CN114993941A - 一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，由激光发射模块、分光器、动镜、定镜、光电探测器和数据采集处理模块等构成，在进行测量时，激光发生模块发出一束标准波长的激光和一束频率变化的扫频激光，两束激光合束后，经准直透镜照射到迈克尔逊红外干涉系统的动镜和定镜上，在动镜移动的情况下，两束光分别产生干涉，干涉信号叠加后的光强被光电探测器接收。通过测量得到的非标准拍的包络与被调制周期信号的周期比，以标准波长的激光为参考，确定待测光的绝对波长，进而获得吸收光谱数据。本发明消除了传统傅里叶红外光谱仪动镜移动速度不均等因素导致的误差，可实现对气体吸收光谱的宽范围的高精度测量，具有广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明提出一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，属于红外光谱测量领域，该方法可在迈克尔逊干涉系统中动镜非匀速移动情况下，实现吸收光谱的宽范围、高精度测量。
(二)背景技术
随着气体检测技术的发展，通过研究气体的吸收光谱，分析其吸收曲线，得到气体的成分、压强、温度、浓度等信息，在大气监测、疾病诊断、安全防卫、燃烧诊断等方面起着重要作用。而其中，气体吸收光谱的获取直接决定了检测结果的精确度，所以在气体检测技术领域占据重要位置。现有的气体吸收光谱测量方法，主要有光学频率梳和红外光谱仪探测法，近几年也不断出现一些傅里叶红外光谱仪与新技术相结合的方法。
光学频率梳(Optical Frequency Comb)是一种由许多分立且频率间隔相等的频率梳齿组成的宽带光源，其在时域上表现为等间距的激光脉冲序列，频域上表现为等间隔梳齿线，相邻梳齿间的间隔为脉冲重复频率，光学频率梳具有脉冲宽度窄、频率精度高、频率梳齿稳定以及相干性好等优良的时频域特性，因此常被用来做精密测量。2008年，Ganz等在《光通信》(Optics Communications)第281卷第3827页的文章《紧凑型频率梳傅里叶变换红外光谱仪》(Compact Frequency-comb Fourier-transform Infrared Spectrometer)中提出了一种基于光学频率梳的傅里叶变换红外光谱仪，该光谱仪由两束相干的梳频光束进行干涉，避免介质合成器的使用，最终使得仅使用单一非线性晶体的小型无色散傅里叶变换光谱仪成为可能，同时可以实现较宽的光谱宽度，适用于远程检测和成像。2018年5月，Wei-Peng等在《物理学报》(Acta Physica Sinica)第67卷第9期的文章《光频联双梳子吸收光谱测量》(Optical Frequency Linked Dual-comb Absorption Spectrum Measurement)中提出了一种光频域互相链接的双光梳光谱探测方案，文章将两台激光器的偏置频率同时锁定到一个窄线宽激光器上，有效地抑制了双光梳光谱采样时的抖动问题，实现了光谱探测性能的提升，为双光梳光谱测量的实际应用提供了一种高精度、低成本、易实现的解决方案。以上技术均是在傅里叶红外光谱仪的基础上，基于光学频率梳的原理实现的光谱测量，频率梳傅里叶变换光谱技术原理上是一种时域技术，该技术对梳状脉冲序列进行干涉，用不同重频的第二个脉冲序列进行采样，该方法能够在较宽的带宽范围实现快速、高灵敏度和高精度的测量，但是在光谱频率范围较窄、光谱分辨率要求较高的情况下，基于光频梳的测量方法对光源性能的要求也同步提高。
长期以来，气体吸收光谱检测大都是利用红外光谱仪实现，近红外光谱仪器主要由激光发射器件、分光器件、检测和取样器件、数据处理和记录显示器件几部分构成，近年来，在微机电技术的推动下，近红外光谱仪已成为一种广泛使用且具有高性价比的分析工具，主要可以分为色散型和调制变换型两大类，其主要区别在于分光方式的不同。
