CN107144352A - 一种分谱段干涉光谱仪及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分谱段干涉光谱仪及探测方法，该干涉仪包括干涉系统、光谱分割单元、光探测器组和数据处理系统；探测点出射的光线通过干涉系统形成两束相干光；两束相干光通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束，每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号；数据处理系统与所述光探测器组相连，采用傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。本发明可以提高复原光谱的准确性，相比传统傅里叶光谱仪，更加适合于宽光谱谱段的紫外、可见光、近红外和中红外光谱探测。
Description
技术领域
本发明属于光谱探测领域，具体涉及一种分谱段干涉光谱仪及探测方法。
背景技术
傅里叶光谱仪是利用光谱信号和干涉条纹信号之间的傅里叶变换关系，通过探测目标点发出光束的干涉条纹，反演光谱信息，其具有高光通量、多通道等优点。傅里叶光谱仪是天文观测、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设备。
傅里叶光谱仪获取干涉条纹的信噪比随着干涉条纹光程差的增大而减小，减小幅度受探测目标光谱谱段宽度的影响，探测谱段越宽，干涉条纹信噪比随光程差增加而迅速减小，导致长光程差位置的干涉条纹信号信噪比较差，影响复原光谱的精度。因此，目前傅里叶光谱仪多用于远红外和中红外谱段探测，其探测谱段（波数域）较小；而在紫外、可见光和近红外光谱谱段，由于探测光谱谱段较宽，傅里叶光谱仪信噪比较差，使用率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种分谱段干涉光谱仪，能够提高宽谱段光谱信号对应干涉条纹信号的信噪比，因而可以提高复原光谱的准确性；相比传统傅里叶光谱仪，更加适合于宽光谱谱段的紫外、可见光、近红外和中红外光谱探测。
本发明采用下面的技术方案：
一种分谱段干涉光谱仪，包括干涉系统、光谱分割单元、光探测器组和数据处理系统；
探测点出射的光线通过干涉系统形成两束相干光；两束相干光通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束，每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号；数据处理系统与所述光探测器组相连，采用傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
进一步的，所述光谱分割单元包括滤光片阵列和聚光物镜组，滤光片阵列具有N（N=1, 2, 3, …）个谱段的滤光片；聚光镜组具有N（N=1, 2, 3, …）个聚光镜；光探测器组具有N（N=1, 2, 3, …）个光探测器；滤光片阵列中每个滤光片通道对应聚光镜组中的一个聚光物镜和光探测器组中的一个光探测器。
进一步的，所述干涉系统包括准直单元和干涉仪，探测点出射的光线首先通过准直单元形成平行光束，平行光束通过干涉仪形成两束相干光。
进一步的，所述干涉仪采用迈克尔逊干涉仪或者马赫泽德干涉仪。
进一步的，所述干涉仪具有内部推扫单元，用于引入两束相干光的光程差。
进一步的，所述内部推扫单元可以采用动静推扫单元、转镜推扫单元或移动楔板。
进一步的，所述光探测器组采用点探测器组。
本发明还提供了一种分谱段干涉光谱仪的光谱探测方法，包括：
探测点出射光束经过干涉系统，产生两束相干光束，两束相干光束通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束；每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号，复原探测点的光谱信息。
进一步的，本发明采用傅里叶变换、谱段拼接方法处理所述电信号，得到探测点的光谱信息。
进一步的，所述光探测器采用点探测方法采集所述相干光束。
本发明的工作流程：
探测点发出的光束首先经准直单元形成平行光束，平行光束进入干涉仪形成两束相干光，干涉仪通过内部推扫单元引入两束相干光的光程差；
两束相干光随后通过滤光片阵列，被分割成N个不同谱段的两束相干光束；
每个谱段的两束相干光束经过聚光物镜组中对应的聚光物镜后汇聚在光探测器组中对应的光探测器上，通过干涉仪中推扫单元作用，形成N个谱段的干涉条纹；
光探测器组将N个谱段的干涉条纹信号转化为电信号送入数据处理系统，经过傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
本发明的有益效果：
本发明一种分谱段干涉光谱仪的优点在于，能够提高宽谱段光谱信号对应干涉条纹信号的信噪比，因而可以提高复原光谱的准确性；相比传统傅里叶光谱仪，更加适合于宽光谱谱段的紫外、可见光、近红外和中红外光谱探测。
附图说明
图1为本发明一种分谱段干涉光谱仪；
图2为模拟宽谱段光谱信号；
图3为采用常规干涉光谱仪获取的宽谱段光谱的干涉条纹信号；
图4为采用本发明一种分谱段干涉光谱仪获取的宽谱段光谱的N（N=4）个谱段干涉条纹信号。
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：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一种典型实施例是一种分谱段干涉光谱仪，包括干涉系统、光谱分割单元、光探测器组和数据处理系统；
探测点出射的光线通过干涉系统形成两束相干光；两束相干光通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束，每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号；数据处理系统与所述光探测器组相连，采用傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
