CN110553993B - 一种光谱测量系统及多外差拍频信号探测及数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱测量系统及多外差拍频信号探测及数据处理方法，属于红外光谱分析领域，光谱测量系统包括光源梳、本振梳、样品室、反射镜、红外探测器以及数据采集卡和计算机；本发明方法可实现基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量系统，产生的多外差拍频光学信号的高速、高灵敏度探测即数据采集，并得到待测样品的光谱信息，满足化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物等领域的研究需求。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱分析领域，具体涉及一种光谱测量系统及多外差拍频信号探测及数据处理方法。
背景技术
红外光谱又称分子振动光谱，属于分子吸收光谱。当一束连续波长的红外光照射物质时，物质会吸收一部分光能来实现自己转动或振动能级的跃迁，不同的基团，跃迁需要的能量不同，所以被吸收的波段通过一定的手段记录下来，得到红外光谱，通过与标准谱图比较，通过官能团与波长的一一对应关系，可实现物质的定量与定性分析，如用于研究分子的结构和化学键,也可以作为表征和鉴别化学物种的方法等。
超高速红外光谱测量技术，又称时间分辨率光谱测量，是在传统光谱学的基础上由光脉冲技术和微弱、瞬变光信号检测方法相结合而发展起来的一个新兴领域。时间分辨光谱的基本任务是实时检测分子在某些物理、化学过程或特定的生命活动中所呈现的瞬间结构、状态及其运动变化的微观步骤，从而在分子水平上揭示相关物质体系的各种物理性能、化学行为以及生命现象的奥秘，进而为寻求调节或控制这些分子过程的有效途径提供科学启示和实验依据。它能够在微秒至毫秒，或更短的时间范围内，完成一次红外光谱测量。通过记录到的光谱随时间的变化，了解在瞬时过程中的发生的事件和过程，从而得到普通光谱(积分光谱)中无法得到的信息。它是一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱，主要用于满足化学、生物、集成芯片材料、特种功能新材料等领域的瞬变态过程及瞬变产物研究。
现有的超高红外光谱测量技术，大致可分为三类：可调谐红外激光测量技术、色散红外测量技术、傅里叶变换红外光谱测量技术。色散红外测量技术需要通过多次重复测量，才能得到包含不同波长的系列测量数据。该技术很难兼顾测量时间和光谱分辨率；可调谐红外激光测量技术，随着可调谐激光器技术的发展，可实现5μm～10μm波段的测量，并且与傅里叶和色散测量技术相比，具备更高的信噪比。测量特定波长数据，采用该技术优势明显。该技术也存在难以兼顾测量时间和光谱分辨率的问题；目前使用较多的是从20世纪70年代开展研究，到80年代才付诸实际应用的时间分辨率傅里叶变换红外光谱技术。目前投入使用的大概可以分为三类：第一类是采用传统的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现秒级的测量速度，只能满足很少的应用需求；第二类是采用快速扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，可实现最快毫秒量级的测量速度。第三类是采用步进扫描技术的傅里叶变换红外光谱测量技术，通过不断重复试验过程，通过非常多次的重复测量重构干涉图，测量过程十分繁琐复杂，极易引入各种测量缺陷，测量可靠性比较差，目前，交流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快10纳秒的时间分辨率，直流耦合的傅里叶变换红外光谱测量技术可实现最快3微秒的时间分辨率，采用此种技术时，光谱分辨率降低很多。但受其工作原理和光源的限制，傅里叶变换中红外光谱仪时间分辨率低、在高的分辨率下信噪比低、红外透射方法难以测量厚度大毫米尺度的样品等缺点。这极大的限制了中外光谱仪在反应动力学、光催化、蛋白质折叠等学科的应用。如采用步进扫描方式，实现超高速红外光谱测试时，光谱分辨率只有16cm-1或更低，难以达到低速测量时的0.4cm-1以及0.15cm-1的光谱分辨率，这就限制了很多研究工作的开展。
基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，通过存在频率差的两个光频率梳产生的多外差拍频信号，经过待测样品即可获取相关的光谱信息，与现有时间分辨率傅里叶光谱测量技术、可调谐红外激光测量技术、色散红外测量技术等相比，无需运动部件或调谐处理等手段实现光谱分光，它直接采用双频率梳拍频的光学光谱扫描方式，单次即可获取全波段的超高分辨率光谱信息，天生具备超高测量速度的优势。可同时实现宽工作波段、兼顾测量速度与光谱分辨率等优势，通过更换光频梳光源等，可方便的实现紫外、可见近红外、红外、太赫兹等频段的覆盖，是一种非常有前景的时间分辨率光谱分析技术。