色散型光谱仪主要通过色散的方式对光束进行分光和光谱重构，当光束打在色散元件上后，根据色散原理，原来的光被分成若干束波长不同的光，从而实现光谱的重构和检测，获取吸收光谱等信息。在分光元件中，光栅应用得较为普遍。2020年12月，李春来等在《红外与毫米波学报》(Journal of Infrared and Millimeter Waves)第39卷第767页的文章《红外高光谱成像仪(ATHIS)对矿物和气体的实验室光谱测量》 (Spectral Measurementof Minerals and Gases Based on Airborne Thermal-infrared HyperspectralImaging System)中介绍了热红外高光谱成像技术，文章采用的热红外高光谱成像系统使用平面闪耀光栅进行分光，并探索了几种提高其灵敏度的可行的方案，并利用其进行了矿物发射光谱和气体红外吸收光谱的实验室测量，结果表明该文章所提出的方法可以较准确地反演矿物发射率光谱和气体的吸收光谱。2021年，谈晗芝等人在《光学仪器》(OpticalInstruments)第43卷第68页的文章《低波数高分辨率微型光栅光谱仪的设计》(Design ofLow Wavenumber High Resolution Micro Grating Spectrometer)中设计了一种基于M型C-T 光路结构的拉曼光谱仪，同样使用光栅作为核心元件，文章通过合理的结构设计和参数选择来平衡光栅光谱仪的各项指标，同时实现了较宽光谱、较高分辨率的光谱测量，但该系统只适用于特定波段，对于一些高波段光谱，还需要进一步调整和优化。同年，魏烨艳等在《光学精密工程》(Optical Precision Engineering) 第29卷第2009页的文章《太阳CO4.66μm光栅光谱仪的光学设计》(Optical Design of Solar CO 4.66μm GratingSpectrometer)中，在特定工作目标和工作环境条件下，设计了一种高分辨中红外光谱仪，采用中阶梯光栅作为分光器件，通过离轴三反结构来消除像散，同样通过合理的参数选择来平衡光栅光谱仪的各项指标，使其满足了测量需求。以上技术均是在光栅型光谱仪的基础上进行进一步的改造和算法上的优化，通过合理选择参数和结构来平衡光谱仪的各项性能，以求实现吸收光谱的高分辨率测量。其中，光栅元件是光栅型光谱仪的核心器件，光栅型光谱仪的光路结构较为简单，实现起来比较容易，其分辨率和自由光谱范围等参数均取决于光栅的设计和工艺，因此可以通过对光栅参数的选择来实现某种特定的测量要求，但一些要求高的测量，则对光栅的设计和加工工艺提出了更高的要求和挑战。
调制变换型光谱仪的典型代表是傅里叶变换光谱仪，其主要基于光的干涉和傅里叶变换理论，入射光由激光器发出后被分光器分成两束，当动镜沿光轴匀速移动时，两束光分别经动镜和定镜反射后在光电探测器上发生相干，产生频率固定的干涉波形，通过光电探测器记录的光强信号进行精密测量。
传统的迈克尔逊红外傅里叶光谱仪往往采用离散傅里叶变换算法(DTFT)将时域的数据变换到频域分析其光谱特征，但在进行傅里叶变换时往往存在栅栏效应、混叠误差、截断误差等问题，导致在光谱测量或定标的过程中的误差偏大、精度不高，同时傅里叶变换算法在处理数据的过程中的计算量较大，过程较复杂。2017年，李振宇等人在《红外》(Infrared)第38卷第13页的文章《红外傅里叶光谱仪的干涉图模型研究及应用》(Studyand Application of Interferogram Model for Infrared Fourier Spectrometer)中提出了一种将数值积分与离散傅里叶变换技术相结合的方法，对红外傅里叶光谱仪获得的干涉数据进行了分析和计算，分析了大气垂直监测仪的背景噪声，对背景噪声问题的改善有一定的理论指导意义。
除了离散傅里叶变换算法可能带来的问题，傅里叶光谱仪探测器象元本身的有限视场等硬件方面的问题，也可能会导致得到的光谱的不准确，这一点则需要通过光谱定标来矫正，2018年，邹曜璞等人在《光谱学与光谱分析》(Spectroscopy and SpectralAnalysis)第38卷第1268页的文章《傅里叶光谱仪高精度光谱定标研究》(Study on HighPrecision Spectral Calibration of Fourier Spectrometer)中分析了傅里叶光谱仪产生误差的可能原因，并给出了光谱定标的公式和相应的修正算法，同时使用了光谱细化的算法来进一步提高测量的精度，并通过实验数据证明了该定标方法的有效性和可行性。