CN108051086A - 一种红外光谱变频测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种红外光谱变频测量方法，采用变频控制算法实现滤光片轮驱动电机的不同运动速度，然后利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，即光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是时不变的单一光谱信号，确定变频测量相关的光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等参数的计算方法，通过适当数据处理，实现不同测量速度的光谱测量。采用上述方案，可方便的应用到现有的基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计，可实现0.015转/秒到10转/秒的不同测量速度的红外光谱测量。
Description
技术领域
本发明属于变频测量技术领域，尤其涉及的是一种红外光谱变频测量方法。
背景技术
宽波段红外光谱辐射计是一类集光谱仪与辐射计功能于一体的测量系统，是一种非常重要的红外测量仪器，广泛应用于目标识别、光谱特性测试、大气观测、人造源的特性测试等众多科研、生产等场合。
滤光片分光体制是红外光谱辐射计常用的一种分光体制。渐变滤光片是目前使用较多的一种新型滤光片，与传统滤光片相比，其波长覆盖范围和光谱分辨率都有了明显改善。渐变滤光片是一种波长沿某一方向均匀增加或减少的新型超窄带滤光片。使用高精度电机驱动渐变滤光片，使得入射光依次通过渐变滤光片的不同位置，即能获取对应透过波长的出射光，这就是红外光谱辐射计使用渐变滤光片进行分光的原理。
使用渐变滤光片进行光谱分光时，为方便分光的实现，同时满足光谱波段覆盖需要，通常将一块或数块渐变滤光片拼接安装到圆盘上，形成滤光片轮，通过驱动电机驱动滤光片轮运动，从而实现入射光依次通过渐变滤光片的不同位置，实现光谱分光。
由于大多数情况下，观瞄目标的红外辐射较弱，加上滤光分光体制会使得经光谱分光后的红外光谱信号更为微弱，因此为提高获取信号的信噪比，常采用锁相放大技术对红外光谱分光信号进行提取。
但锁相放大的基本原理，是采用相关原理实现噪声背景下微弱时不变信号的放大提取。但是红外光谱仪器采用滤光分光方式时，其输出光谱信号是时变信号。因此传统上，滤光分光体制红外光谱仪器采用锁相放大测量红外光谱时，只能采用步进测量模式，即滤光片轮停在某一波长位置不动，进行测量，测量完成后，移动到下一波长位置并进行测量，如此往复，直到完成一次红外光谱测量。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种红外光谱变频测量方法。
本发明的技术方案如下：
一种红外光谱变频测量方法，包括以下步骤：
步骤1：由渐变滤光片光谱通道对应的测量时间，计算得到对应的驱动电机步进数；红外光谱辐射计所用线性渐变滤光片的实际分辨率应进行适当核减，假定核减比例因子为k(k>1)；对于某一有效光谱采样波长λs，实际可用的线性渐变滤光片有效波长带宽为λs*(r*k)，对应线性渐变滤光片波长变化方向上的长度Ls为，公式(1)：
Ls＝[λs*(r*k)*L]/(λ2-λ1) (1)
对应滤光片轮的旋转角度θs为，公式(2)：
θs＝2arcsin[Ls/(2R)] (2)
对应驱动滤光片轮的步进电机的步进数ns为，公式(3)：
ns＝floor[(n*θs)/(2π)] (3)
渐变滤光片上中心波长为λs的光谱通道是具有一定宽度的，通道内具备类似的光学特性，因此假定待测波长λs光谱信号在线性渐变滤光片对应通道内的透过率一致，即步进电机ns步对应采样点包含的有效信号为λs光谱，符合锁相放大所要求的提取信号为时不变信号；因此，利用锁相放大实现对λs光谱信号的提取；并且，波长λs的有效光谱采样等效于步进电机ns步内采样点的叠加均值；
步骤2：为满足锁相放大工作条件，渐变滤光片光谱通道对应的测量时间内，斩光器产生的斩光信号应至少有两个完整周期，由滤光片转速、单次光谱测量对应的全部的驱动电机的步进数、渐变滤光片光谱通道对应的驱动电机步进数，计算得到斩光频率sc，为公式(4)：
sc＝(2*s*n)/ns (4)
