CN109975218A - 一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，涉及光谱测量中干涉噪声的抑制。本发明解决现有光谱测量中干涉噪声的抑制方法存在的抑制效果差、结构复杂等技术问题。本发明的技术方案为：一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，采用频率调制的方法，选择合适的调制频率，当调制频率为自由光谱区的整数或半整数倍时，干涉噪声即可得到有效抑制。本发明只需选择合适的调制频率，无需额外增加其他元器件，就可在频率调制光谱抑制散粒噪声的同时，进一步抑制干涉噪声，提高系统的检测灵敏度。本发明现有技术相比，具有简单方便、干涉噪声抑制效果好等优点。

Description

一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法

技术领域

本发明属于光谱测量中干涉噪声的抑制技术领域，特别涉及一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法。

技术背景

光谱测量技术广泛地应用于多种场合的痕量气体精确测量中，包括大气痕量气体测量、污染物监测、反应动力学研究、燃烧过程控制以及医学研究等领域。在高分辨率的光谱测量中，为了得到较高的检测灵敏度，往往会采用增加有效光程、谐波检测等技术，这些检测技术可以有效抑制甚至消除光源噪声的影响，最小化背景波动。但是在许多光谱测量系统中，由于复杂的系统设计，在光源与探测器之间的光路中会产生法布里-珀罗干涉条纹，这些干涉条纹的自由光谱区通常与信号线宽相似，并且具有足够的幅度和周期性振荡以遮蔽弱信号。干涉噪声尤其出现在多次反射的光学元件中，如气体吸收和受激拉曼散射光谱测量系统，在这些测量中由于信号较弱，所以常采用多光程池来增加光与待测气体的相互作用距离，而光在反射镜上来回反射以及衍射效应容易导致光在空间中重叠并引起干涉噪声。

由于干涉噪声会影响光谱测量系统的检测灵敏度，因此近些年来研究人员采用了一系列的方法来降低光谱中的噪声，并取得了一定的效果。最常用的方法是通过合理的光学设计来减小干涉噪声形成的可能，通常会在透镜上镀增透膜以减小反射光，窗片采用楔形设计等，但这些方法对干涉的抑制效果不佳；Webster等人提出在系统中加入转动的布儒斯特扰流板来轻微改变有效光程，从而破坏干涉形成的条件，Silver等人也提出通过振动光程池的反射镜来破坏干涉形成的条件，从而抑制干涉噪声，小波滤波等数字信号处理的方法也被应用到对光谱信号的处理中，这些方法对干涉噪声有着较好的抑制效果，但都需要在测量系统中增加元器件或算法，增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，解决现有光谱测量中干涉噪声的抑制方法存在的抑制效果差、结构复杂等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，包括以下步骤：

1)窄线宽光源产生中心频率为ωc的探测光，该探测光的光电场为：

式中E₀为初始场强；

2)探测光进入电光调制器，并通过电光调制器对探测光进行调制，所述电光调制器由射频发生器进行驱动，射频发生器发出频率为ω_m的调制信号施加到电光调制器上，当探测光经过电光调制器时即对探测光产生调制，调制频率为ω_m，被调制后的探测光的光电场为：

其中M为调制系数，即调制后的探测光包含一个频率为ω_c的载波和频率分别为ω_c+ω_m和ω_c-ω_m且幅度相等、相位相反的正、负一级边带；

3)经调制后的探测光随后通过待测样品，设光与样品作用的有效光程为L，气体吸收系数为α，折射系数为η，α和η均与探测光频率有关，探测光通过样品池后的光电场可表示为：

式中T_n＝exp(-δ_n-iφ_n)，δ_n＝αnL/2为吸收项，描述幅值的衰减，φ_n＝ηnL(ω_c+nω_m)/c为色散项，表示各频率分量的相移，n＝-1,0,1，分别对应频率ω_c-ω_m、ω_c和ω_c+ω_m；