2017年，张磊等在《红外技术》 (Infrared technology)第39卷第848页的文章《红外傅里叶光谱仪光谱细化的高速并行实现》(High Speed Parallel Implementation of SpectrumRefinement for Infrared Fourier Spectrometer)中提出了一种基于多核并行实现频谱细化的算法，可以极大地缩短频谱细化过程所需要的时间，并通过实验数据进行了验证，该算法为大点数频谱细化的实现提供了一种新的思路。2021年2月，Lindner等在《光学快报》(OPTICS EXPRESS) 第29卷第4035页的文章《傅里叶变换中红外气体光谱近红外探测的非线性干涉仪》(Nonlinear Interferometer for Fourier-transform Mid-infrared GasSpectroscopy Using Near-infrared Detection)中提出了一种在非线性干涉仪中将单像素近红外探测与傅立叶变换相结合的方法，能够高效、准确地应用于特定的光谱测量任务中，但是，其光谱分辨率受干涉仪各臂之间可用的最大延迟的限制。
以上技术主要是在调制变换型光谱仪的基础上，利用离散傅里叶变换或快速傅里叶变换算法，将迈克尔逊红外干涉仪采集到的光谱信号转换到频率域进行处理和分析，更加方便和直观，因此傅里叶变换与光谱仪相结合的吸收光谱测量方法一直以来得到了广泛的应用，但由于受到离散傅里叶变换算法本身的影响，诸如频谱泄漏、混叠误差、栅栏效应等问题导致的误差仍然无法避免，除此之外，传统的迈克尔逊红外傅里叶光谱仪在测量的过程中要求动镜匀速移动，当动镜受到扰动或者其他原因的影响难以实现匀速运动时，会导致后续数据处理的困难和光谱分辨率的降低，但绝对的匀速移动对高精度电机的要求较高，难以实现。
除了上述介绍的几种传统光谱仪之外，近几年，为了提高测量的分辨率、速度，或者是为了实现一些特殊的测量目标，一些基于传统FTIR技术的新兴技术方法或应用也在不断被提出。2019年4月，Rutkauskas 等在《光学快报》(OPTICS EXPRESS)第27卷第9578页的文章《基于无人机傅里叶变换红外光谱的自主多物种环境气体传感》(Autonomous Multi-species Environmental Gas Sensing Using Drone-based Fourier- TransformInfrared Spectroscopy)中提出将傅里叶红外光谱仪与无人机结合，仅使用短传感路径就可以实现较高的灵敏度，并通过创新的气体浓度映射方法，利用机器学习技术，增强了感知能力。但该方法同时也存在响应速度较慢、红外光谱仪传感路径的长度和位置对灵敏度有限制等问题。2021年6月，McDonald 等在《应用光学》(Applied Optics)第60卷第4524页的文章《推进剂火焰中温度、CO2和HCl的光谱分辨、一维、中红外成像》(SpectrallyResolved,1D,Mid-infrared Imaging of Temperature,CO2,and HCl in PropellantFlames)中提出将高速、中红外摄像机与成像光谱仪结合，用最小二乘拟合模拟发射光谱来实现高分辨率的发射光谱测量，并最终计算得到气体温度和浓度。2020年11月，Dabrowska等在《光学快报》(Optics Express)第28卷第36632页的文章《利用外腔量子级联激光Mach-Zehnder干涉仪检测蛋白质的中红外折射率传感器》(Mid-IR Refractive Index Sensorfor Detecting Proteins Employing an External Cavity Quantum Cascade Laser-based Mach-Zehnder Interferometer)中提出将Mach-Zehnder干涉仪应用到傅里叶变换光谱仪中，并提出了一种基于Mach-Zehnder干涉仪和外腔量子级联激光器的折射率传感器，用来快速获取液相样品的高分辨率光谱，实现了较高的灵敏度，并成功地应用于蛋白质的定性和定量分析，但该方法存在每次注入时光路长度变化对测量序列有负面影响等问题。