DE4136536C2 - Fourierspektrometeranordnung und Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fourierspektrometeranordnung, welche das optische Spektrum einer Strahlung durch die Fouriertransformation eines gemessenen optischen Interferogramms ermittelt. Hierbei wird der zu analysie­ rende Lichtstrom in zwei Teilstrahlen zerlegt, welche ge­ trennt unterschiedlich lange optische Wege durchlaufen und dann zur Interferenz gebracht werden.

Spektrometer, die das Spektrum durch diskrete Fouriertransformation eines gemessenen optischen Interferogramms ermitteln, sind bekannt. Derartiger Spek­ trometer arbeiten nach dem Prinzip, daß der zu analysie­ rende Lichtstrom in zwei Teile zerlegt wird, die getrennt einen unterschiedlich langen optischen Weg zurücklegen und dann zur Interfe­ renz vereinigt werden. Variiert man die Differenz der optischen Weglänge beider Teilstrahlen, so verändert sich damit die Intensität des interferierenden Licht­ stromes in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des untersuchten Lichtstromes.

Um aus diesen Intensitätsschwankungen das optische Spektrum zu gewinnen, ist es notwendig, die Intensität der interferierenden Teilstrahlen bei genau defi­ niertem optischen Gangunterschied beider Teilstrahlen zu messen.

Im Zusammenhang mit der Erfindung werden im folgenden, ausschließlich Michelson-Interferometer in ihren verschiedensten Bauformen betrachtet, wie sie in den Veröffentlichungen "Aufbau des Optikblockes des Infrarot-Fourier-Spek­ trometers FS 1/4", DE-Zeitschriften Feingerätetechnik, 1984, S. 341-344 und "Ein neues Interferometer für die Fourier-Spektroskopie", DE-Zeitschrift Optik, 1984, S. 217-223 und "Double pendulum Michelson interferometer with exten­ ded spectral resolution", US-Zeitschrift Applied Optics, 1989, S. 29-30, be­ schrieben wurden.

Verbreitet ist eine Methode unter Nutzung des optischen Gangunterschiedes, welche darin besteht, einen monochromatischen Differenzstrahl durch den opti­ schen Trakt des Spektrometers bzw. Interferometers zu führen. Man benutzt die sehr scharfen Interferenzlinien dieses monochromatischen Differenzstrahles als Wegskala, um das optische Interferogramm an bezüglich des optischen Gang­ unterschiedes äquidistanten Stellen zu messen. Diese Äquidistanz ist Voraus­ setzung dafür, aus dem so abgetasteten optischen Interferogramm mit numeri­ schen Verfahren das Spektrum errechnen zu können. Der Fehler im Gangunter­ schied an den Abtastpunkten darf nur in der Größenordnung von ca. einem Zwanzigstel der kürzesten nachzuweisenden Wellenlänge im Spektrum liegen.

Die derartige optische Wegmessung geschieht praktisch in Schritten von λRef/2, da die hell/dunkel Übergänge des Referenzsignals bei der Veränderung des Gangunterschiedes ausgewertet werden.

Aus der US 4413908 ist bekannt, das Referenzsignal zu quadrieren, um damit die Schrittweite zu halbieren. Dies ist jedoch mit einer Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses des Referenzsignals verbunden. Aufgrund der hohen Anforderung an die Präzision der Wegmessung konnten nach den Lösungen des Standes der Technik nur bestimmte Phasenanlagen des Referenzsignals, eben die Nulldurchgänge (0°, 180°, 360°. . .) oder die Nulldurch­ gänge des quadrierten Signals zum Triggern der Interfero­ grammauslesung verwendet werden. Die kürzeste Weglänge, die aus dem Interferogramm im Spektrum bestimmt werden kann, ist daher begrenzt.