步骤3：数据采样率应该同时满足斩光信号和光谱采样的乃奎斯特采样定理，取斩光信号和光谱采样率对应数据采样率的最大值来计算。数据采样率通常设置为最大值的5倍以上，以改善数据采样的信号质量；
为实现对斩光信号的采样，数据采样率应符合乃奎斯特定理，即数据采样率Sa1应满足，公式(5)：
Sa1＝2*sc (5)
为获得有意义的有效光谱采样，光谱采样率应满足乃奎斯特采样定理，因此这里约定确保步进电机每步都能至少有一个采样点，此时的数据采样率Sa2，为公式(6)：
Sa2＝n*s (6)
因此，红外光谱辐射计的数据采样率Sa为，公式(7)：
Sa>5*max(Sa1,Sa2) (7)
步骤4：数字锁相放大器的时间常数T应小于渐变滤光片光谱通道对应的测量时间；锁相放大器采用数字正交双路锁相放大体制以改善微弱信号提取能力，同时可满足不同测量速度对锁相放大器参数重配置的需要；
T<ns/(n*s) (8)
步骤5：完成测量参数设置进行不同测量速度的红外光谱测量时，对渐变滤光片光谱通道对应测量时间内的锁相放大器输出数据，进行叠加均值处理，以改善获取光谱信号的信噪比；通过适当的数据处理，即可实现渐变滤光片型红外光谱辐射计的不同测量速度的连续测量；
上述公式(1)－公式(8)中，利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，假定进行红外光谱测量时，光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是同一波长的时不变信号；并假定线性渐变滤光片的光谱分辨率为r，单位为％；线性渐变滤光片的长度为L，对应的光谱波段为λ1～λ2，线性渐变滤光片上的入射光斑距滤光片轮中心的距离为R，滤光片轮所用驱动步进电机的单圈步进数为n，滤光片轮转速的每秒旋转圈数为s,斩光器的斩光频率为c＝sc(斩光器转速)*no(斩光器开孔数)，数据采样率为Sa，锁相放大器的时间常数为T。
采用上述方案：(1)本发明提出的红外光谱变频测量方法，无需对硬件进行更新，仅需要更改驱动电机控制算法，并合理设置光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等测量参数，然后通过适当数据处理，即可实现基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计的不同测量速度的红外光谱变频测量，具有简单、高效的特点。(2)本发明可方便的应用到现有的基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计，可实现0.015转/秒到10转/秒的不同测量速度的红外光谱测量。
附图说明
图1为本发明基于渐变滤光片的红外光谱辐射计原理图。
图2为本发明渐变滤光片的光谱分光原理图。
其中：1-次镜；2-主镜；3-斩光器；4-光阑；5-滤光片轮；6-探测器；21-光阑控制模块；22-斩光器控制模块；23-入射光；24-第一光开关；25-第一零位信号；26-第二光开关2；27-第二零位信号；28-第三光开关；29-第三零位信号；30-步进脉冲；31-滤光片轮控制模块；32-探测器；33-光阑；34-斩光器；35-滤光片轮。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
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。
如图1所示为基于渐变滤光片的红外光谱辐射计示意图，主镜2和次镜1组成的前置望远系统用于红外信号的收集和准直，为提高微弱红外光谱信号的检测能力，本发明给出的红外光谱辐射计采用斩光+锁相放大方案，经前置望远系统收集准直的红外信号经斩光器3斩光后，经光阑4限制入瞳视场，经中继光学调理会聚后，被渐变滤光片5分光，产生的光谱分光信号经后光路收集会聚后被探测器6接收，经数据获取与采集系统得到红外光谱采样，并经适当数据处理，得到目标的红外光谱信息。