2014年11月，Ayerden等在《应用光学》(Applied Optics)第53卷第7267页的文章《基于MEMS的高速宽带FTIR系统》(High-speed Broadband FTIR System Using MEMS)中提出将傅里叶红外光谱仪与MEMS技术相结合，采用基于微机电系统的片层光栅干涉仪，实现了干涉图采集的快速性和紧凑性。上述几种方法主要是在传统FTIR技术的基础上，与其他技术如 MEMS等相结合，实现了更高的测量性能和精确度，满足了某些特定的测量需求，但传统FTIR技术中光路臂长对分辨率大小的限制、傅里叶变换原理的影响等问题依然存在，上述几种方法只是在目标导向和其他技术的加持下减小了某一方面对测量结果的影响，使其最大程度满足对某些特定测量场景的要求，并且仍难以满足动镜非匀速移动情况下的吸收光谱的高精度测量。因此，迫切需要发展新的高效快速的吸收光谱测量方法。
基于上述背景，本发明提出一种免标定抗干扰的基于迈克尔逊红外干涉系统的吸收光谱测量方法。首先，本发明在传统迈克尔逊红外干涉系统的基础上，将一束已知波长的标准光与待测光同时出射，在测量的过程中就实现了传统方法中的“定标”过程，不需要提前对测量系统进行定标，同时也减少了随机误差对测量的影响；其次，本发明利用光学拍现象的基本原理，将其推广应用到迈克尔逊红外干涉系统探测到的信号中，通过理论推导可以证明，当两种频率不同的光经过迈克尔逊干涉系统后，探测器接收到的信号相当于两个有直流偏置的余弦信号的叠加，合成的信号是一个非标准的“光学拍”信号，拍信号的频率和动镜的移动速度有关，但拍的包络与被调制的周期信号的周期比仅与两种光的波长比有关，与动镜的移动速度无关，基于此原理可以几乎完全排除传统迈克尔逊红外傅里叶光谱仪测量方法中动镜移动速度不均匀所带来的影响；进一步，当加入的待测光为扫频光时，可以使用本方法选取连续的包络计算波长值与吸收率值，进而组成光路中待测气体的吸收光谱。
此外，本发明在时域直接对探测器所采集到的信号进行分析，避免了传统方法中离散傅里叶变换所带来的栅栏效应、频谱泄漏等问题，大大提高了计算速度，同时减小了数据处理算法本身所带来的误差；在传统方法中，受到离散傅里叶变换算法的原理限制，快速傅里叶变换算法得到的光谱精度直接由干涉仪器的最大光程差决定，而在本发明中，由于“动镜匀速运动”的条件被简化为“动镜运动”，使用本发明得到的光谱精度不再受到干涉仪器的最大光程差的限制，可以实现对气体吸收光谱的宽范围、高精度的测量。
(三)发明内容
本发明提出一种免标定、抗干扰的基于迈克尔逊红外干涉系统的吸收光谱的测量方法与系统，由激光发射模块、分光器、动镜、定镜、光电探测器和数据采集处理模块依次构成。在实际的吸收光谱测量过程中，激光发射模块将一束已知波长的标准光与一束扫频光同时从激光器发出，经过迈克尔逊红外干涉系统，在光电探测器处实现干涉光强的叠加，之后由数据采集处理模块对采集到的数字信号进行处理，得到干涉系统光路上待测气体的吸收光谱。
激光发射模块利用光纤将两个激光器相连，使之同时发出一束标准波长的激光和一束频率变化的扫频激光，两束激光经过迈克尔逊干涉系统，此处假设扫频光波长固定为某一待测波长；讨论一般情况，由光的干涉公式(不考虑传输过程中光能的损失)可得
其中，
λ为激光器发出的激光的波长，d为两个反射镜到半透半反镜(分光器)的光程差，δ为两相干光束的相位差。
假设半透半反镜可将激光器发出的光等分为光强相等的两束光，即I1＝I2，则激光器发出的某一波长为λ的光经迈克尔逊干涉仪后，进入光电探测器的光强为
I＝2I1(1+cosδ) (2)
当两面反射镜的位置固定不变时，δ为一固定值，光电探测器接收到的光强不随时间改变，为一恒值，当其中一面镜子以速度v移动时，两面反射镜到半透半反镜的距离差d发生改变，两束光的相位差δ随之改变为
其中，d0为两面反射镜到半透半反镜的初始距离差，t为经过的时间，由此，随着动镜的移动，光电探测器接收到的光强也随之变化
由上式可得，当动镜匀速移动时，速度v恒定，光电探测器接收到的光强随时间成余弦规律变化，变化的角频率
光电探测器在一段时间内接收到的光强为一标准的余弦波，此时若激光器同时发出一束已知波长的标准光和一束波长待测的光，光电探测器接收到的信号即为两个频率不同的余弦波的叠加，通过滤波可以很容易地将两个余弦形状的波形分开，从而通过计算角频率得到待测光的波长。
