CN112284542B - 一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法，通过调节仪器动镜电机的工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配所切换的不同响应波段的探测器及前放电路的最佳响应频率，进而提高探测器及前放电路输出信号的质量，实现光谱范围覆盖近红外至远红外的宽波段、高信噪比光谱探测；并通过标定仪器动镜电机的运动周期，固定电机匀速段实施目标辐射干涉信号采样的有效行程，即每次探测过程仪器采样所得的数据量相同，且满足最大光谱分辨率的反演需要，针对不同光谱分辨率设置，需要从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，然后进行光谱反演。

Description

一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法

技术领域：

本发明涉及傅里叶红外光谱仪器领域，针对多分辨率、宽波段、高信噪比傅里叶红外光谱仪的应用需求，通过调节仪器干涉系统中动镜电机的工作速度，以改变目标辐射干涉信号的频率范围，匹配所切换的不同响应波段的探测器及前放电路的最佳响应频率，进而提高探测器及前放电路输出信号的质量，实现仪器光谱范围覆盖近红外至远红外的宽波段、高信噪比光谱探测；并通过标定仪器动镜电机的运动周期，固定电机匀速段仪器实施目标辐射干涉信号采样的有效行程，该行程应满足仪器最大光谱分辨率要求，即仪器每次探测过程采样所得的数据量相同，且满足最大光谱分辨率反演需要，针对不同光谱分辨率的设置，仅需从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，然后进行光谱反演即可。

背景技术：

针对深空探测领域中星体表面物质成分、热辐射环境等研究的需要，以及军事侦察、天基预警的发展趋势，光谱仪器的光谱范围已经逐渐延伸至远红外。为了拓展傅里叶红外光谱仪的光谱响应范围，可以通过切换不同响应波段的探测器及前放电路实现仪器光谱范围覆盖近红外至远红外，但是随着探测器的响应波段延伸到远红外，器件的响应时间常数不断增大，响应频率会逐渐降低，例如热释电探测器的响应波段可以覆盖100μm，但是最佳响应频率只有几十至几百赫兹。因此，在切换探测器的同时，通过调整傅里叶红外光谱仪干涉系统中动镜电机的工作速度，以改变目标辐射干涉信号的频率范围，进而匹配相应探测器及前放电路的最佳响应频率，提高探测器及前放电路输出信号的质量，最终才能实现高效、高信噪比的宽波段光谱探测。此外，根据不同探测目标以及不同光谱段对仪器光谱分辨率的不同需求，需要仪器具备光谱分辨率可调整的功能。

发明内容：

基于上述背景及所存在的问题，本发明设计了一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法，通过调节仪器干涉系统中动镜电机的工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配所切换的不同响应波段的探测器及前放电路的最佳响应频率，进而提高探测器及前放电路输出信号的质量，实现仪器光谱范围覆盖近红外至远红外的宽波段、高信噪比光谱探测；并通过标定仪器动镜电机的运动周期，固定电机匀速段仪器实施目标采样的有效行程，该行程满足仪器最大光谱分辨率要求，即仪器每次探测过程采样所得的数据量相同，且满足最大光谱分辨率反演需要，针对不同光谱分辨率设置，从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，然后进行光谱反演即可。

该发明的主要设计思路为：首先根据仪器的干涉光路、最高光谱分辨率和最快动镜工作速度，对干涉光路中的动镜电机进行标定，设置电机运动的“0位”、“起始采样位置”、“0光程差位置”、“终止采样位置”和“开始减速位置”。然后根据所切换的不同响应波段的探测器及前放电路，设置合适的光谱分辨率和动镜电机工作速度进行光谱探测，启动仪器干涉光路中的动镜电机自“0位”开始加速，在到达“起始采样位置”前加速至仪器所设定的动镜工作速度，并保持该速度继续匀速运动；电机经过“起始采样位置”时，触发相应脉冲，仪器根据系内部参考激光干涉信号开始对目标辐射干涉信号进行采样，直到电机经过“终止采样位置”，触发相应脉冲，仪器停止采样，保证每次探测仪器在动镜电机匀速段实施目标辐射干涉信号采样的有效行程相同，即每次采样所得数据量相同且满足仪器最大光谱分辨率反演需要；电机继续匀速运动至“开始减速位置”，触发相应脉冲，电机开始减速，在达到后限位前减速至0，然后电机转向继续运动，最终回归“0位”；探测结束，根据仪器设置的光谱分辨率，从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，用于光谱反演。

对本发明的具体说明如下：

1、多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法，其特征在于，1)首先根据仪器干涉光路设计，标定动镜电机运动的“0位”、“起始采样位置”、“0光程差位置”、“终止采样位置”和“开始减速位置”，在电机经过以上位置时产生相应的标示脉冲信号；