如图2所示，为基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计的光谱分光原理图，光谱分光模块中的光阑33、斩光器34、滤光片轮35在各自控制模块的控制下运行。滤光片轮35由三片渐变滤光片拼接安装在圆盘上构成，以满足光谱波段范围覆盖要求。其中，光阑控制模块21在第一光开关24给出的第一零位信号25作用下，通过光阑33控制入射光的视场角，从而可控制滤光片轮35上的入射光斑大小及入射的能量；斩光器控制模块22，在第二光开关26给出的第二零位信号27作用下，控制斩光器34运动，用于完成入射光的调制。滤光片轮控制模块31，在第三光开关28给出的第三零位信号29以及步进脉冲30的作用下，控制滤光片轮35运动，以使得红外入射光23依次通过滤光片轮35的不同位置，从而得到波长依次变化的红外输出信号光，即完成对入射红外信号光的光谱分光，光谱分光信号被探测器32接收后，经系列处理得到目标光谱信息。
本发明给出了一种适用于以上光谱分析系统的红外光谱变频测量方法。包括如下两部分：
第一部分是，由近似函数法步进电机控制算法和变台阶阶梯变频加速型运动控制律，实现驱动滤光片轮运动的驱动电机的不同转速的切换及速度控制，从而实现渐变滤光片不同速度的运动，满足红外变频测量的速度切换及测量速度要求。
第二部分是，利用渐变滤光片的光谱通道具有一定宽度，完成光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等测量参数的计算。具体计算流程如下所示：
本发明的红外光谱变频测量方法，利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，假定进行红外光谱测量时，光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是同一波长的时不变信号。并假定线性渐变滤光片的光谱分辨率为r(％单位)，线性渐变滤光片的长度为L，光谱波段为λ1～λ2，线性渐变滤光片上的入射光斑距滤光片轮中心的距离为R，滤光片轮所用驱动步进电机的单圈步进数为n，滤光片轮转速为s(每秒旋转圈数),斩光器的斩光频率为c＝sc(斩光器转速)*no(斩光器开孔数)，数据采样率为Sa，锁相放大器的时间常数为T。
步骤1：由渐变滤光片光谱通道对应的测量时间，计算得到对应的驱动电机步进数；
红外光谱辐射计的数据采样方案设计时，应考虑诸如线性渐变滤光片装调误差、滤光片轮转动抖动等误差，这会导致渐变滤光片的实际光谱分辨率能力降低。因此，红外光谱辐射计所用线性渐变滤光片的实际分辨率应进行适当核减，假定核减比例因子为k(k>1)。
对于某一有效光谱采样波长λs，实际可用的线性渐变滤光片有效波长带宽为λs*(r*k)，对应线性渐变滤光片波长变化方向上的长度Ls为，公式(1)：
Ls＝[λs*(r*k)*L]/(λ2-λ1) (1)
对应滤光片轮的旋转角度θs为，公式(2)：
θs＝2arcsin[Ls/(2R)] (2)
对应驱动滤光片轮的步进电机的步进数ns为，公式(3)：
ns＝floor[(n*θs)/(2π)] (3)
渐变滤光片上中心波长为λs的光谱通道是具有一定宽度的，通道内具备类似的光学特性，因此可以假定待测波长λs光谱信号在线性渐变滤光片对应通道内的透过率一致，即步进电机ns步对应采样点包含的有效信号为λs光谱，符合锁相放大所要求的提取信号为时不变信号。因此，可利用锁相放大实现对λs光谱信号的提取。并且，波长λs的有效光谱采样等效于步进电机ns步内采样点的叠加均值。
步骤2：为满足锁相放大工作条件，渐变滤光片光谱通道对应的测量时间内，斩光器产生的斩光信号应至少有两个完整周期，由滤光片转速、单次光谱测量对应的全部的驱动电机的步进数、渐变滤光片光谱通道对应的驱动电机步进数，计算得到斩光频率sc为，公式(4)；
sc＝(2*s*n)/ns (4)
步骤3：数据采样率应该同时满足斩光信号和光谱采样的乃奎斯特采样定理，取斩光信号和光谱采样率对应数据采样率的最大值来计算。数据采样率通常设置为最大值的5倍以上，以改善数据采样的信号质量；
为实现对斩光信号的采样，数据采样率应符合乃奎斯特定理，即数据采样率Sa1应满足，公式(5)：
Sa1＝2*sc (5)
为获得有意义的有效光谱采样，光谱采样率应满足乃奎斯特采样定理，因此这里约定确保步进电机每步都能至少有一个采样点，为公式(6)：
Sa2＝n*s (6)
因此红外光谱辐射计的数据采样率为，公式(7)：
Sa>5*max(Sa1,Sa2) (7)