但由于发生干涉的光的波长都很小，且绝对的匀速运动对精密导轨的要求较高，几乎无法实现，当动镜不是匀速运动时，即速度v的大小无规则变化时，光电探测器接收到的光强I为周期非均匀的余弦波，尤其是当标准光信号和待测光信号的频谱发生混叠时，难以通过滤波将两个信号的波形分开。
为解决上述问题，本发明利用拍现象及其原理，几乎完全排除了速度不稳定带来的影响。
首先，对于标准波长的光，设光强为I′0，波长为λ0，经过迈克尔逊干涉系统后被光电探测器接收到的光强为I0
同理，对于待测波长的光可得
探测器接收到的总的光强为I
I＝I0+I1 (7)
考虑特殊情况，当I′0＝I′1时
化简得
当动镜移动速度恒定时，光电探测器接收到的合光强为标准的拍信号，即当λ0和λ1相差不大时，合成的光强I可以看作是
的振幅被一个角频率很小的余弦函数
调制的结果。
当动镜移动速度不恒定时，振幅调制包络
和被调制的快速变化的余弦波
的频率都随速度v的变化而改变，在时域上表现为余弦波形的稀疏不均匀，相位随时间的变化忽快忽慢，在这里定义振幅调制包络与被调制余弦波的周期比(被调制余弦波和振幅调制包络的角频率之比)
由于α仅与两束光的波长有关，与动镜的移动速度v无关，因此振幅调制包络与被调制的余弦波的周期比α与速度无关，即虽然随着v的改变，按余弦函数规律变化的信号的角频率会变快或变慢，振幅调制包络和被调制的余弦波的稀疏也会随之改变，但每个包络里面所含的快速变化的余弦波的个数与速度v无关，基于此原理，可以几乎完全排除动镜移动速度v不稳定带来的影响，从而求出待测波长如下。
当I0′≠I1′时，待测光波长的计算原理类似，与之不同的是待测光光强的计算过程，叠加光强的拍的振幅最大值处仍为两束光光强的极大值重合处，即拍的振幅最大值为两束光光强极大值的相加，叠加光强的拍的振幅的最小值是一束光强的极大值与另一束光强极小值的相加，由于I0′≠I1′，因此叠加光强的拍的振幅的最小值不再为零，而是I0′与I1′之差的绝对值|I0′-I1′|。基于此原理，可计算得到待测光的光强值。
考虑特殊情况，当加入的待测光为波长随时间变化的扫频光时，合成光强公式如下：
其中，u为扫频光扫频的速率，当扫频光波长在一定范围内缓慢变化(扫频速率远小于动镜的移动速率) 时，可以近似认为待测光(λ1+ut)一项对整体余弦波相位的变化速率没有影响，其周期仍然仅与动镜移动速率有关，此时让动镜进行一个速度为v的运动，可以获得振幅调制包络与被调制波形的周期比α缓慢变化的非标准拍，此时可以通过单个或多个包络计算某一时刻的扫频光波长λ1，同时，可以通过计算非标准拍信号波形的波峰与波谷的平均幅值来得到待测光的光强值，组成光强值序列I1′，通过光强值的归一化与光谱吸收率的计算，得到每一个波长位点处的吸收率。
将每一个位点处的吸收率与之前算出的波长信息一一对应，分别作为吸收光谱的纵、横坐标，可以得到光路中待测气体的吸收光谱。
进一步，要提高波长计算的精度，可以从标准光波长选择和数据处理方法两方面来考虑。
标准光波长选择方面，由上文的公式推导可以得到，振幅调制包络与被调制波形的周期比
其中，α为一个振幅调制包络中所包含的被调制波形的周期数，由公式可以得到，α与λ0和λ1均有关，并且标准波长λ0与待测或扫频波长λ1越接近，使用本方法测量得到的波长或光谱分辨率精度就越高，因此，可以根据“越相近越好”的原则选择标准光波长来提高待测光波长测量的精确度。
另外，数据处理方法方面，在测量扫频光的波长时，可以通过灵活选择拍信号的包络的起始和结束位置来获取更多的波长值，由于激光发射模块发出的扫频光是波长连续变化的激光，而该激光的全部频率信息均被记录并保存在了待处理的非标准“拍”信号中，如果只取波腹或者波节的位置，每个包络计算一个波长值，包络的利用率较低；但若取两个波腹间的数据计算一个中间波节位置处的波长值，再取两个波节间的数据计算一个中间波腹位置处的波长值，这样每个拍的数据相当于被使用了两遍，每个包络的数据利用率也有所提高。因此通过优化数据处理的方式，可以增加每个包络数据的利用率，同时也可以提高波长计算的准确度，减小随机误差，具体做法如下：