具体包括以下步骤：

1.1)首先标定仪器内部干涉光路0光程差时动镜电机的位置，即“0光程差位置”，此时参考激光和目标光均干涉最强；

1.2)然后根据仪器的最高光谱分辨率计算所对应的最大光程差，并以“0光程差位置”为中心，在其两侧分别标定动镜电机的“起始采样位置”和“终止采样位置”，保证s4不小于最大光程差；

1.3)再根据仪器动镜电机的最大工作速度设置电机的“0位”，保证电机从“0位”启动开始加速，在达到“起始采样位置”前足够加速至最大工作速度，并进入匀速状态；

1.4)最后根据仪器动镜电机的最大工作速度设置电机的“开始减速位置”，该位置处于“终止采样位置”之后，并保证电机以最大工作速度从“开始减速位置”开始减速，在达到电机后限位前能够减速到零；

2)然后进行光谱探测，将动镜电机的运动周期分为去程和回程，每次探测过程动镜电机完成“去程-回程”一个运动周期，仪器采集一组目标干涉数据，当连续探测采集多组干涉数据时，动镜电机按“去程-回程-去程-回程……”不断循环工作；

仪器每次光谱探测具体包括以下步骤：

2.1)首先根据所切换的不同响应波段的探测器及前放电路，设置合适的光谱分辨率和动镜电机工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配仪器的最佳响应频率，提高探测器及前放电路输出信号的信噪比；

2.2)启动仪器干涉光路中的动镜电机，电机自“0位”开始加速，进入去程，直到加速至所设置的动镜工作速度，然后电机以该速度继续作匀速运动；

2.3)动镜电机匀速运动经过“起始采样位置”时触发相应标示脉冲信号，仪器检测到该脉冲信号后，根据内部参考激光干涉信号开始对目标辐射干涉信号进行采样，直到电机经过“终止采样位置”时触发相应标示脉冲，仪器检测到终止采样脉冲信号后停止采样，由于“起始采样位置”和“终止采样位置”均已固定，因此，每次探测过程仪器在动镜电机匀速段实施目标辐射干涉信号采样的有效行程相同，即每次采样所得数据量相同且满足仪器最大光谱分辨率反演需要；

2.4)动镜电机继续匀速运动至“开始减速位置”，触发相应标示脉冲，仪器检测到该脉冲信号后，电机开始减速，直至减速为0，然后电机转向进入回程，最终回归“0位”；

2.5)探测完成，根据仪器所设置的光谱分辨率，从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，进行光谱反演。

本发明的优点是：

1、本发明所提出的一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法，可以通过调节仪器动镜电机的工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配所切换的不同响应波段的探测器及前放电路的最佳响应频率，进而提高探测器及前放电路输出信号的质量，实现仪器光谱范围覆盖近红外至远红外的宽波段、高信噪比光谱探测；

2、本发明所提出的方法通过标定仪器动镜电机的运动周期，固定电机匀速段仪器实施目标辐射干涉信号采样的有效行程，该行程满足仪器最大光谱分辨率要求，即仪器每次探测过程采样所得的数据量相同，且满足最大光谱分辨率反演需要，针对不同光谱分辨率设置，从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，用于光谱反演即可，不仅简化了仪器动镜电机的控制，而且便于实现仪器多分辨率光谱探测。

附图说明：

图1傅里叶红外光谱仪干涉系统动镜电机标定及运行示意图。

图2傅里叶红外光谱仪干涉系统示意图。

图3激光探测器输出信号大小与动镜位移关系。

图2中，1表示参考激光干涉部分，其中101为参考激光器，102为激光分束器，103为定镜，104为动镜，105为离轴抛物面反射镜，106为激光探测器；2表示红外目标光干涉部分，其中201为红外分束器，202为定镜，203为动镜，204为离轴抛物面反射镜，205为目标测器。

具体实施方式：

下面结合附图1、2、3对本发明所提出的多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法的具体实施做进一步说明，仪器干涉系统示意如图2所示，参考激光器101选用波长632.8nm的氦氖激光器，可见参考激光经分束器102一分为二，两束光线分别经定镜103和动镜104反射后在分束器处重新交汇发生干涉，干涉结果经离轴抛物面反射镜105汇聚后入射激光探测器106，与此同时，经仪器前置光学准直后的目标辐射经红外目标光分束器201一分为二，分别入射定镜202和动镜203，再次反射后在分束器处重新交汇发生干涉，干涉结果经离轴抛物面反射镜204汇聚后入射目标探测器205。