4)最终光被探测器接收，打到探测器上的光强可表示为：

而探测器输出电信号S(t)则正比于I₃(t)，因此当δ_n或φ_n不相等时就会产生拍频信号；

式中同相分量cosω_mt项表示正负两边带的幅值差，而正交分量sinω_mt项则表示载波信号与两边带的相位差，在频率调制光谱条件下，ω_m相比于待测谱线线宽较大，通过扫描探测光波长ω_c或扫描调制频率ω_m，只有单个边带能对光谱信号进行探测；

式中同相分量cosω_mt项正比于光谱吸收，正交分量sinω_mt项正比于光谱色散，此外如果调制系数M已知，那么△δ和△φ可以通过比较I₃(t)的直流分量和交流分量来获得。

5)光学系统中的干涉噪声主要来源于相干光在光学元器件间的来回反射，可以近似地看作是Fabry-Perot干涉系统在低反射率时的情况，根据Airy公式，将经过F-P干涉仪后的透射光与入射光之间的关系改写为指数形式的衰减和相移可得

其中

式中R为F-P干涉的反射率；

6)将式(6)代入式(4)发现：当调制频率ω_m为干涉自由光谱区ω_FSR的整数倍或半整数倍时，即

干涉噪声对两边带作用效果相同，干涉噪声会得到有效抑制。

频率调制是光源外部调制，通过采用电光相位调制晶体来实现对窄线宽探测光进行低调制系数的频率调制，从而产生关于探测光主频对称的正负边带，当调制后的探测光通过待测气体后，吸收和色散会影响边带的对称性，通过外差拍频检测边带的相位和幅度差，便能够得到待测样品的物理信息，同时通过扫描探测光波长或扫描调制频率就能得到完整的吸收或色散线型。本发明选择合适的调制频率，当调制频率为自由光谱区的整数或半整数倍时，干涉噪声即可得到有效抑制。本发明只需选择合适的调制频率，无需额外增加其他元器件，就可在频率调制光谱抑制散粒噪声的同时，进一步抑制干涉噪声，提高系统的检测灵敏度。本发明现有技术相比，具有简单方便、干涉噪声抑制效果好等优点。

附图说明

图1为基于本发明的频率调制技术的光谱检测系统原理图；

图2为干涉噪声幅值随调制频率的变化图；图中，横坐标表示调制频率与自由光谱区的倍数；纵坐标表示归一化的干涉幅值。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，包括以下步骤：

1)窄线宽光源产生中心频率为ωc的探测光，该探测光的光电场为：

式中E₀为初始场强。

2)探测光进入电光调制器，并通过电光调制器对探测光进行调制，所述电光调制器由射频发生器进行驱动，射频发生器发出频率为ω_m的调制信号施加到电光调制器上，当探测光经过电光调制器时即对探测光产生调制，调制频率为ω_m，被调制后的探测光的光电场为：

其中M为调制系数，即调制后的探测光包含一个频率为ω_c的载波和频率分别为ω_c+ω_m和ω_c-ω_m且幅度相等、相位相反的正、负一级边带；

3)经调制后的探测光随后通过待测样品，设光与样品作用的有效光程为L，气体吸收系数为α，折射系数为η，α和η均与探测光频率有关，探测光通过样品池后的光电场可表示为：

式中T_n＝exp(-δ_n-iφ_n)，δ_n＝α_nL/2为吸收项，描述幅值的衰减，φ_n＝η_nL(ω_c+nω_m)/c为色散项，表示各频率分量的相移，n＝-1,0,1，分别对应频率ω_c-ω_m、ω_c和ω_c+ω_m；

4)最终光被探测器接收，打到探测器上的光强可表示为：

而探测器输出电信号S(t)则正比于I₃(t)，因此当δ_n或φ_n不相等时就会产生拍频信号；

式中同相分量cosω_mt项表示正负两边带的幅值差，而正交分量sinω_mt项则表示载波信号与两边带的相位差，在频率调制光谱条件下，ω_m相比于待测谱线线宽较大，通过扫描探测光波长ω_c或扫描调制频率ω_m，只有单个边带能对光谱信号进行探测；

