并进行归一化，得到归一化光强如图2(c)所示；然后重组探测点光强干涉信号如图2(d)所示；最后对干涉信号I_f进行预处理(包括去直流项、切趾、相位校正等环节)，得到干涉信号中余弦项对干涉信号中余弦项进行傅里叶变换求取探测点光谱，如图2(e)所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，包括沿光路方向依次设置的准直物镜、双通道干涉仪、第一探测模块、第二探测模块及数据处理系统，所述第一探测模块和第二探测模块都与数据处理系统连接；

所述双通道干涉仪包括共光轴顺时针依次设置的分束镜、第一棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第二棱镜，所述分束镜与入射光轴成45°，第一反射镜和第二反射镜与分束镜平行；所述第一棱镜能绕棱镜中心垂直于纸面的轴转动或摆动；

探测点发出的光线经过准直物镜形成平行光束，经过分束镜后分为第一反射光和第一透射光；

第一反射光首先经过第一棱镜后入射到第一反射镜，发生反射后再次入射分束镜，随后被分束镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光进入第一探测模块，第二透射光进入第二探测模块；

第一透射光首先经过第二棱镜入射到第三反射镜，发生反射后再次入射分束镜，随后被分束镜分为第三反射光和第三透射光， 第三反射光进入第二探测模块，第三透射光进入第一探测模块。

2.如权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，所述第一探测模块包括沿光路方向依次设置的第一聚焦物镜和第一探测器，其中第一探测器的靶面位于第一聚焦物镜的后焦面上，所述第一探测器与数据处理系统连接。

3.如权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，所述第二探测模块包括沿光路方向依次设置的第二聚焦物镜和第二探测器，其中第二探测器的靶面位于第二聚焦物镜的后焦面上，所述第二探测器与数据处理系统连接。

4.如权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，所有的光学元件相对于基底等高。

5.如权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，所述分束镜的一面镀半透半反膜，另一面镀增透膜。

6.如权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪，其特征是，所述准直物镜采用折射型镜头或反射型镜头。

7.采用权利要求1所述一种双通道傅里叶光谱仪的光谱探测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：来自探测点的光束首先经过准直物镜形成平行光束，入射双通道干涉仪；

步骤二：平行光束进入双通道干涉仪后，经过两次分光，形成第一输出光束和第二输出光束，每路输出光束包含两束相干光束，通过旋转第一棱镜引入两束相干光的光程差；

步骤三：第一输出光束进入第一探测模块，记录第一干涉光强信息I1，第二输出光束进入第二探测模块，记录第二干涉光强信息I2；

步骤四：数据处理系统收集两路干涉光强信息求取探测点光谱；

所述步骤四包括，

步骤4.1，求探测点光束光强随时间变化量I₀＝I₁+I₂，并进行归一化，得到归一化光强

步骤4.2，重组探测点光强干涉信号

步骤4.3，对干涉信号I_f进行预处理，得到干涉信号中余弦项对干涉信号中余弦项进行傅里叶变换求取探测点光谱。

8.如权利要求7所述的光谱探测方法，其特征是，所述步骤4.3中预处理包括去直流项、切趾及相位校正。