CN107407601B - 用于补偿由光谱仪系统产生的干涉图的时间周期扰动的光谱仪系统和方法 - Google Patents
用于补偿由光谱仪系统产生的干涉图的时间周期扰动的光谱仪系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
光谱仪系统和用于补偿由光谱仪系统产生的干涉图的时间周期性扰动的方法。光谱仪系统(2)包括：扫描干涉仪(4)；驱动系统(6)，其机械耦合到扫描干涉仪(4)的可移动反射器元件(14)并且可操作以实现多个，优选地多于两个，例如三个不同的扫描速度下可移动反射器元件(14)的往复运动；检测器装置(8)，被配置为以等距时间间隔对由扫描干涉仪(2)形成的干涉图进行采样以产生采样干涉图；以及数据处理器(10)，适于在所述多个不同扫描速度中的每一个处获取采样的干涉图，并且执行如此获取的多个采样干涉图的内容的相对比较。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪系统和用于补偿由光谱仪系统产生的干涉图的时间周期扰动的方法，特别涉及使用包括扫描傅里叶变换(FT)干涉仪的光谱仪系统记录的干涉图的那些扰动。
背景技术
已知提供具有诸如迈克尔逊型(Michelson type)扫描FT干涉仪的光谱仪系统。干涉仪广泛地包括分束器和两个或更多个反射器，例如反射镜或反射器，其中至少一个反射器布置成可往复移动。准直透镜或其他光学器件也可以包括在干涉仪中，但并不是其工作原理的根本。
通常，例如当这种干涉仪用于光谱学时，由感兴趣的波长区域中的相对宽带辐射组成的观测光束通常在与观测中的样本相互作用后进入干涉仪，并且撞击到分束器。这个观测光束在分光器处被分成基本上相同强度的两部分。第一光束被分束器反射并沿着干涉仪的第一“臂”行进到第一反射器，从第一反射器它被反射回分束器。第二光束通过分束器传输，并沿着第二个“臂”行进到第二反射器，从第二反射器它也被反射回分束器，以与反射的第一个光束重叠。延迟δ是两臂的光路长度之间的差异，并且取决于延迟，当两个臂中的反射光在分束器上重叠时，光谱源的每个波长可能会破坏性地或建设性地干扰。作为延迟的函数的重叠干涉光的强度图案在下文中称为观测干涉图。观测干涉图由检测器记录，因为一个或多个反射器(通常是一个反射器)以恒定速度移动，以产生相关光路的循环偏移，因此在第一光束和第二光束之间产生循环光路长度差。
在检测器处接收的干扰信号的采样是以时间等距的方式进行的(即，以光路长度差的相等间隔)，例如通过在共干涉激光器的干涉图中的特定点(例如零交叉点)上触发所确定的。以这种方式，可以实现在路径长度差方面对观测干涉图的非常精确的采样。所得到的采样观测干涉图在空间中是周期性的，并且包含调制光的频率分布，然后可以将频率分布傅立叶变换为波长(或频率)相关强度谱。
然而，如果存在与光谱仪系统特别是与干涉仪相关联的一些扰动，其由于反射器的恒定的扫描速度在时间上是周期性的，这将作为调制光的假频率分量出现，并且因此会在受影响的频率下产生强度谱中的伪像。这种时间周期性扰动可以有许多形式，例如由例如外部振动引起的光学系统的时间周期性对准变化；在传输测量的情况下，可能再次由于外部振动而导致时间周期性的路径长度变化。检测器及其电子电路的时间周期性电磁干扰也可能表现为调制光的假频率分量。
这种时间周期性扰动可能不利地影响光谱仪系统的性能，因为在没有其本质的先验知识的情况下不可能将这些扰动与真实信号区分开。
发明概述
本发明的目的是至少识别在由这种时间周期性扰动产生的观测干涉图中的伪像，并且优选地校正所产生的强度谱以减轻这种伪像的影响。
根据本发明的第一方面，提供了光谱仪系统，包括：扫描干涉仪；驱动系统，其机械地耦合到所述扫描干涉仪的可移动反射器元件并且可操作以实现所述可移动反射器元件的往复运动；检测器装置，被配置为以等长的长度间隔对由扫描干涉仪形成的干涉图进行采样以产生采样干涉图；以及数据处理器，适于获取采样干涉图并对其执行傅里叶变换操作；其中所述驱动系统可操作以以多个不同的速度实现所述可移动反射器元件的往复运动，并且其中所述数据处理器适于在所述多个不同速度中的每一个处采集采样的干涉图并且执行如此获取的多个采样干涉图的内容的相对比较。通过以多个不同的扫描速度和因此采样频率获得干涉图，时间上呈周期性的扰动在记录的干涉图中将表现为多个不同周期性，然后可以通过光谱的相对比较来识别周期性。
在一些实施方案中，可以随时间监视在时间上周期性的扰动的电平和可能的频率。这可用于排除或预测光谱仪系统操作中的问题。