Bei allen bekannten Verfahren, welche mit einer monochromatischen Referenzquelle arbeiten, bzw. bei Ver­ fahren, die die Änderung des optischen Gangunterschiedes in räumliche oder zeitlich periodische Referenzsignale umsetzen, z. B. durch die Anwendung des Moir´-Effektes, ist die äquidistante Abtastung des Interferogramms starr mit der Periodizität des benutzten Referenzsignals ver­ bunden.

Da die Frequenz der Abtastung des Interferogramms durch die jeweilige Meßaufgabe, die mit dem Spektrometer gelöst werden soll, vorgegeben ist, resultiert das Problem, daß ein Referenzsignal mit entsprechend kleiner Periodizität bereitzustellen ist. Dies kann z. B. bedeuten, eine monochromatische Lichtquelle mit einer schwer zu reali­ sierenden Wellenlänge verwenden oder breitbandige Licht­ quellen mit Monochromatoren einsetzen zu müssen. Eine derartige Anordnung verschlechtert das Signal-Rauschver­ hältnis in dem Referenzsignal und vergrößert den appara­ tiven Aufwand bei der Realisierung des Spektrometers er­ heblich.

Es ist also festzuhalten, daß aus der starren Kopplung von bestimmten Phasenlagen des Referenzsignals mit den Auslesepunkten des Interferogramms sich ergeben kann, daß eine passende Referenzquelle mit der nötigen Wellenlänge nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand zur Verfü­ gung gestellt werden kann. Z.B. kann die nötige Periodizitätslänge des Referenzsignals so klein sein, daß allgemein verfügbare monochromatische Quellen, nicht ge­ eignet sind.

Der Nachteil bekannter Spektrometer besteht demgemäß darin, daß eine starre Verbindung bzw. Phasenbeziehung zwischen der Periodizitätslänge des Refe­ renzsignals und der periodischen Abtastung des optischen Interferogramms zwingend ist.

In schnell abtastenden Spektrometern wird durch die gleichförmige Veränderung des Gangunterschiedes das im Gangunterschied periodische Referenzsignal in ein zeitlich periodisches Signal transformiert, dessen Frequenz proportional der Orts­ frequenz des Referenzsignals und der Änderungsgeschwindigkeit des Gangun­ terschiedes ist. So gilt beispielsweise für ein Michelson-Interferometer mit einem beweglichen Spiegel folgende Beziehung:
f = 2·v·k
mit f = Referenzfrequenz
v = Spiegelgeschwindigkeit und
k = Wellenzahl der Referenzquelle.

Es ist also grundsätzlich festzuhalten, daß eine feinere Abtastung des Interfero­ gramms bei den herkömmlichen Verfahren nur mit einer Steigerung der Referenz­ signalfrequenz möglich ist. Damit erhöhen sich die bereits sehr hohen Anforde­ rungen an den elektronischen Referenzkanal weiter, insbesondere hinsichtlich der Brand breite und der Linearität des Phasenganges des Detektors und des Ver­ stärkers.

Gemäß der US 4413908 wird in schnellabtastenden Spektrometern der direkt proportionale Zusammenhang von Frequenz des Frequenzsignals und Geschwin­ digkeit der Gangunterschiedsänderung benutzt, um zum einen eine Geschwindig­ keitsregelung im Sinne einer Konstanthaltung durchzuführen. Diese Konstanz in vorgegebenen Grenzen ist eine notwendige Bedingung für die Möglichkeit, aus dem abgetasteten Interferogramm das fehlerfreie Spektrum gewinnen zu kön­ nen.

Zum anderen ist es zum Beispiel gemäß der US 4575246 üblich, diese Regelung mit einem PLL als Phasendetektor und anschließender Regelung des detektieren­ den Phasenfehlers in bezug auf eine feste, üblicherweise quarzstabilisierte Fre­ quenz zu realisieren. Ein derartiges Verfahren ist auch aus der Veröffentlichung "Nimbus 4 Michelson Interferometer", US-Zeitschrift APPLIED OPTICS, Juni 1971, Seiten 1376-1382, bekannt.

