CN201837459U - 一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪，属于计算机测量与光电子技术领域。本实用新型由嵌入式单片计算机、锁相倍频电路和液晶显示器组成。参考光的干涉信号经过放大倍频后，变成频率更高的脉冲信号去触发嵌入式计算机对被测光干涉信号的模数转换，然后进行傅立叶变换得到信号谱图在LCD上显示。再与参考光信号的频谱进行对比，可以计算出每一条被测光谱线的中心频率的准确值，并在LCD上显示。根据参考光干涉信号来触发被测光干涉信号的模数转换，可以完全抵消电机速度不稳定带来信号采集时基误差，使得光谱中心频率计算精确。通过嵌入式计算机完成信号采集、傅立叶变换、图形数字显示，使得光谱仪电子系统体积小、成本低、精度高。

Description

一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪

技术领域

本实用新型是一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪，属于计算机测量与光电子技术领域，可用来测量多模激光器的输出模式、对每一个模式的中心频率进行精密测量，也用于测量物体发光或反光的光谱分布、并对典型的特征谱线频率(波长)计算出精确值，在光谱研究和物质成分分析领域有着重要的作用。

背景技术

在激光技术和光谱分析应用领域，激光器纵模、各模式准确的中心频率值对技术人员和工程师是很重要的参数。尤其是在物质探测领域，对物体发光或受激反光光谱的精密测量是分析物体成分、辨别微量元素的关键技术。

在光谱测量与光谱分析研究领域，一般采用光栅光谱，光栅光谱分辨率较低。傅立叶变换光谱仪采用计算机，光谱分辨率较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服了现有光谱仪的上述缺点，提供了一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪，使用该光谱仪测量被测光频率，消除了电机速度对测量精度的影响，同时，还提高了测量精度，并能将测量范围扩大到红外与可见光范围。

本实用新型的技术方案如下：本实用新型中的测量光谱的方法是通过扫描仪来实现，所述扫描仪包括迈克尔逊干涉光路部分和电路部分，所述电路部分包括第一放大器、第二放大器、比较器、倍频器、处理器和与处理器相连接的显示装置，其中：第一放大器、比较器、倍频器、处理器依次连接，第二放大器的输出端通过转向开关与处理器直接相连，第一放大器的输出端也通过该转向开关与处理器直接相连；

使用上述光谱仪测量被测光的频率，其步骤如下：

1)将被测光和参考光输入迈克尔逊干涉光路，经过迈克尔逊干涉光路干涉后的参考光和被测光分别被第一光电接收器5第二光电接收器8接收，并将其转换成数字信号传输给电路部分进行处理；

2)第一光电接收器输出的电信号依次通过第一放大器、比较器、倍频器后输入给处理器AD采样触发端，第二光电接收器8输出的电信号通过第二放大器后直接输入给处理器的AD采样信号输入端；

3)调整转换开关，使第一放大器的输出端直接与处理器相连接，处理器采集参考光的NUM个点的电压信号，NUM必须大于等于2²⁰，并将采集后的信号进行处理得到参考光的频谱，将该频谱送至显示装置显示，从显示的频谱中读取参考光的峰值所对应的点的位置N_r(N_r表示参考光的N，N的说明见后文)，根据公式

计算出参考光的频率，其中：f_s是参考光的采样频率；

4)调整转换开关，使第二放大器直接与处理器相连接，被测光的电信号经过第二放大器放大后被处理器采集，参考光信号依次经过第一放大器、比较器、倍频器后输入给处理器的AD采样触发端，作为处理器采集被测光信号的触发信号，处理器采集被测光的NUM个点的电压信号，其采样频率f_s和采样个数NUM与参考光的采样频率和采样个数相同，处理器将采集到的被测光信号进行处理得到被测考光的频谱，并送至显示装置显示；

5)从显示的被测光频谱读取被测光的峰值所对应的点的位置N_u(N_u表示被测光的N，N的说明见后文)，根据公式计算出被测光频率。

本实用新型中的频谱测量方法与电机速度无关，下面对其原理进行说明：

本实用新型使用的测量光路采用干涉式，基于迈克尔逊干涉原理：两束光相互叠加，产生干涉条纹，比对已知频率的参考激光和未知频率的被测光的干涉信号的波形，利用嵌入式计算机采集干涉条纹强度的模拟信号，并做傅立叶变换可以获得被测光的光谱，精确计算谱线中心频率值。

被测光简化为单色光，干涉后信号强度I_out(t)为：

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{I_0}{2}[1+\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_u{\mathrm{\υ}}_0}{c}t\right)]---\left(1\right)$

