CN107356335B - 一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，所述方法包括以下步骤：以大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱为修复对象，通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理，以此改善光谱的加宽和偏移状态，获得具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱；以小口径JStop条件下的高分辨傅里叶变换光谱为参考对象，通过复原光谱与参考对象的比对，验证数字光阑技术的可靠性和准确性。本发明突破常规傅里叶变换光谱仪中由JStop决定的光通量和光谱分辨率之间的相互限制，大幅度提高傅里叶变换光谱的光通量，从而进一步提高信噪比。

Description

一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法

技术领域

本发明涉及傅里叶变换光谱检测领域，尤其涉及一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法。

背景技术

傅里叶变换光谱仪是对物质进行定性分析和定量检测的重要光谱检测工具，目前，被广泛地应用在众多领域，包括：食品业、制药业、化工产业、安全领域以及环保领域等，尤其适用于微弱信号的测量。相比于色散型光谱仪，傅里叶变换光谱仪具有高通量的优势。与色散型光谱仪不同，傅里叶变换光谱仪中没有设置狭缝，而是设置有Jacquinot光阑(JStop^[1][2])，在光谱分辨能力相同的情况下，傅里叶变换光谱仪的光通量是色散型光谱仪的约60倍。因此，傅里叶变换光谱往往具有较高的信噪比。

然而，JStop的设置会不可避免地引起光谱的加宽和偏移。不同于理想点光源形成的完全准直光束，JStop具有一定的孔径，穿过JStop的光源光束经过准直镜后，具有一定的发散角。由于发散角的存在，导致光束中的不同光线在迈克尔逊干涉仪中的传播路径不同，形成的光程差不一致。正是因为光程差的不一致，产生了光谱的加宽和偏移现象。虽然JStop孔径越大，光通量越大，但是光谱的加宽和偏移也会越明显。因此，常规的傅里叶变换光谱仪中均存在由JStop决定的光通量和光谱分辨率相互限制的问题。目前，还没有有效的优化方法去突破光通量和光谱分辨率的相互权衡，通常的选择则是牺牲光通量去获得较高的光谱分辨率。因此，急需有效的技术手段在保持较高光谱分辨率的同时实现光通量的大幅度提高。

参考文献

[1]李志刚,齐文宗,李福田.软X射线-真空紫外傅里叶变换光谱仪及其光谱分辨率研究[J].光学精密工程,1998,6(5):84-90.

[2]Saptari V.Fourier transform spectroscopy instrumentationengineering[M].SPIE press,2004.

发明内容

本发明提供了一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，本发明突破常规傅里叶变换光谱仪中由Jacquinot光阑(JStop)决定的光通量和光谱分辨率之间的相互限制，大幅度提高傅里叶变换光谱的光通量，从而进一步提高信噪比，详见下文描述：

一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，所述方法包括以下步骤：

以大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱为修复对象，通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理，以此改善光谱的加宽和偏移状态，获得具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱；

以小口径JStop条件下的高分辨傅里叶变换光谱为参考对象，通过复原光谱与参考对象的比对，验证数字光阑技术的可靠性和准确性。

所述通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理具体为：

通过反演计算，对加宽、偏移明显的高通量傅里叶变换光谱进行处理，获得具有较高光通量和光谱分辨率的傅里叶变换光谱。

所述通过反演计算，对高通量傅里叶变换光谱进行处理具体为：

获取复原光谱p₀：

建立一个投影算子H，表示光谱加宽和偏移的规则，该投影算子H是光强分布和波数偏移步长的函数，表示为H(a,Δν)：

p_r＝Hp₀+e

使用迭代算法，寻找最大似然参数，直到收敛：

其中，β表示调整系数，P_r为实际采集的光谱；n表示波数偏移的次数；a_i表示JStop处的光强分布；v为光谱波数坐标；Δν表示波数偏移步长；e为噪声；k为迭代次数。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明在维持常规傅里叶变换光谱仪硬件组成和结构不变的基础上，无需增加额外的元器件，无需考虑傅里叶变换光谱仪的具体光学参数，引进了数字光阑技术；

2、本发明在大口径JStop形成的高通量光谱采集条件下，对采集的傅里叶变换光谱进行数字修复处理，改善光谱的加宽和偏移问题，获得具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱，从而突破光通量和光谱分辨率的相互权衡；