首先，设采集到的数据一共记录了n个完整的拍，记录采集到的非标准拍信号中的每个波腹和波节的位置，记为ai(i＝1,2,3......2n)，若每次都计算ai到ai+2之间的平均波长，则可以得到a2,a3,......,a2i-1位置共2n-2个波长数据，但每个位置的波长值只由一个包络的数据计算得到，受包络起止位置的选择影响，存在随机误差；进一步，若选择每次都计算ai到ai+4之间的平均波长，相当于每个位置的波长值是由两个包络的数据计算得到的，随机误差比只取一个包络计算得到的结果小，波长数据更加准确，但只能得到2n- 4个波长值，和只取一个包络相比会损失两个位置的波长值；同理，可以通过进一步选择更多的包络数量来计算每个点位的波长值，可以减小误差，增加计算的准确度。
(四)附图说明
图1为所提方法的一种典型结构图，由以下部分构成：激光发射模块(101)、分光器(102)、动镜(103)、定镜(104)、光电探测器(105)、数据采集处理模块(106)。
图2为迈克尔逊红外干涉系统结构图。
图3为光电探测器采集到的光强-时间图。
图4为处理得到的吸收光谱图。
(五)具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
搭建迈克尔逊干涉仪如附图2，激光器发射的光经分光器分光，再由两个反射镜(M1、M2)反射后在光电探测器处发生干涉，其中动镜为M1(运动方向如图2)，定镜为M2，M2’为M2经半透半反镜(分光器)的虚像，d为光束到动镜和定镜的光程差，干涉光强由光电探测器探测并记录。
首先，利用激光发射模块将一束已知波长的标准光与一束波长待测的扫频光同时从激光器发出，此处标准光的波长λ0＝1389nm,待测扫频光的波长在1392nm-1393nm范围内变化，扫频频率为1Hz，采集系统的采样频率为1.03MHz，目标是测量空气中水蒸气的吸收光谱，两种光从激光发射模块发出后，经过迈克尔逊红外干涉系统，测量时使干涉系统的动镜移动1-2cm，干涉后的叠加光强由光电探测器接收，信号经过A/D转换后被采集到电脑进行数据处理，由上述原理可以得到，经过迈克尔逊干涉系统后，标准波长的光的光强为(分光器将入射光分为等光强的两束光)
同理，待测光的光强为
此时的I0和I1不相等，λ0＝1389nm，λ1≈1392-1393nm，两束光的光强在探测器上发生叠加，当动镜M1移动1-2cm的距离后，数据采集系统采集到的数据如附图3，从图中可以看出两种波长的光强在光电探测器上叠加形成非标准的拍信号，随着动镜移动速度的变化，余弦波的角频率时快时慢，对应波形的紧凑和稀疏，当标准光波长λ0固定时，每个振幅调制包络中被调制的余弦波的个数仅与待测光的波长有关，并随着扫频的进行而逐渐变化。
基于本发明介绍的原理，利用如下波长计算公式可计算得到每个包络位置处的波长值，改变包络的起止点位置，可以增加每个非标准拍包络数据的利用率。
由于包络的起止位置的选取偏差可能会造成一定的随机误差，根据误差理论，对计算出的波长值进行回归分析以减小随机误差的影响。
同时，利用光强计算公式可以计算得到扫频光的光强随时间的变化曲线，对其归一化处理并计算吸收率。
将波长信息与吸收率信息分别作为横纵坐标，合成得到实验条件下空气中水蒸气的吸收率曲线，如附图4。
由上述原理可以分析波长计算误差，当λ0＝1389nm，λ1≈1392-1393nm，若通过记录一个振幅包络中的被调制余弦波的周期数来粗略估算待测波长，误差在±0.005nm左右。
以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。
Claims (3)
1.一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，其特征在于，所述系统包括激光发射模块、分光器、动镜、定镜、光电探测器和数据采集处理模块等；其中，所述的激光发射模块利用光纤将两个激光器相连，使之同时发出一束标准波长的激光和一束频率变化的扫频激光，经过分光器后，两种波长的激光分别分光为等光强的两束光，分别经过动镜和定镜反射后各自相干，两种波长的激光的各自的干涉光强被光电探测器同时接收，在测量过程中使动镜移动一段距离，利用数据采集处理模块将叠加后的光强数据采集到计算机；利用采集到的时域光强数据，通过计算振幅调制包络与被调制周期波形的周期之比，确定标准光与待测光的波长比，利用已知的标准光波长，确定待测光或扫频光的波长，通过处理光强数据将两种波长的激光的光强值分离，计算获得待测光的光强；当光路中的气体分子在扫频激光谱段有吸收时，可以得到该气体的吸收光谱。