步骤4：数字锁相放大器的时间常数T应小于渐变滤光片光谱通道对应的测量时间；锁相放大器采用数字正交双路锁相放大体制以改善微弱信号提取能力，同时可满足不同测量速度对锁相放大器参数重配置的需要为，公式(8)：
T<ns/(n*s) (8)
步骤5：完成测量参数设置进行不同测量速度的红外光谱测量时，对渐变滤光片光谱通道对应测量时间内的锁相放大器输出数据，进行叠加均值处理，以改善获取光谱信号的信噪比。通过适当的数据处理，即可实现渐变滤光片型红外光谱辐射计的不同测量速度的连续测量。
本发明给出的红外光谱变频测量方法，可根据测试需求实现：
(1)0.015转/秒～10转/秒的不同测量速度的红外光谱变频测量。
本发明给出了一种红外光谱变频测量方法，1、首先采用变频控制算法实现滤光片轮驱动电机的不同运动速度，然后利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，即光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是时不变的单一光谱信号，确定变频测量相关的光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等参数的计算方法，通过适当数据处理，实现不同测量速度的光谱测量；2、所述的变频控制算法，采用近似函数法步进电机控制算法和变台阶阶梯变频加速型运动控制律，实现渐变滤光片不同速度的运动；3、所述定变频测量相关的光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等测量参数的计算方法，包括如下步骤：(1)由渐变滤光片光谱通道对应的测量时间，计算得到对应的驱动电机步进数；(2)根据锁相放大工作条件，渐变滤光片光谱通道对应的测量时间内，斩光器产生的斩光信号应至少有两个完整周期，由滤光片转速、单次光谱测量对应的驱动电机的全部步进数、渐变滤光片光谱通道对应的驱动电机步进数，计算得到斩光频率；(3)数据采样率应该同时满足斩光信号和光谱采样的乃奎斯特采样定理，取斩光信号和光谱采样率对应数据采样率的最大值来计算，红外光谱辐射计数据采样率通常设置为最大值的5倍以上，以改善数据采样的信号质量；(4)数字锁相放大器的时间常数应小于渐变滤光片光谱通道对应的测量时间；锁相放大器采用数字正交双路锁相放大体制以改善微弱信号提取能力，同时满足不同测量速度对锁相放大器参数重配置的需要(5)完成测量参数设置进行不同测量速度的红外光谱测量时，对渐变滤光片光谱通道对应测量时间内的锁相放大器输出数据，进行叠加均值处理，以改善获取光谱信号的信噪比。通过以上方法，通过适当的数据处理，即可实现渐变滤光片型红外光谱辐射计的不同测量速度的连续测量。
本发明具有以下优点：(1)本发明提出的红外光谱变频测量方法，无需对硬件进行更新，仅需要更改驱动电机控制算法，并合理设置光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等测量参数，然后通过适当数据处理，即可实现基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计的不同测量速度的红外光谱变频测量，具有简单、高效的特点。(2)本发明可方便的应用到现有的基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计，可实现0.015转/秒到10转/秒的不同测量速度的红外光谱测量。
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 (1)
1.一种红外光谱变频测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：由渐变滤光片光谱通道对应的测量时间，计算得到对应的驱动电机步进数；红外光谱辐射计所用线性渐变滤光片的实际分辨率应进行适当核减，假定核减比例因子为k(k>1)；对于某一有效光谱采样波长λs，实际可用的线性渐变滤光片有效波长带宽为λs*(r*k)，对应线性渐变滤光片波长变化方向上的长度Ls为，公式(1)：
Ls＝[λs*(r*k)*L]/(λ2-λ1) (1)
对应滤光片轮的旋转角度θs为，公式(2)：
θs＝2arcsin[Ls/(2R)] (2)