在一些实施方案中，数据处理器适于处理采样干涉图的内容，作为通过对每个采样干涉图执行傅立叶变换操作所产生的强度谱的内容的比较。对每个采样干涉图的傅立叶变换产生的强度谱则都受到由实际扰动频率和不同扫描速度给出的不同光谱频率下的扰动的干扰。
在一些实施方案中，驱动系统可操作以实现可移动反射器元件在三个或更多个，优选三个不同速度下的往复运动。然后可以通过对内容、有用的是至少三个扫描速度下采样干涉图的强度谱的内容进行相对比较来识别扰动。
有用地，数据处理器适于处理内容以产生形成为从采样干涉图获得的强度谱的加权平均值的单个校正强度谱。在一些实施方案中，每个强度谱对该单个校正强度谱的光谱贡献通过强度谱与多个其他强度谱(诸如与由所有多个强度谱产生的平均强度谱)有多相似(相反地，有多不同)而被加权。以这种方式，由扰动干扰的强度谱的部分由其他强度谱的未受扰部分重新形成。
通过这样做，可以在很大程度上地减少在时间上周期性的扰动对从获取的干涉图获得的强度谱的影响，而不会破坏不受扰动影响的谱区域中的信噪比。有利地，对于不受干扰的系统，这种加权不会降低信噪比。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于校正根据本发明的第一方面的光谱仪系统中生成的干涉图中的时间周期性扰动的方法，包括以下步骤：收集多个采样干涉图以通过数据处理器进行访问，每个采样干涉图以可移动反射器元件的多个不同往复运动速度中的不同的一个获得；在所述数据处理器中对所述多个采样干涉图中的每一个执行傅里叶变换操作以产生相同的多个强度谱；在数据处理器中比较多个强度谱以识别它们之间的差异；并产生校正的强度谱以减轻差异。
在根据本发明的方法的一些实施方案中，差异被存储为每个强度谱的加权，其中强度谱的加权表示强度谱和多个的剩余强度谱之间的相似度，其中生成校正强度谱作为多个强度谱的加权平均。以这种方式，由扰动干扰的强度谱的部分由其他强度谱的未受扰部分重新形成。
因此，有可能在很大程度上降低在时间上周期性的扰动对从获得的干涉图获得的强度谱的影响，而不破坏不受扰动影响的谱区域中的信噪比。有利地，对于不受干扰的系统，这种加权不会降低信噪比。
附图说明
现在将参考附图的附图来描述光谱仪系统的实施方案及其操作方法，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的光谱仪系统；
图2示出了用于在图1的光谱仪系统中实现的根据本发明的方法的实施方案；
图3示出了在不同采样频率(扫描速度)下获得的光谱；和
图4示出了根据本发明的方法生成的校正强度谱。
发明详述
现在考虑在图1中示意性示出的示例性光谱仪系统2，包括扫描干涉仪4；驱动系统6；检测器装置8；以及数据处理器10。扫描干涉仪4在本实施方案中是迈克尔逊型扫描干涉仪，其基本上包括固定反射镜12、可往复平移的可移动反射镜14和相对于固定反射镜12和可移动反射镜14设置以将入射光束18；20分解成基本相等强度的第一部分22；24和第二部分26；28的分束器16。第一部分22；24被分束器16反射，沿着由固定反射镜12界定的第一臂行进，第一部分从该固定反射镜12被反射回分束器16。第二部分26；28通过分束器16传送以沿着第二臂移动，由可往复平移的可移动反射镜14界定，第二部分从该可移动反射镜14反射回分束器16以与反射的第一部分22；24重叠。根据第一臂和第二臂的光路长度之间的路径差(延迟δ)，两个部分22,26；24,28将在分束器16处建设性地或破坏性地干涉，以形成干涉图30,32，干涉图30,32入射到检测器装置8上由检测器装置8记录。
常规地，如图1所示，提供了高度单色参考源(这里例如是激光参考源34)以产生入射光束20，如上所述入射光束20最终形成用于由检测器装置8的参考检测器36检测的干涉图32。该参考检测器36的输出被传递到过零检测器38，该过零检测器38包括用于检测由激光参考源34产生的干涉图32的过零点的电路，并且该电路根据检测到的过零点输出触发信号，以触发入射到检测器装置8的观测检测器40上的干涉图30的采样。这些触发信号在本实施方案中示出为控制数据处理器10的操作以在接收到触发之后在短时间间隔内获取观测检测器20的输出并且将获取的输出存储为采样干涉图。可替代地，触发信号可以控制观测检测器40的操作以产生用于数据处理器10采集的周期性输出。
在使用中，观测光束进入干涉仪4以与来自激光参考源34的入射光束20同时提供入射光束18，如上所述，该入射光束18最终形成用于由检测器装置8的观测检测器40检测的干涉图30。通常，观测光束(提供入射光束18)是宽带光束，并且在与观测中的样本相互作用之后从光谱仪系统2的外部进入干涉仪4。在一些实施方案中，观测光束18可以在光谱仪系统2内产生，然后观测中的样本可以可拆卸地插入光谱仪系统2内的观测光束18的路径中。