如图1所示，沿光路方向依次放置干涉系统，干涉系统包括准直物镜1、干涉仪2，光谱分割单元包括滤光片阵列3、聚光物镜组4；光探测器组采用点探测器组。
滤光片阵列3包含N（N=1, 2, 3, …）个谱段的滤光片；聚光镜组4包含N（N=1, 2,3, …）个聚光镜；点探测器组5包含N（N=1, 2, 3, …）个点探测器；滤光片阵列3中每个滤光片通道对应聚光镜组4一个聚光物镜和点探测器组5中一个点探测器；点探测器组5与数据处理系统6相连接。
本实施例中光路走向如下：探测点发出的光线经过准直物镜1形成平行光束；进入干涉仪2，形成两束相干光，干涉仪通过内部推扫元件引入两束相干光的光程差；两束相干光随后通过滤光片阵列3，被分割成N个不同谱段的两束相干光束；每个谱段的两束相干光束经过聚光物镜组4中对应的聚光物镜后汇聚在点探测器组5中对应的点探测器上，通过干涉仪2中推扫元件作用，形成N个谱段的干涉条纹。
光探测器组将N个谱段的干涉条纹信号转化为电信号送入数据处理系统，经过傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
本实施例中的干涉仪可以采用迈克尔逊干涉仪或者马赫泽德干涉仪，但不限于上述干涉仪，只要能够实现对入射光束进行干涉即可。
干涉仪具有内部推扫单元，用于引入两束相干光的光程差。 内部推扫形式可以采用动静推扫型、转镜推扫型、移动楔板型等。
本发明的再一实施例是一种分谱段干涉光谱仪的光谱探测方法，包括：
探测点出射光束经过干涉系统，产生两束相干光束，两束相干光束通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束；每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号，复原探测点的光谱信息。
复原探测点的光谱信息主要采用傅里叶变换、谱段拼接方法处理，最终可以得到探测点的光谱信息。
本实施例中的光探测器同样采用点探测方法采集上述的相干光束。
进一步的，本实施例给出了模拟验证，图2为模拟宽谱段光谱信号。
探测点的发射或者反射的光谱信息如图2所示，光束经过准直物镜1后行成平行光束；平行光束进入干涉仪2，产生两束相干光束，干涉仪通过内部推扫元件引入两束相干光的光程差；
两束相干光随后通过滤光片阵列3，被分割成N个不同谱段的两束相干光束；每个谱段的两束相干光束经过聚光物镜组4中对应的聚光物镜后汇聚在点探测器组5中对应的点探测器上，通过干涉仪中推扫元件作用，形成N个谱段的干涉条纹，当N取4时，获取的干涉4条干涉条纹如图4所示；
点探测器组5将N个谱段的干涉条纹信号转化为电信号送入数据处理系统6，经过傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
图3给出了利用常规干涉光谱仪获取的图2所示光谱信号对应的干涉条纹信号，图4为采用本实施例获取的宽谱段光谱的N（N=4）个谱段干涉条纹信号。与图4中获取的4条谱段干涉条纹相比，在长光程差下常规干涉光谱仪获取的信号幅值明显降低，导致干涉条纹信号信噪比降低，影响复原光谱精度。
本发明一种分谱段干涉光谱仪的优点在于，能够提高宽谱段光谱信号对应干涉条纹信号的信噪比，因而可以提高复原光谱的准确性；相比传统傅里叶光谱仪，更加适合于宽光谱谱段的紫外、可见光、近红外和中红外光谱探测。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：包括干涉系统、光谱分割单元、光探测器组和数据处理系统；
探测点出射的光线通过干涉系统形成两束相干光；两束相干光通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束，每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号；数据处理系统与所述光探测器组相连，采用傅里叶变换、谱段拼接后复原探测点的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述光谱分割单元包括滤光片阵列和聚光物镜组，滤光片阵列具有N（N=1, 2, 3, …）个谱段的滤光片；聚光镜组具有N（N=1, 2, 3, …）个聚光镜；光探测器组具有N（N=1, 2, 3, …）个光探测器；滤光片阵列中每个滤光片通道对应聚光镜组中的一个聚光物镜和光探测器组中的一个光探测器。
3.根据权利要求1所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述干涉系统包括准直单元和干涉仪，探测点出射的光线首先通过准直单元形成平行光束，平行光束通过干涉仪形成两束相干光。
4.根据权利要求3所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述干涉仪采用迈克尔逊干涉仪或者马赫泽德干涉仪。
5.根据权利要求3所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述干涉仪具有内部推扫单元，用于引入两束相干光的光程差。
6.根据权利要求5所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述内部推扫单元采用动静推扫单元、转镜推扫单元或移动楔板。
7.根据权利要求1所述的一种分谱段干涉光谱仪，其特征在于：所述光探测器组采用点探测器组。
8.一种分谱段干涉光谱仪的光谱探测方法，其特征在于，包括：
探测点出射光束经过干涉系统，产生两束相干光束，两束相干光束通过光谱分割单元被分割成N个不同谱段的两束相干光束；每个谱段的两束相干光束被光探测器组采集，光探测器组将光信号转化为电信号，复原探测点的光谱信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：采用傅里叶变换、谱段拼接方法处理所述电信号，得到探测点的光谱信息。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述光探测器采用点探测方法采集所述相干光束。
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