式中同相分量cosω_mt项正比于光谱吸收，正交分量sinω_mt项正比于光谱色散，此外如果调制系数M已知，那么△δ和△φ可以通过比较I₃(t)的直流分量和交流分量来获得。

5)光学系统中的干涉噪声主要来源于相干光在光学元器件间的来回反射，可以近似地看作是Fabry-Perot干涉系统在低反射率时的情况，根据Airy公式，将经过F-P干涉仪后的透射光与入射光之间的关系改写为指数形式的衰减和相移可得

其中

式中R为F-P干涉的反射率；

6)将式(6)代入式(4)发现：当调制频率ω_m为干涉自由光谱区ω_FSR的整数倍或半整数倍时，即

干涉噪声对两边带作用效果相同，干涉噪声会得到有效抑制。

如图2所示，通过实验模拟在调制频率与干涉自由光谱区的不同比值时的干涉噪声幅值变化结果，可以看出在调制频率为自由光谱区的整数倍或半整数倍时的干涉噪声幅值最小，符合上述理论，证明可以通过频率调制的方法有效抑制光谱测量中的干涉噪声。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种通过频率调制抑制光谱测量中干涉噪声的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)窄线宽光源产生中心频率为ω_c的探测光，该探测光的光电场为：

式中E₀为初始场强；

2)探测光进入电光调制器，并通过电光调制器对探测光进行调制，所述电光调制器由射频发生器进行驱动，射频发生器发出频率为ω_m的调制信号施加到电光调制器上，当探测光经过电光调制器时即对探测光产生调制，调制频率为ω_m，被调制后的探测光的光电场为：

其中M为调制系数，即调制后的探测光包含一个频率为ω_c的载波和频率分别为ω_c+ω_m和ω_c-ω_m且幅度相等、相位相反的正、负一级边带；

3)经调制后的探测光随后通过待测样品，设光与样品作用的有效光程为L，气体吸收系数为α，折射系数为η，α和η均与探测光频率有关，探测光通过样品池后的光电场可表示为：

式中T_n＝exp(-δ_n-iφ_n)，δ_n＝α_nL/2为吸收项，描述幅值的衰减，φ_n＝η_nL(ω_c+nω_m)/c为色散项，表示各频率分量的相移，n＝-1,0,1，分别对应频率ω_c-ω_m、ω_c和ω_c+ω_m；

4)最终光被探测器接收，打到探测器上的光强可表示为：

而探测器输出电信号S(t)则正比于I₃(t)，因此当δ_n或φ_n不相等时就会产生拍频信号；

式中同相分量cosω_mt项表示正负两边带的幅值差，而正交分量sinω_mt项则表示载波信号与两边带的相位差，在频率调制光谱条件下，ω_m相比于待测谱线线宽较大，通过扫描探测光波长ω_c或扫描调制频率ω_m，只有单个边带能对光谱信号进行探测；

式中同相分量cosω_mt项正比于光谱吸收，正交分量sinω_mt项正比于光谱色散，此外如果调制系数M已知，那么△δ和△φ可以通过比较I₃(t)的直流分量和交流分量来获得。

5)光学系统中的干涉噪声主要来源于相干光在光学元器件间的来回反射，可以近似地看作是Fabry-Perot干涉系统在低反射率时的情况，根据Airy公式，将经过F-P干涉仪后的透射光与入射光之间的关系改写为指数形式的衰减和相移可得

其中

式中R为F-P干涉的反射率；

6)将式(6)代入式(4)发现：当调制频率ω_m为干涉自由光谱区ω_FSR的整数倍或半整数倍时，即

干涉噪声对两边带作用效果相同，干涉噪声会得到有效抑制。