到目前为止描述的光谱仪系统2将被本领域技术人员认识为具有常规的结构和操作。
驱动系统6机械地耦合到可往复移动的可移动反射镜14并且可操作以实现其往复运动。在本示例性实施方案中，仅作为说明，驱动系统6包括蜗杆驱动器或其他线性致动器，并且设计成以恒定速度驱动可移动反射镜14，以产生干涉仪4的延迟δ的循环变化。在本发明中，驱动装置6适于选择性地产生多个，优选地大于两个，例如三个不同的速度(所谓的“扫描速度”)，在该速度下使可移动反射镜14往复运动。数据处理器10被配置为获取并存储用于可移动反射镜14的多个扫描速度中的每一个的采样干涉图，并且对每个存储的采样干涉图的内容进行相对比较，以便确定频率相关伪像的存在。由于在时间上为周期性的扰动产生的伪像将在多个存储的采样干涉图中表现为多个不同的周期，因此在数据处理器10中由对不同扫描速度的多个(这里三个)中的每一个的存储的采样干涉图进行的傅里叶变换操作所产生的强度谱处于不同的频率(或波长)。
现在将参考图2更详细地描述用于校正时间周期扰动对在基于扫描干涉仪的光谱仪(例如图1的光谱仪2)中产生的干涉图的影响的示例性方法。
在采集步骤42中，在数据处理器10中收集并存储多个采样干涉图，每个采样干涉图在往复平移可移动反射镜14的扫描速度中的多个(在本实施方案中为三个)的中的一个处生成。
在变换步骤44中，存储的多个采样干涉图中的每一个在数据处理器10中经过傅里叶变换操作。结果，相应的多个强度谱由数据处理器10生成并存储在数据处理器10中。
在比较步骤46中，在数据处理器10中将存储的多个强度谱彼此进行比较。作为该相对比较的结果，识别出由光谱仪系统2的时间相关扰动产生的采样干涉图中的伪像作为多个强度谱之间的频率(或波长)变化分量。
在可选的校正步骤48中，校正存储的多个强度谱以减少所识别的伪像的存在。
现在考虑到图3中所示的强度对波数(或频率)υ的曲线，其表示在1200Hz、1500Hz和2700Hz的三个不同采样频率下收集的强度谱S1(υ),S2(υ)和S3(υ)及其对应的标准偏差a'，b'，c'。应当理解，采样频率(例如，对应于参考激光干涉图的过零点)将反映移动反射镜的扫描速度。因此，图3表示以三种不同扫描速度收集的强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)。将进一步理解，标准偏差a'，b'，c'表示信号噪声。
每个强度谱S1(υ),S2(υ)和S3(υ)是在1200Hz，1500Hz和2700Hz的相应采样频率处收集的多个(这里50个)光谱的平均强度谱。从与每个采样频率相关联的标准偏差(信号噪声)的比较可以看出，由于扰动50,52,54导致的贡献存在于每个采样频率的不同波数位置。
在本发明的一些实施方案中，如此确定的扰动的位置和/或强度可以由数据处理器10在对光谱仪系统的操作故障排除中使用，例如如果扰动强度超过预设阈值，则可以提供警告，或者如果扰动出现在与来自样本的信息干涉的位置，则可以丢弃谱信息。
在本发明的其它实施方案中，校正的强度谱可由数据处理器10产生，其中扰动的影响被减轻。
作为实施例，如图4(a)所示，可以通过简单地形成在多个不同的采样频率(扫描速度)下收集的强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)的平均值来生成展现降低的扰动贡献56的、具有标准偏差d′的校正强度谱。
通常可以考虑在多个i不同扫描速度的(在图4(a)所示的示例中，3个不同的扫描速度)并且因此在i个不同的采样频率下测量的一系列光谱。将得到一组光谱Si(υ)，其中υ是波数。平均光谱S(υ)可以表示为：
S(v)＝[∑iSi(v)]/i (1)
这种简单平均计算的改进如图4(b)所示，其示出了具有标准偏差e′的校正强度谱SLMMSE(υ)，其中扰动的贡献58比图4(a)所示的进一步减小。在该实施例中，校正强度谱SLMMSE(υ)被生成为各个强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)的平均光谱，其各自根据其相似度(相反地，它的差异)与根据上述等式(1)计算的平均光谱S(υ)加权。
通常，对于Si(υ)中的每个波数(频率)v，可以构造一个度量SMi(υ)，表示每个频谱Si(υ)与平均光谱S(υ)的相似度为：
SMi(v)＝[Si(v)-S(v)]2 (2)
然后可以使用线性最小均方估计器(LMMSE)在数据处理器10中构建校正的强度谱，如下式所给出的：