但是基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，具备非常高的时间分辨能力，获取的是多外差拍频信号，而不能直接获取待测样品的光谱信息，因此如何实现多外差拍频信号的高速、高灵敏度探测和数据获取，并反演得到光谱数据，是基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术应用过程中，函待解决的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种光谱测量系统及多外差拍频信号探测及数据处理方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光谱测量系统，包括光源梳、本振梳、样品室、反射镜、红外探测器以及数据采集卡和计算机；
其中，
光源梳输出光进入样品室；
本振梳输出光进入反射镜；
样品室输出的光与反射镜反射的光在红外探测器上会聚后进入数据采集卡和计算机进行采集和处理。
此外，本发明还提到一种多外差拍频信号探测及数据处理方法，该方法采用如上所述的一种光谱测量系统，包括探测与数据采集，以及数据处理两个步骤；
探测与数据采集，具体包括如下步骤：
步骤S01：光谱测量系统输出的多外差拍频光信号，被第一红外探测器和第二红外探测器构成的平衡探测器接收，完成光信号到电子学信号的转换；
步骤S02：平衡探测器输出电子学信号至射频滤波器，射频滤波器提取有效的外差拍频信号；
步骤S03：提取的外差拍频信号进入跨阻放大器和运放，由跨阻放大器和运放进行初步放大和调理；
步骤S04：初步放大的外差拍频信号进入带通滤波器，由带通滤波器进行滤波；
步骤S05：滤波信号进入功率探测器，功率探测器输出存在幅度波动的探测得到的外差拍频信号的真功率有效值；
步骤S06：功率探测器输出外差拍频信号的真功率有效值至视觉滤波器，由视觉滤波器进行平滑处理，抑制红外探测器输出信号中包含的内部噪声，得到多外差拍频光信号对应的低噪声下的高信噪比模拟信号；
步骤S07：高信噪比模拟信号进入抗混叠滤波器，由抗混叠滤波器确定采样带宽；
步骤S08：由抗混叠滤波器确定采样带宽后的信号进入高速模数转换器，经高速模数转换器完成模数转换，得到多外差拍频信号的高速、高信噪比采样数据；
数据处理，具体包括如下步骤：
步骤S11：对多外差拍频采样数据，进行异常信号检测与校正，发现并剔除包括毛刺、鬼线在内的异常信号；
步骤S12：对完成异常信号检测与校正后的采样数据，进行非线性校正，以消除所用光频率梳输出光的非线性、红外探测器响应非线性、电子学系统的非线性影响；
步骤S13：对完成非线性校正的采样数据，进行相位校正，以消除外差拍频信号的相位漂移；
步骤S14：对完成相位校正的采样数据，进行傅里叶变换，经傅里叶变换得到复原的复数光谱数据，取复数光谱数据的实部作为复原光谱，复数光谱数据的虚部用于评估相位校正精度以及评估光谱分析系统的性能评估；
步骤S15：对经傅里叶变换得到的复原光谱，进行幅度漂移校正，以消除因基底信号、采样波动引入的复原光谱的幅度漂移；
步骤S16：对完成幅度漂移校正的复原光谱，进行波长标定，给出光谱采样数据对应的波长值，得到反演光谱数据。
优选地，在步骤S01中，第一红外探测器和第二红外探测器，均采用波兰Vigo公司的PV-4TE-10.6红外探测器；其为具有热电制冷、倍增结构、光浸入式特点的新体制红外探测器。
优选地，在步骤S05中，功率探测器采用一个平方器与一个积分器或者低通滤波器的结构，功率探测器的直流输出正比于功率探测器的输入信号的能量，低通滤波器的带宽决定功率探测器直流输出方差的大小。
优选地，在步骤S11中，异常信号检测与校正采用小波分析算法完成。
优选地，在步骤S12中，采用分段三次埃尔米特差值进行非线性校正。
优选地，在步骤S13中，采用统计相位方法实现相位偏差计算，并采用时域干涉数据卷积方法完成相位校正。
优选地，在步骤S14中，傅里叶变换采用短时傅里叶变换算法实现。
优选地，在步骤S15中，采用s-g滤波算法和最小二乘拟合算法实现幅度漂移校正。
优选地，在步骤S16中，波长标定采用相对定标与绝对定标融合方法；其中，绝对定标采用气体吸收法，相对定标采用多个法-波罗标准具或者迈克尔逊波长计完成。
本发明所带来的有益技术效果：
1、本发明针对基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，提出了一种基于新体制红外探测器的平衡探测机理的多外差拍频光信号探测方法，可实现多外差拍频光信号的低噪声、高灵敏度、快速探测与数据采集；
2、本发明针对基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量技术，根据光谱测量原理，提出了一种以傅里叶变换为核心的光谱反演流程。