Hier besteht der Nachteil darin, daß nicht nur eine mit dem Gangunterschied verbundene äquidistante Abtastung des Interferogramms erfolgen muß, sondern außerdem eine Synchronisation mit einem fremden Takt notwendig ist. Dies verändert das Regelproblem im Sinne zunehmender Kompliziertheit, da es nun­ mehr nicht mehr um eine einfache Geschwindigkeitsregelung geht, sondern eine Ortregelung (Phasendifferenz zwischen Referenzsignal und Festtakt) durchge­ führt werden muß.

Es ist außerdem bekannt, aus vergangenen Ereignissen auf künftige Ereignisse eines im wesentlichen oder durchschnittlich kontinuierlich verlaufenden Prozes­ ses zu schließen, indem man geeignete Rechenverfahren oder mathematische Abstraktionsmodelle einsetzt, um die künftigen Ereignisse durch Extrapolation vorherzusagen. Derartige Modelle werden auch Extrapolationsfilter genannt. Ein solches ist der Kalman-Filter, der gemäß der nach dem Prioritätstag veröffent­ lichten US 5 218 553 A bereits eingesetzt wurde, um Konzentrationen bekann­ ter Elemente in unbekannten chemischen Proben zu bestimmen.

Eine Anwendung dieses Filters bei Interferometern ist nicht offenbart.

Aus dem Artikel "Optimale Regelung zeitkontinuierlicher stochastischer Objekte bei zeitdiskreter Beobachtung", DE-Zeitschrift "elektronische Informationsver­ arbeitung und Kybernetik", 1979, S. 455-474, insbesondere S. 460, 471, ist auch bekannt, derartige Kalman-Filter oder Kalman-Bucy-Filter für ähnliche Rege­ lungsaufgaben einzusetzen. Außerdem ist dort dargestellt, wie derartige Filter als Hardware ausgebildet werden können. Aus der Praxis ist darüber hinaus auch noch der Wiener-Filter für derartige Problemstellungen bekannt.

Die Anwendung dieser Filter als Software für spezielle Rechner oder als Hard­ ware im Zusammenhang mit Interferometern ist weder dort offenbart noch sonst bekannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Fourier­ spektrometeranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers anzugeben, welches innerhalb einer vollen Periode des Referenzsignals das Inter­ ferogramm an beliebigen Stellen und öfter als nach herkömmlichen Verfahren vorgesehen, auslesen kann und eine optimale Geschwindigkeitsregelung der Änderung des Gangunterschiedes gestattet.

Weiterhin soll keine vorgegebene Einschränkung des Verhältnisses zwischen Periodenlänge der Abtastung und Referenzsignal vorgegeben sein. Die Erfindung soll es also ermöglichen, die Referenzfrequenz im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zu senken und gleichzeitig die Abtastfrequenz des Interferogramms beizubehalten oder zu erhöhen.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Entkoppelung der Auslesung des Interferogramms von bestimmten Phasenlagen des Referenzsignals durch Verzicht auf die anson­ sten erforderliche Synchronisation mit einem externen (Quarz-) Festtakt. Die Erfindung ist weiterhin gekennzeichnet durch Anwendung der Methoden der adaptiven Zustandsschätzung und einer darauf basierenden Regelung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Einsatz eines Extrapolationsfilters gelöst, wobei die üblichen Refe­ renzsignale auf den Eingang des Extrapolationsfilters gelangen. Entsprechend der Ausgestaltung der Erfindung kann das Extrapolationsfilter einen weiteren Eingang auf­ weisen, beispielsweise einen Eingang, welcher mit dem An­ steuersignal des Antriebes, der die Änderung des Gang­ unterschiedes bewirkt, verbunden ist.