对应驱动滤光片轮的步进电机的步进数ns为，公式(3)：
ns＝floor[(n*θs)/(2π)] (3)
渐变滤光片上中心波长为λs的光谱通道是具有一定宽度的，通道内具备类似的光学特性，因此假定待测波长λs光谱信号在线性渐变滤光片对应通道内的透过率一致，即步进电机ns步对应采样点包含的有效信号为λs光谱，符合锁相放大所要求的提取信号为时不变信号；因此，利用锁相放大实现对λs光谱信号的提取；并且，波长λs的有效光谱采样等效于步进电机ns步内采样点的叠加均值；
步骤2：为满足锁相放大工作条件，渐变滤光片光谱通道对应的测量时间内，斩光器产生的斩光信号应至少有两个完整周期，由滤光片转速、单次光谱测量对应的全部的驱动电机的步进数、渐变滤光片光谱通道对应的驱动电机步进数，计算得到斩光频率sc，为公式(4)：
sc＝(2*s*n)/ns (4)
步骤3：数据采样率应该同时满足斩光信号和光谱采样的乃奎斯特采样定理，取斩光信号和光谱采样率对应数据采样率的最大值来计算；数据采样率通常设置为最大值的5倍以上，以改善数据采样的信号质量；
为实现对斩光信号的采样，数据采样率应符合乃奎斯特定理，即数据采样率Sa1应满足，公式(5)：
Sa1＝2*sc (5)
为获得有意义的有效光谱采样，光谱采样率应满足乃奎斯特采样定理，因此这里约定确保步进电机每步都能至少有一个采样点，此时的数据采样率Sa2，为公式(6)：
Sa2＝n*s (6)
因此，红外光谱辐射计的数据采样率Sa为，公式(7)：
Sa>5*max(Sa1,Sa2) (7)
步骤4：数字锁相放大器的时间常数T应小于渐变滤光片光谱通道对应的测量时间；锁相放大器采用数字正交双路锁相放大体制以改善微弱信号提取能力，同时可满足不同测量速度对锁相放大器参数重配置的需要；
T<ns/(n*s) (8)
步骤5：完成测量参数设置进行不同测量速度的红外光谱测量时，对渐变滤光片光谱通道对应测量时间内的锁相放大器输出数据，进行叠加均值处理，以改善获取光谱信号的信噪比；通过适当的数据处理，即可实现渐变滤光片型红外光谱辐射计的不同测量速度的连续测量；
上述公式(1)－公式(8)中，利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，假定进行红外光谱测量时，光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是同一波长的时不变信号；并假定线性渐变滤光片的光谱分辨率为r，单位为％；线性渐变滤光片的长度为L，对应的光谱波段为λ1～λ2，线性渐变滤光片上的入射光斑距滤光片轮中心的距离为R，滤光片轮所用驱动步进电机的单圈步进数为n，滤光片轮转速的每秒旋转圈数为s,斩光器的斩光频率为c＝sc(斩光器转速)*no(斩光器开孔数)，数据采样率为Sa，T为锁相放大器的时间常数。
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| CN (1) | CN108051086B (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110987182A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-10 | 西安电子科技大学 | 环形波长渐变滤光片和压缩感知的高光谱成像系统及方法 |
| CN114397014A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-26 | 光子集成(温州)创新研究院 | 一种渐变滤光片装置、超高光谱成像系统及其成像仪 |
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2017
- 2017-12-14 CN CN201711338328.4A patent/CN108051086B/zh active Active
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| CN108051086B (zh) | 2019-11-15 |
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