附图说明
图1为一种基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量系统原理图；
其中：1-光源梳；2-本振梳；3-样品室；4-反射镜；5-红外探测器；6-数据采集卡和计算机；
图2为本发明的多外差拍频信号的探测及数据采集流程框图；
其中，a-第一红外探测器；b-第二红外探测器；c-射频滤波器；d-跨阻放大器；e-运放；f-带通滤波器；g-功率探测器；h-视觉滤波器；i-抗混叠滤波器；j-高速模数转换器；k-多外差拍频信号的高速、高信噪比采样数据；
图3为本发明的光谱反演流程框图；
其中，31-多外差拍频采样数据；32-异常信号检测与校正；33-非线性校正；34-相位校正；35-傅里叶变换；36-幅度漂移校正；37-波长标定；38-反演光谱数据；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
基于双光频率梳多外差拍频方法的红外光谱高速测量系统原理如图1所示，两束不同频率的激光在探测器上重合并相互干涉，探测器能探测到的信号中包含不同频率干渉信号(拍频信号)。光学频率梳外差法干涉光谱就是利用两重复频率不同的光学频率梳进行干涉，例如重复频率为frep的光频率梳作为本振梳2，重复频率为frep+Δf的光频率梳作为光源梳1，其中Δf＜＜frep。
本振梳脉冲电场的表达式可表示为：
其中，En是第n个梳齿的电场强度，
是相位，frep是重复频率。
同样光源梳的脉冲激光的电场表达式相应的可表示为：
光源梳1输出光经样品室3，与本振梳2输出光经反射镜4反射后，在红外探测器5上会聚后，红外探测器探测到的干涉光强U为：
滤去其中的高频信号，则可得两者的差频信号：
在Mfrep到Nfrep的光谱范围内，两重复频率有微小差别的光学频率梳相互干涉，得到了从MΔ到NΔ范围内的射频光谱,重复频率为Δ。其中Δ<frep/2N，这样在MΔ到NΔ范围内就不会存在自身梳齿之间的干涉信号，而全部是两光学频率梳之间的干涉信号。并且，可以明显的看出，上下两个光谱的形状基本一致，这就说明了，我们所得到的拍频光谱包含了干涉源的振幅和相位信息。换句话说，通过干涉光谱的方法，我们可以把难以测量的高频信号中的振幅、相位等信息可以转移到较为容易测量的射频信号或微波信号中进行测量。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明提出了基于新体制红外探测器的平衡探测机理的多外差拍频光信号探测方法，包括如下步骤：
步骤S01：光谱测量系统输出的多外差拍频光信号，被第一红外探测器a和第二红外探测器b构成的平衡探测器接收，完成光信号到电子学信号的转换；第一红外探测器和第二红外探测器，均采用波兰Vigo公司的PV-4TE-10.6红外探测器；其为具有热电制冷、倍增结构、光浸入式特点的新体制红外探测器。
步骤S02：平衡探测器输出电子学信号至射频滤波器c，射频滤波器c提取有效的外差拍频信号；
步骤S03：提取的外差拍频信号进入跨阻放大器d和运放e，由跨阻放大器d和运放e进行初步放大和调理；
步骤S04：初步放大的外差拍频信号进入带通滤波器f，由带通滤波器f进行滤波；
步骤S05：滤波信号进入功率探测器g，功率探测器输出存在幅度波动的探测得到的外差拍频信号的真功率有效值；功率探测器采用一个平方器与一个积分器或者低通滤波器的结构，功率探测器的直流输出正比于功率探测器的输入信号的能量，低通滤波器的带宽决定功率探测器直流输出方差的大小。
步骤S06：功率探测器g输出的外差拍频信号的真功率有效值至视觉滤波器f，由视觉滤波器f进行平滑处理，抑制红外探测器输出信号中包含的内部噪声，得到多外差拍频光信号对应的低噪声下的高信噪比模拟信号；
步骤S07：高信噪比模拟信号进入抗混叠滤波器i，由抗混叠滤波器i确定采样带宽；
步骤S08：由抗混叠滤波器i确定采样带宽后的信号进入高速模数转换器j，经高速模数转换器j完成模数转换，得到多外差拍频信号的高速、高信噪比采样数据。
实施例3：
在上述实施例1和2的基础上，本发明提出了一种以傅里叶变换为核心的光谱反演方法，包括如下步骤：
步骤S11：对多外差拍频采样数据，进行异常信号检测与校正，发现并剔除包括毛刺、鬼线在内的异常信号；针对多外差拍频信号特点，异常信号检测与校正采用小波分析算法完成；
步骤S12：对完成异常信号检测与校正后的采样数据，进行非线性校正，以消除所用光频率梳输出光的非线性、红外探测器响应非线性、电子学系统的非线性影响；本发明采用分段三次埃尔米特差值进行非线性校正；
步骤S13：对完成非线性校正的采样数据，进行相位校正，以消除外差拍频信号的相位漂移；本发明采用统计相位方法实现相位偏差计算，并采用时域干涉数据卷积方法完成相位校正；