Die einlaufenden Signale werden mit bekannten schätztheoretischen Methoden innerhalb des Extrapolati­ onsfilters verarbeitet, d. h. es werden aus diesen Signa­ len Extrapolationswerte des zukünftigen Verlaufes des Referenzsignales gebildet. Diese Werte können nunmehr für Zeitpunkte berechnet werden, die dichter liegen, als z. B. die Nulldurchgänge des Referenzsignals und können zu die­ sem eine beliebige Phasenlage haben.

Die Untersetzung der Referenzfrequenz im Extrapolations­ filter hängt lediglich von der Genauigkeit der Detektion des Referenzsignals und von der Übereinstimmung zwischen dem dem Extrapolationsfilter zugrundeliegenden wählbaren Modell und dem tatsächlichen System ab. Überraschender­ weise hat sich herausgestellt, daß die Bestimmung der Abtastzeitpunkte aus dem Referenzsignal unabhängig von ihrer Phasenlage und bei Bedarf wesentlich feiner unter Verwendung des Extrapolationsfilters möglich ist. Nach­ folgend sollen nunmehr die Eigenschaften des Extrapolationsfilters näher beschrieben werden.

Das Extrapolationsfilter hat mindestens einen Eingang und einen Ausgang und wirkt so, daß mindestens aus den ein­ laufenden Referenzsignalen und möglicherweise anderen Si­ gnalen im Filter ein Wert des momentanen Gangunterschie­ des gebildet wird. Denkbar ist ebenfalls die Bildung von Werten, die zeitlichen Ableitungen des Gangunterschiedes beliebiger Ordnung, wie der Geschwindigkeit, der Beschleunigung usw. entspre­ chen. Ausgehend von dieser Filterung, d. h. Schätzung, kann auch zeitlich vor dem Eintreffen des nächsten Meßsignals, z. B. des nächsten Nulldurchganges, eine Extrapolation auf den zeitlichen Verlauf des Gangunterschiedes bis zum Eintreffen dieses Signals durchgeführt werden. Dies gestattet, im Prinzip beliebig fein den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem eine ge­ wünschte Phasenlage des Referenzsignals und damit eine bestimmte Änderung des Gangunterschiedes vorliegen wird.

Das erhaltene Signal kann dann zum Tiggern der Interferogrammauslegung in gleicher Weise benutzt werden, wie es allgemein bekannt ist. Überraschender­ weise wurde festgestellt, daß im Gegensatz zu bekannten Lösungen, auf die üblicherweise mit einem PLL verwirklichte Synchronisation eines hochpräzisen Festtaktes mit der Frequenz des Referenzsignals verzichtet werden kann, da das Meßprinzip eines Fourierspektrometers lediglich eine konstante (Spiegel-) Ge­ schwindigkeit voraussetzt. Die sich ergebene Drift der Phasenlage des Referenz­ signals, bezogen auf einen gedachten Festtakt, führt dann nur zu einer nieder­ frequentierten unwesentlichen Beeinflussung der abgetasteten Interferogramms außerhalb des Meßbereiches.

Die Erfindung soll anhand des nachstehenden Ausführungsbeispieles näher be­ schrieben werden. Die Fig. 2 beschreibt dabei eine mögliche Variante für das zu realisierende Extrapolationsfilter. Die Fig. 1 zeigt die prinzipielle Funktions­ weise eines Interferometers, von der auch in der vorliegenden Erfindung Ge­ brauch gemacht wird. Aus dieser Fig. 1 werden keine Rechte für die vorliegen­ de Erfindung abgeleitet.

Die Fig. 1 zeigt eine Fourier-Spektrometer-Anordnung mit einer Meßlichtquelle 11 und einer Referenzlichtquelle 7, deren Strahlen an einem Strahlteiler 2 geteilt werden.

Nach ihrer Reflektion an den Interferometerendspiegeln 3 und 4 werden die Teilwellen wieder zusammengeführt, um ein vom Gangunterschied x der beiden Teilwellen abhängiges Signal, das Interferogramm I (x), zu erzeugen. Der optische Gangunterschied x ist dabei gleich der doppelten Differenz der Abstände des festen Spiegels 3 und des beweglichen Spiegels 4 vom Teiler 2. Bei der Messung wird x durch Bewegung des Spiegels 4 variiert.