I₀是被测光干涉条纹信号强度的幅值，υ₀是电机速度，f_u是被测光频率，c是光速。被测光干涉信号的频率ω_u：

ω_u＝2πf_uυ₀/c                                (2)

如附图2。参考光经过处理电路将第一光探测器5接收的参考光信号进行放大、倍频后得到脉冲信号，此脉冲信号是被测光干涉信号模数转换的触发信号，如对参考激光进行干涉信号的采集，得到参考光的干涉信号频率ω_r：

ω_r＝2πf_rυ₀/c                                (3)

上式中：f_r是参考光的频率，ω_r是一个固定值，在光谱测量开始时进行标定可以得到。根据(2)、(3)式，可以得到：

$f_u=\frac{{\mathrm{\ω}}_u}{{\mathrm{\ω}}_r}{f}_r---\left(4\right)$

由(4)式可以看出，被测光的干涉信号的频率精度只取决于参考光精度、与电机速度无关。具有光谱显示和光谱线峰中心频率的计算的功能，测量精度维持在六位精度。

又，光频率f由峰值所对应的点的位置N、采样点数NUM和采样频率f_s决定。

$f=\frac{N}{\mathrm{NUM}}{f}_s---\left(5\right)$

N的含义见附图4，表示峰值所对应的点数横坐标，即在第N个点处出现峰值。

这是因为当采样点数为NUM、采样频率为f_s时，其精度即为光频率就是峰值所对应的点的位置N与精度的乘积。

那么对应于被测光频率，有

$f_u=\frac{N_u}{\mathrm{NUM}}{f}_s---\left(6\right)$

上式中：N_u是被测光的峰值所对应的点的位置；

对于参考光频率，有

$f_r=\frac{N_r}{\mathrm{NUM}}{f}_s---\left(7\right)$

上式中：N_r是参考光的峰值所对应的点的位置；

由(6)、(7)式，

$f_u=\frac{N_u}{N_r}{f}_r---\left(8\right)$

对于(8)式，N_r可通过测量得到，f_r为参考光频率已知，被测光频点位置N_u可从输出到液晶屏LCD的图像中直接读出，代入(8)式，求得被测光频率f_u值。

光谱分析与测量的研究领域以及激光高精密测量或计量领域需要更高精度、更广范围的光谱测量与显示，传统的光栅光谱已经达到极限，本实用新型采用嵌入式计算机，使得测量智能化，精度有很大的提高，用液晶屏同时显示光谱和谱线峰对应的光频率，是一个光的多波长测量系统。

1.本实用新型采用嵌入式计算机，通过外触发控制内部模数转换，使用计算机的快速傅立叶变换实现的光谱的显示、并对谱线峰中心频率计算显示。本实用新型的电路图2由嵌入式单片计算机、锁相倍频电路和液晶显示器组成。参考激光的干涉信号经过放大、采用锁相技术进行倍频，变成频率更高的脉冲信号去触发嵌入式计算机对被测光干涉信号的模数转换，然后进行傅立叶变换得到信号谱图在LCD上显示。再与参考光信号的频谱进行对比，可以计算出每一条被测光谱线的中心频率的准确值，并在LCD上显示。根据参考光干涉信号来触发被测光干涉信号的模数转换，可以完全抵消电机速度不稳定带来信号采集时基误差，使得光谱中心频率计算精确。通过嵌入式计算机完成信号采集、傅立叶变换、图形数字显示，使得光谱仪电子系统体积小、成本低、运行稳定、精度高。

2.为了保证测量精度在10^-6以上，每次傅立叶变换的数据测量均保证采集被测光的模数转换在2²⁰点(即NUM值)以上的一个固定数值。并且在嵌入式计算机内部采用FFT技术快速计算频谱，并显示。

3.通过参考光干涉信号放大锁相倍频后的信号触发嵌入式计算机的模数转换，完全抵消电机速度带来的误差，达到上面所述的采样数据点后，嵌入式计算机计算频谱，并显示。

4.根据标定时测量的参考激光频率值可以完全准确计算出被测光各谱线中心频率值。参考激光是稳频激光、频率值已知，NUM值已知，通过确定显示在LCD上的频谱的频点位置N_u值，用(8)式精确计算得出。

5.本实用新型采用迈克尔逊干涉式，解决分辨率不高的问题，并能将测量范围扩大到红外与可见光范围。另外，参考光信号控制采样频率，是参考光信号与被测光信号同步，可以完全抵消电机速度不稳带来的误差。