3、本发明在保持较高光谱分辨率的同时，实现光通量的大幅度提高。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法的流程图；

图2是本发明提供的一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法的原理依据，即JStop对光谱加宽和偏移的影响；

图中，常规傅里叶变换光谱仪主要由光源S、光阑JStop、准直透镜L₁、分束器BS、固定反射镜M₁、可调反射镜M₂、会聚透镜L₂和探测器PD组成。

为了直观地显示JStop带来的影响，M₁’是M₁通过分束器BS所成的像。在傅里叶变换光谱仪中，探测器PD探测到的是干涉图，只有经过快速傅里叶变换(FFT)，才能得到光谱图。

图3是本发明提供的一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法的实际效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，参见图1和图2，该方法包括以下步骤：

101：以大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱为修复对象，通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理，以此改善光谱的加宽和偏移状态，获得具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱；

102：以小口径JStop条件下的高分辨傅里叶变换光谱为参考对象，通过复原光谱与参考对象的比对，验证数字光阑技术的可靠性和准确性。

其中，步骤101中的通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理具体为：

通过反演计算，对加宽、偏移明显的高通量傅里叶变换光谱进行处理，获得具有较高光通量和光谱分辨率的傅里叶变换光谱。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤102突破常规傅里叶变换光谱仪中由JStop决定的光通量和光谱分辨率之间的相互限制，大幅度提高傅里叶变换光谱的光通量，从而进一步提高信噪比。

实施例2

下面结合图1和图2对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

本发明实施例是基于常规的傅里叶变换光谱仪进行的，无需改变常规傅里叶变换光谱仪的硬件组成和结构，无需增加额外的元器件，并且，无需考虑傅里叶变换光谱仪的具体光学参数。只需要利用数字修复处理的手段去改善大口径JStop引起的光谱加宽和偏移，从而获得同时具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱。

当傅里叶变换光谱仪设置有大口径JStop的时候，可以采集到高通量的傅里叶变换光谱，但是，光谱的加宽和偏移现象明显，导致光谱分辨率的显著恶化。

当傅里叶变换光谱仪设置有小口径JStop的时候，可以采集到高分辨的傅里叶变换光谱，但是，光谱的光通量较小，导致光谱的信噪比较差。

为了解决由JStop口径大小决定的光通量和光谱分辨率相互限制的问题，以大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱为修复对象，利用数字光阑技术，对光谱进行数字形式的修复处理，改善光谱的加宽和偏移状态。

具体而言，上述利用数字光阑技术，对光谱进行数字形式的修复处理，即主要是指通过反演计算，获得同时具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱。

为了验证上述反演计算所得的复原光谱是可靠的、准确的，以小口径JStop条件下的高分辨傅里叶变换光谱为参考，通过复原光谱与参考光谱的比对，确定数字光阑技术的可靠性和准确性。

一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法的实施是依据JStop引起光谱加宽和偏移的现象以及数量关系进行的，如图2所示。

在常规的傅里叶变换光谱仪中，当光源S是理想的点光源时，光源光束可以被完全准直，不存在发散角，最终经过快速傅里叶变换(FFT)可以得到理想的光谱图P₀，中心波数为ν₀。然而，由于光源S总是有一定的尺寸，为了限制S的大小，设置了一定口径的JStop，此时，准直光束存在最大发散角α，满足关系：α≈tanα＝d/2f₁。

其中，d是JStop的口径，f₁是准直透镜的焦距。由于发散角α的存在，进入干涉仪的光束中的各条光线的传播路径不一样，从而导致形成的光程差不一致。对应于发散角α的光线经过FFT后得到的光谱不再是P₀，而是变为P_α。两者的形态完全一样，只是P_α的中心波数ν_α变小，为

由于JStop的设置，实际采集的光谱P_r是理想光谱P₀和一系列对应于不同发散角的偏移光谱的叠加，相对于理想光谱P₀，实际光谱P_r出现了加宽和偏移的现象。当JStop口径越大，光通量越大，然而，光谱的加宽和偏移现象也越明显。

为了突破常规傅里叶变换光谱仪中由JStop决定的光通量和光谱分辨率之间的相互限制，引进了数字光阑技术。数字光阑技术是一种通过数值反演计算修复高通量傅里叶变换光谱中的加宽和偏移状态的数字修复手段。