仪器干涉系统中的电机选用总行程20mm的音圈电机，将参考激光干涉部分的动镜104和红外目标光干涉部分的动镜203背靠背固定于音圈电机上，由音圈电机运动带动两块动镜作往复运动。仪器中的目标探测器205可以切换近/中/远红外三种目标探测器实现光谱范围覆盖1-100μm，近红外目标探测器选用InfraRed Associates公司的光伏型InSb探测器IS-1.0，中红外目标探测器选用InfraRed Associates公司的光导型HgCdTe探测器FTIR-24-1.0，远红外目标探测器选用Laser Components公司的DLaTGS热释电探测器D3151X1000。

仪器设计三档光谱分辨率可选，分别为1cm^-1、5cm^-1、10cm^-1，近红外通道光谱探测范围1-6μm，默认光谱分辨率1cm^-1，中红外通道光谱探测范围4-24μm，默认光谱分辨率5cm^-1，远红外通道光谱探测范围20-100μm，默认光谱分辨率10cm^-1，近/中/远红外三通道的光谱分辨率也可以根据需要在1cm^-1、5cm^-1、10cm^-1之间进行切换。

为了充分发挥远红外目标探测器的性能，控制远红外目标干涉信号的频率范围不超出1KHz，同时为兼顾仪器探测时长，设计音圈电机具备两种工作速度5mm/s和20mm/s。近红外通道默认电机工作速度20mm/s，根据仪器干涉系统设计可推算出近红外通道目标干涉信号频率范围6.6-40KHz；中红外通道默认电机工作速度20mm/s，目标干涉信号频率范围1.6-10KHz；远红外通道默认电机工作速度5mm/s，目标干涉信号频率范围100-500Hz。近/中/远红外三通道的电机工作速度也可以在5mm/s和20mm/s之间切换。

该发明的实现首先需要对仪器干涉系统中的音圈电机进行标定，具体标定步骤如下：

首先校准仪器的干涉光路，并标定音圈电机的“0光程差位置”，保证电机处于该位置时参考激光干涉光路和红外目标光干涉光路同时满足0光程差，即此时参考激光和红外目标光的干涉结果均为最强，并调整“0光程差位置”尽量位于电机行程中段。

根据仪器的干涉光路设计，动镜从0光程差位置开始，前后每移动λ/2的距离，相应波长的光束即发生一次最强干涉，针对参考激光干涉部分，动镜104每移动316.4nm，激光探测器就会出现一次极大信号，激光探测器的输出信号大小与仪器动镜的位移关系如图3所示。仪器将根据参考激光的干涉结果，在激光探测器每次出现极大值时对此时的红外目标光干涉信号进行采样，即动镜每移动316.4nm进行一次采样，由此实现等位移采样。

为标定音圈电机的“起始采样位置”和“终止采样位置”，需根据仪器所具备的光谱分辨率计算所需要的最大光程差，以及采样次数，计算结果如下：

1cm^-1光谱分辨率所需要的光程差为

采样次数为

5cm^-1光谱分辨率所需要的光程差为

采样次数为

10cm^-1光谱分辨率所需要的光程差为

采样次数为

根据仪器所需的最大光程差及相应采样次数，将音圈电机的“起始采样位置”标定于“0光程差位置”左侧2.5mm处，“终止采样位置”标定于“0光程差位置”右侧2.5mm处，即s4＝5mm。

另外，设置音圈电机的加速度为1000mm/s²，则电机自“0位”启动以1000mm/s²的加速度从0加速至20mm/s需要20ms，行程0.2mm，即s2＝0.2mm；同样，电机自“开始减速位置”以-1000mm/s²的加速度从20mm/s减速至0，需要20ms，行程0.2mm，即s6＝0.2mm。根据s2＝s6＝0.2mm，并设置s3＝s5＝0.3mm，由此可以标定出音圈电机的“0位”和“开始减速位置”。

经过以上步骤完成对仪器动镜电机运动周期的标定，然后开始进行光谱探测，将动镜电机的运动周期分为去程和回程，每次探测过程动镜电机完成“去程-回程”一个运动周期，仪器采集一组目标干涉数据，当连续探测采集多组干涉数据时，动镜电机按“去程-回程-去程-回程……”不断循环工作。仪器每次光谱探测的具体过程如下：

首先根据所切换的不同响应波段的探测器及前放电路，设置合适的光谱分辨率和动镜电机工作速度，以改变目标辐射干涉信号的频率范围，匹配仪器最佳响应频率，提高探测器及前放电路输出信号的信噪比。

然后启动仪器中的动镜电机，电机自“0位”开始加速，进入去程，直到加速至所设置的动镜工作速度，然后电机以该速度继续作匀速运动。

当电机经过“起始采样位置”时触发相应标示脉冲信号，仪器检测到该脉冲信号后，根据内部参考激光干涉信号开始对目标辐射干涉信号进行采样，直到电机经过“终止采样位置”时触发相应标示脉冲，仪器检测到终止采样脉冲信号后停止采样。