附图说明

图1光谱仪的光路原理图；

图2光谱仪的信号采集与处理方框图；

图3光谱仪测量显示实施电路图；

图4峰值所对应的点的位置N的含义示意图；

图中：1、参考激光，2、分光镜，3、第一反射镜，4、第一角锥棱镜，5、第一光电接收器，6、第二反射镜，7、第二角锥棱镜，8、第二光电接收器，9、可移动棱镜载物台，

参考光光路←被测光光路

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

按照迈克尔逊原理，光谱仪光路布局如附图1所示。其中标准参考光源采用稳频激光器，其频率的稳定度决定了光谱仪的光谱测量精度。参考激光和被测光各自形成干涉条纹的光路相同。仅以参考光为例，说明干涉信号的形成过程。参考光源输出光束1°，经分光镜2，在A点分成透射光1’和反射光2’，透射光1’经第一反射镜3，进入可动第一角锥反射镜4，再从第一角锥反射镜4返回到第一反射镜3，经3的反射光1”回到分光镜的B处反射到第一光电接收器5；同时反射光2’经第二反射镜6和第二角锥反射镜7后，再经6的反射光2”也返回到B处，光束1”和2”在B点汇合，发生干涉，由第一光探测器5接收，作为参考信号的干涉信号的采集点。

被测光分光点B处，合光点在A处，干涉信号由第二光探测器8接收。在光谱仪工作时，驱动电机拖动可移动棱镜载物台9沿轴向往返平动，使参考激光和被测光产生光程差，发生干涉现象，第一光电探测器5和第二光电探测器8可接收到干涉信号。

经过处理电路将第一光探测器5的信号放大、倍频得到脉冲信号，此脉冲信号是被测光干涉信号模数转换的触发信号，这样可以抵消在扫描过程中电机速度的不均匀。经过数据采集和傅立叶变换得到被测光的光谱。

标准参考光源采用633nm内腔型He-Ne激光器，利用双纵模热控稳频方法进行稳频，其波长的稳定度为10^-8量级，复现性优于2×10^-7。可移动棱镜是一个角锥棱镜，固定在一个导轨上，角锥棱镜可以往返来回移动，使得第一光电探测器5和第二光电探测器8上产生干涉条纹信号分别是参考激光(Ref_Laser)和被测光(Unkn_Light)。在导轨的两端安装光电开关，检测棱镜的换向动作，同时由嵌入式计算机监控。

电路如附图3所示，U1是DSP(TMS320F2812)数字信号处理机，U2是LCD显示驱动芯片，LCD是一个RS485接口的10寸彩色显示液晶屏，分辨率800*640；U3是锁相倍频芯片，通过U4的16分频使得从U3的9脚输出的方波信号频率是参考激光干涉信号(Ref_Laser)的16倍。这个方波信号频率决定了被测光的采样频率。

光谱测量过程如下：

选通器S1选择被测光。当DSP的149脚(外部中断1信号)得到棱镜的换向动作信号后，开始启动外部中断2(U1的151脚)去触发ADC0(被测光干涉信号)的模数转换。为了保证精度，采样点数NUM必须大于等于2²⁰。AD转换数据个数达到2²⁰停止AD转换，进行FFT运算，得到的频谱就是光谱，该光谱通过RS485输出给LCD显示，从显示的光谱中读取峰值所对应的频点位置。

光谱线中心波长的确定过程如下：

首先，进行标定：S1选择已知频率的参考光。重复“光谱测量过程”的DSP程序过程，从显示的光谱中读取参考光FFT最大值所对应的频点位置，记为N_r；

然后，S1选择被测光。重复“光谱测量过程”的DSP程序过程，从显示的光谱中读取被测光FFT最大值所对应的频点位置，记为N_u；通过式(8)式计算出光谱线所对应的频率(波长)，并在LCD上显示。

实际测量效果：整机调试好，采用532nm绿光作为被测的稳频激光分别进行实际测试，参考光为633nm稳频激光，稳定度10^-8，真空中波长前7位632.9914nm。一次采集1048576个被测光干涉的模拟信号，光谱能清晰显示在LCD上，且单纵模532nm绿光谱线定位精度为作为532.2452nm，精度10^-6。测量速率每2秒1次，能同时显示谱线图和谱线中线波长值。

Claims (1)

1.一种扫描式高精度傅立叶变换光谱仪，其特征在于，该方法通过扫描仪来实现，所述扫描仪包括迈克尔逊干涉光路部分和电路部分，所述电路部分包括第一放大器、第二放大器、比较器、倍频器、处理器和与处理器相连接的显示装置，其中：第一放大器、比较器、倍频器、处理器依次连接，第二放大器的输出端通过转向开关与处理器直接相连，第一放大器的输出端也通过该转向开关与处理器直接相连。

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