可以使用数据处理器10中采用的其他已知算法和数学技术中的任何一种来完成作为校正强度谱的平均谱的产生。每个的目的是将每个谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)进行比较，并使用所有强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)来形成其中强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)相似的均值，在这些贡献发生的光谱区域中抑制扰动对强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)的贡献。
这里使用在三种不同扫描速度下收集的强度谱S1(υ)，S2(υ)和S3(υ)说明了该方法。然而，所采用的多种不同扫描速度越大，抑制通常越好。这是因为噪声与不同扫描速度的数量i的平方根成正比。在没有扰动的区域中，噪声与i的平方根成正比。在谱表现出由于扰动引起的贡献的区域中，噪声将与i-1的平方根成正比。随着所采用的不同扫描速度的数量i增加，i的平方根与i-1的平方根之间的差减小。然而，随着扫描速度的增加，数据采集时间自然会增加。应当理解，虽然在两种不同扫描速度下获得的光谱的比较允许确定差异(即，存在扰动)，但是三个扫描速度是确定哪种差异与扰动相关所需的最小值。
还将理解，尽管在本文中已经描述了并且在图1中示出了数据处理器10包括单个实体，数据处理器10不意图被限制于这样的配置，因为实际上并不意味着这样的限制适用于根据本发明的光谱仪系统的其他组件。设想归因于数据处理器10的功能中的一些或全部功能可以在分开但互连的元件中执行，这些单独的但互连的元件协同执行，如关于数据处理器10所描述的那样。例如，表示存储的干涉图的数据可以被传输到光谱仪系统2外部，例如通过电信链路，传输到根据本发明处理数据的远程位置，可选地产生校正的强度谱。
Claims (6)
1.光谱仪系统（2），包括：扫描干涉仪（4）；驱动系统（6），其机械地耦合到所述扫描干涉仪（4）的可移动反射器元件（14）并且可操作以实现所述可移动反射器元件（14）的往复运动；检测器装置（8），被配置为以等距时间间隔对由所述扫描干涉仪（4）形成的干涉图进行采样以产生采样干涉图；以及数据处理器（10），适于获取采样干涉图并对其执行傅里叶变换操作；其中所述驱动系统（6）可操作以实现所述可移动反射器元件（14）以多个不同的速度往复运动，并且其中所述数据处理器（10）适于在所述多个不同速度中的每一个处采集采样干涉图并且执行通过对每个采样干涉图执行所述傅里叶变换操作所产生的多个采样干涉图的强度谱的内容的相对比较。
2.根据权利要求1所述的光谱仪系统（2），其中所述驱动系统（6）可操作以实现所述可移动反射器元件（14）以三种不同的速度往复运动。
3.根据权利要求2所述的光谱仪系统（2），其中所述数据处理器（10）适于执行所述相对比较以确定每个强度谱的加权，并且生成形成为强度谱的加权平均值的校正强度谱。
4.用于校正在根据前述权利要求中任一项所述的光谱仪系统（2）中生成的干涉图中的时间周期性扰动的方法，包括以下步骤：收集（42）将由数据处理器（10）访问的多个（i）采样干涉图，其中每个采样干涉图是在可移动反射器元件（14）的多个（i）不同的往复运动速度中的不同的一个速度下获得的；在所述数据处理器中对多个（i）采样干涉图中的每一个执行傅里叶变换操作（44）以产生多个（i）强度谱（S1(Ʋ);S2(Ʋ);S3(Ʋ)...Si(Ʋ)）；在所述数据处理器（10）中比较（46）多个强度谱（S1(Ʋ);S2(Ʋ);S3(Ʋ)...Si(Ʋ)）；并产生（48）校正强度谱（SLMMSE(Ʋ)）。
5.根据权利要求4所述的方法，其中存储每个频谱与平均频谱的相似度作为每个强度谱（S1(Ʋ);S2(Ʋ);S3(v)...Si(Ʋ)）的加权SMi，以便由所述数据处理器（10）访问，并且其中产生（48）校正强度谱（SLMMSE(Ʋ)）作为多个强度谱（S1(Ʋ);S2(Ʋ);S3(Ʋ)...Si(Ʋ)）的加权平均值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，每个强度谱的加权SMi表示每个频谱与平均频谱的相似度，而且在所述数据处理器（10）中计算平均强度谱（S(Ʋ)）作为多个强度谱（S1(Ʋ);S2(Ʋ);S3(Ʋ)...Si(Ʋ)）中的多个的均值。
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