在数字光阑技术中，以p₀表示同时具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱，以p_r表示大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱，此时，可以通过求解公式(1)，获取复原光谱p₀：

公式(1)中，a_i表示JStop处的光强分布，Δν表示波数偏移步长，n表示波数偏移的次数，v为光谱波数坐标，e为噪声。JStop处的光强分布a_i可以事先通过阵列式探测器测量到，波数偏移步长Δν通常等于傅里叶变换光谱仪的采样波数间隔，偏移次数n由光束的最大发散角决定。

在此基础上，建立一个投影算子H，表示光谱加宽和偏移的规则。该投影算子H仅仅是光强分布a_i和波数偏移步长Δν的函数，可以表示为H(a,Δν)，与傅里叶变换光谱仪的具体光学参数无关。此时，可以将公式(1)转换为：

p_r＝Hp₀+e (2)

为了求解公式(2)，使用迭代算法，根据公式(3)，去寻找最大似然参数，直到收敛：

公式(3)中，β表示调整系数，k为迭代次数。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，具有显著的优势，不仅可以突破光通量和光谱分辨率之间的相互限制，大幅度提高光通量，而且基于现有的傅里叶变换光谱仪，无需增加额外的元器件，无需考虑傅里叶变换光谱仪的具体光学参数，具有较高的可操作性和较好的通用性。

实施例3

下面结合图3、以及实验数据对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

本发明实施例在维持常规傅里叶变换光谱仪硬件组成和结构不变的基础上，利用数字光阑技术，对光谱进行数字形式的修复处理，改善光谱的加宽和偏移状态，从而突破光通量和光谱分辨率的相互权衡。

图3示出了本发明实施例提供的一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法的实际效果图，详述如下：

利用傅里叶变换光谱仪采集水蒸气的中红外吸收光谱，其中，水蒸气的压强约为5kPa，傅里叶变换光谱仪的极限分辨率为0.08cm^-1。为了提高原始光谱的信噪比，减小噪声对数字光阑技术的影响，采样时进行了100次平均。

分别设置JStop口径为1mm和4mm。其中，以4mm JStop口径时采集的光谱为修复对象，其具有的光通量是1mm JStop口径时的约12倍，但是其光谱加宽和偏移比较明显。以1mmJStop口径时采集的光谱为参考光谱，其具有较高的光谱分辨率，光谱加宽和偏移可以忽略，但是其光通量小，信噪比差。

为了简化数字修复处理，以高斯分布表示JStop处的光强分布，采用Landweber迭代算法，寻找最大似然参数，从而得到同时具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱。

其中，上述迭代算法，以及寻找最大似然参数的过程为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

复原光谱具有较大的光通量，其信噪比明显好于参考光谱，约为参考光谱的3倍。同时，复原光谱与参考光谱中的主要谱峰可以很好地匹配，说明复原光谱是可靠的、准确的。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于数字光阑技术的高通量傅里叶变换光谱检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

以大口径JStop条件下的高通量傅里叶变换光谱为修复对象，通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理，以此改善光谱的加宽和偏移状态，获得具有较高光通量和光谱分辨率的复原光谱；

以小口径JStop条件下的高分辨傅里叶变换光谱为参考对象，通过复原光谱与参考对象的比对，验证数字光阑技术的可靠性和准确性；

其中，所述通过数字光阑，对高通量傅里叶变换光谱进行数字形式的修复处理具体为：

通过反演计算，对加宽、偏移明显的高通量傅里叶变换光谱进行处理，获得同时具有较高光通量和光谱分辨率的傅里叶变换光谱；

进一步地，所述通过反演计算，对加宽、偏移明显的高通量傅里叶变换光谱进行处理具体为：

获取复原光谱p₀：

建立一个投影算子H，表示光谱加宽和偏移的规则，该投影算子H是光强分布和波数偏移步长的函数，表示为H(a,Δν)：

p_r＝Hp₀+e

使用迭代算法，寻找最大似然参数，直到收敛：

其中，β表示调整系数，P_r为实际采集的光谱；n表示波数偏移的次数；a_i表示JStop处的光强分布；v为光谱波数坐标；Δν表示波数偏移步长；e为噪声；k为迭代次数。