步骤S14：对完成相位校正的采样数据，进行傅里叶变换，经傅里叶变换得到复原的复数光谱数据，取复数光谱数据的实部作为复原光谱，复数光谱数据的虚部用于评估相位校正精度以及光谱分析系统的性能评估；针对多外差拍频信号和高速红外光谱测量的特点，傅里叶变换采用短时傅里叶算法实现；
步骤S15：对经傅里叶变换得到的复原光谱，进行幅度漂移校正，以消除因基底信号、采样波动引入的复原光谱的幅度漂移；本发明采用s-g滤波算法和最小二乘拟合算法实现幅度漂移校正；
步骤S16：对完成幅度漂移校正的复原光谱，进行波长标定，给出光谱采样数据对应的波长值，得到反演光谱数据；波长标定采用相对定标与绝对定标融合方法；其中，绝对定标采用气体吸收法，相对定标可采用多个法-波罗标准具或者迈克尔逊波长计完成。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：采用一种光谱测量系统，所述光谱测量系统包括光源梳、本振梳、样品室、反射镜、红外探测器以及数据采集卡和计算机；
其中，
光源梳输出光进入样品室；
本振梳输出光进入反射镜；
样品室输出的光与反射镜反射的光在红外探测器上会聚后进入数据采集卡和计算机进行采集和处理；该方法具体包括探测与数据采集，以及数据处理两个步骤；
探测与数据采集，具体包括如下步骤：
步骤S01：多外差拍频光信号被第一红外探测器和第二红外探测器构成的平衡探测器接收，完成光信号到电子学信号的转换；
步骤S02：平衡探测器输出电子学信号至射频滤波器，射频滤波器提取有效的外差拍频信号；
步骤S03：提取的外差拍频信号进入跨阻放大器和运放，由跨阻放大器和运放进行初步放大和调理；
步骤S04：初步放大的外差拍频信号进入带通滤波器，由带通滤波器进行滤波；
步骤S05：滤波信号进入功率探测器，功率探测器输出存在幅度波动的探测得到的外差拍频信号的真功率有效值；
步骤S06：功率探测器输出外差拍频信号的真功率有效值至视觉滤波器，由视觉滤波器进行平滑处理，抑制红外探测器输出信号中包含的内部噪声，得到多外差拍频光信号对应的低噪声下的高信噪比模拟信号；
步骤S07：高信噪比模拟信号进入抗混叠滤波器，由抗混叠滤波器确定采样带宽；
步骤S08：由抗混叠滤波器确定采样带宽后的信号进入高速模数转换器，经高速模数转换器完成模数转换，得到多外差拍频信号的高速、高信噪比采样数据；
数据处理，具体包括如下步骤：
步骤S11：对多外差拍频采样数据，进行异常信号检测与校正，发现并剔除包括毛刺、鬼线在内的异常信号；
步骤S12：对完成异常信号检测与校正后的采样数据，进行非线性校正，以消除所用光频率梳输出光的非线性、红外探测器响应非线性、电子学系统的非线性影响；
步骤S13：对完成非线性校正的采样数据，进行相位校正，以消除外差拍频信号的相位漂移；
步骤S14：对完成相位校正的采样数据，进行傅里叶变换，经傅里叶变换得到复原的复数光谱数据，取复数光谱数据的实部作为复原光谱，复数光谱数据的虚部用于评估相位校正精度以及评估光谱测量系统的性能；
步骤S15：对经傅里叶变换得到的复原光谱，进行幅度漂移校正，以消除因基底信号、采样波动引入的复原光谱的幅度漂移；
步骤S16：对完成幅度漂移校正的复原光谱，进行波长标定，给出光谱采样数据对应的波长值，得到反演光谱数据。
2.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S01中，第一红外探测器和第二红外探测器，均采用波兰Vigo公司的PV-4TE-10.6红外探测器；其为具有热电制冷、倍增结构、光浸入式特点的红外探测器。
3.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S11中，异常信号检测与校正采用小波分析算法完成。
4.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S12中，采用分段三次埃尔米特插值进行非线性校正。
5.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S13中，采用统计相位方法实现相位偏差计算，并采用时域干涉数据卷积方法完成相位校正。
6.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S14中，傅里叶变换采用短时傅里叶变换算法实现。
7.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S15中，采用s-g滤波算法和最小二乘拟合算法实现幅度漂移校正。
8.根据权利要求1所述的多外差拍频信号探测及数据处理方法，其特征在于：在步骤S16中，波长标定采用相对定标与绝对定标融合方法；其中，绝对定标采用气体吸收法，相对定标采用多个法-波罗标准具或者迈克尔逊波长计完成。
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