2.根据权利要求1所述的一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，其特征在于，可以在不要求动镜匀速移动的条件下，通过单次测量直接得到待测光的准确波长值，无需进行提前定标或傅里叶变换；在测量的过程中，激光发射模块通过光纤将两个激光器相连，同时发出一束标准波长的激光和一束波长待测的激光；两种光同时经过干涉系统各自干涉，设标准光的波长为λ0，初始光强为I′0，待测光的波长和初始光强分别为λ1和I′1，两束光干涉后，各自的干涉光强I0和I1分别表示为
其中，d0为动镜对应光路与定镜对应光路的初始光程差，v为动镜的移动速度，叠加后的干涉光强被光电探测器接收；当动镜移动一段距离时，若动镜不是严格的匀速移动，I0和I1均为有直流偏置且周期不稳定的余弦波，两个余弦波叠加合成非标准拍，表现为周期波形的频率随速度v不规则变化，导致时域非标准拍信号的紧密程度不规则变化，但每个振幅调制包络与被调制周期波形的周期比与速度均匀与否无关，仅与两束光的波长比有关，通过测量非标准拍信号的振幅调制包络与被调制波形的周期比α，确定待测激光的波长，即
利用上述公式，通过采集到的数据，可以由标准光的已知波长值实时确定待测光的波长值。
3.根据权利要求1所述的一种免标定抗振动的吸收光谱测量方法与系统，其特征在于，可同时获得待测光的波长和光强的准确值，进而求出对应的吸收光谱；由激光发射模块发出的两束激光经过干涉系统后，两束激光的干涉光强发生叠加并被光电探测器接收；利用叠加合成的非标准拍信号，在计算得到待测光的波长的同时，可以通过计算非标准拍信号波形的波峰与波谷的平均幅值来得到待测光的光强值；当加入的待测光为波长随时间变化的扫频光时，使用上述方法，选取非标准拍信号的连续的包络，计算对应时刻的波长及光强值，通过光强值的归一化与光谱吸收率的计算，得到对应时刻的吸收率，将其与之前计算出的波长一一对应，分别作为纵、横坐标，得到光路上待测气体的完整吸收光谱。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104316186A (zh) * | 2014-07-07 | 2015-01-28 | 华东师范大学 | 一种基于光学频率梳的光谱测量方法 |
| CN107144537A (zh) * | 2016-06-13 | 2017-09-08 | 中国海洋大学 | 一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量方法及系统 |
| US20210021099A1 (en) * | 2018-02-02 | 2021-01-21 | Brolis Sensor Technology, Uab | Wavelength determination for widely tunable lasers and laser systems thereof |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| YUDONG GUO等: "Absolute Wavenumber Determination for Distributed Feedback Laser from Absorption Spectral Profiles", 2021 IEEE INTERNATIONAL INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE (I2MTC), 28 June 2021 (2021-06-28) * |
| 熊伟;施海亮;俞能海;: "空间外差干涉光谱仪仪器线型函数测量新方法研究", 光谱学与光谱分析, no. 01, 15 January 2015 (2015-01-15) * |
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