动镜电机继续匀速运动，直至经过“开始减速位置”，触发相应标示脉冲，仪器检测到该脉冲信号后，电机开始减速，直到减速为0，然后电机转向进入回程，并最终回归“0位”。

至此，动镜电机完成一个运动周期，仪器完成一组目标辐射干涉信号采集，若仪器需要连续探测，电机在回归“0位”后，将重新加速，重复以上步骤。根据上述电机运动过程，由于“起始采样位置”和“终止采样位置”均已固定，因此，每次探测过程仪器在动镜电机匀速段实施目标辐射干涉信号采样的有效行程相同，即s4，满足系统最大光谱分辨率1cm^-1的行程要求，且每次采样所得数据量相同，即采样15803次，满足仪器最大光谱分辨率反演需要。

后续光谱反演首先需要从采样所得的15803个数据中，首先定位其中的最大信号，即“0光程差位置”采样所得的信号，因为此时红外目标光中各个波段均干涉最强；再根据仪器所设置的光谱分辨率计算出所需要的采样次数，5cm^-1光谱分辨率所需要的采样次数为3161，10cm^-1光谱分辨率所需要的样次数为1581；然后以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取所需数量的采样数据，根据所截取的数据即可反演相应光谱分辨率的目标光谱。

由此可以实现仪器多分辨率光谱探测，而通过调节仪器干涉系统中动镜电机的工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配近/中/远红外三通道探测器及前放电路的最佳响应频率，进而提高探测器及前放电路输出信号的质量，最终实现仪器光谱范围覆盖近红外至远红外的宽波段、高信噪比光谱探测。

Claims (1)

1.一种多分辨率宽波段傅里叶红外光谱仪动镜电机控制方法，其特征在于方法步骤如下：

1)首先根据仪器干涉光路设计，标定动镜电机运动的“0位”、“起始采样位置”、“0光程差位置”、“终止采样位置”和“开始减速位置”，在电机经过以上位置时产生相应的标示脉冲信号；

具体包括以下步骤：

1.1)首先标定仪器内部干涉光路0光程差时动镜电机的位置，即“0光程差位置”，此时参考激光和目标光均干涉最强；

1.2)然后根据仪器的最高光谱分辨率计算所对应的最大光程差，并以“0光程差位置”为中心，在其两侧分别标定动镜电机的“起始采样位置”和“终止采样位置”，保证目标辐射干涉信号采样的有效行程s4不小于最大光程差；

1.3)再根据仪器动镜电机的最大工作速度设置电机的“0位”，保证电机从“0位”启动开始加速，在达到“起始采样位置”前足够加速至最大工作速度，并进入匀速状态；

1.4)最后根据仪器动镜电机的最大工作速度设置电机的“开始减速位置”，该位置处于“终止采样位置”之后，并保证电机以最大工作速度从“开始减速位置”开始减速，在达到电机后限位前能够减速到零；

2)然后进行光谱探测，将动镜电机的运动周期分为去程和回程，每次探测过程动镜电机完成“去程-回程”一个运动周期，仪器采集一组目标干涉数据，当连续探测采集多组干涉数据时，动镜电机按“去程-回程-去程-回程……”不断循环工作；

仪器每次光谱探测具体包括以下步骤：

2.1)首先根据所切换的不同响应波段的探测器及前放电路，设置合适的光谱分辨率和动镜电机工作速度，改变目标辐射干涉信号的频率范围，以匹配仪器的最佳响应频率，提高探测器及前放电路输出信号的信噪比；

2.2)启动仪器干涉光路中的动镜电机，电机自“0位”开始加速，进入去程，直到加速至所设置的动镜工作速度，然后电机以该速度继续作匀速运动；

2.3)动镜电机匀速运动经过“起始采样位置”时触发相应标示脉冲信号，仪器检测到该脉冲信号后，根据内部参考激光干涉信号开始对目标辐射干涉信号进行采样，直到电机经过“终止采样位置”时触发相应标示脉冲，仪器检测到终止采样脉冲信号后停止采样，由于“起始采样位置”和“终止采样位置”均已固定，因此，每次探测过程仪器在动镜电机匀速段实施目标辐射干涉信号采样的有效行程相同，即每次采样所得数据量相同且满足仪器最大光谱分辨率反演需要；

2.4)动镜电机继续匀速运动至“开始减速位置”，触发相应标示脉冲，仪器检测到该脉冲信号后，电机开始减速，直至减速为0，然后电机转向进入回程，最终回归“0位”；

2.5)探测完成，根据仪器所设置的光谱分辨率，从采样所得的数据中，以“0光程差位置”采样所得的最大信号为中心，左右截取相应光谱分辨率反演所需的数据量，进行光谱反演。

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