Die Grenzen des Meßbereiches werden durch die wellenzahlabhängige Trans­ mission des Filters der Meßlichtquelle 11 bestimmt. Den Zusammenhang zwi­ schen dem gemessenen Interferogramm I (x) und dem gesuchten Spektrum liefert die Fouriertransformation durch numerische Berechnung des Fourierinte­ grals in den Grenzen des Gangunterschiedes zwischen x min und x max. Dabei hängt die spektrale Auflösung vom maximalen Gangunterschied im Interfero­ gramm ab. Zur Berechnung der Strahldichten aus den Interferogrammen sind außer den Intensitätswerten noch die genauen Gangunterschiede x zu ermitteln. Diese Aufgabe hat der zentral geführte Referenzstrahlengang im Interferometer. Hier wird die quasi-monochromatische Strahlung der Neon-Miniaturlampe 7 mit Wellenfilter 8 analog zur Meßstrahlung interferenzmoduliert und via Umlenk­ spiegel am Bolometer 8 im Photodetektor 9 empfangen, verstärkt und ein cosi­ nusförmiges Referenzsignal erzeugte, dessen Nulldurchgänge als exakte Weg­ marken dienen (linkes Interferogramm).

Dieses Referenzsignal wird zugleich an eine Regeleinrichtung weitergeleitet. Die Teilstrahlen der Meßlichtquelle 11 werden nach Passieren des Teilers 2 über einen Kollimotorspiegel 5 im Bolometer 6 konzentriert und an den Meßsignal­ empfänger und Verstärker 10 geleitet, zur Erzeugung des Interferogramms (rech­ tes Interferogramm). Der Empfänger 10 wird mit einem Ausgangssignal S_A der Regeleinrichtung beaufsichtigt, die auch in Wirkkontakt mit anderen Störeinhei­ ten, z. B. dem hier dargestellten Motor des Spiegels 4, steht. Das durch Fourier­ transformation gewonnene Ergebnis wird zur Darstellung des Spektrums des Meßlichtes benutzt.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Regeleinrichtung, die ein Ausgangssignal S_A erzeugt, wobei die mit a 1 bis a 5 bezeichneten Konstanten als Verstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden ausgebildet sind. Der Verstärkungs­ grad berücksichtigt die Wichtung des jeweils zu verstärkenden Signals innerhalb des Filters, der nachfolgend beschrieben wird. Die mit K 1 und K 2 bezeichneten Teile, in der folgenden Beschreibung auch Kalman-Faktoren genannt, können, als Hardware ausgelegt, als stellbare oder an ein System angepaßte Verstärker ausgebildet sein. Diese berücksichtigen dann Umgebungseinflüsse, wie z. B. die Art des Motors (Linearmotor, Schwenkmotor) und andere Störgrößen, wie z. B. Fertigungstoleranzen.

Zunächst wird dem Detektor D des Referenzsignals S_R eine elektronische Bau­ gruppe 12 nachgeschaltet, welche mit einem Komparator jeden zweiten Null­ durchgang detektiert und eine digitale Zähschaltung auslöst, die die Zeit zwi­ schen den Auslösungen ermittelt. Dieser Zeitwert wird dann in einen Geschwin­ digkeitswert umgewandelt. Der Geschwindigkeitswert kann dann in einem Re­ gister eines ver­ wendeten nicht dargestellten Mikroprozessors abgelegt werden. Dieser im Prozessor abgelegte Geschwindigkeits­ wert bildet dann zusammen mit dem im Regeltakt ausgegebe­ nen Antriebsstrom für den beweglichen Interferometerspie­ gel, das Eingangssignal für das Extrapolationsfilter.

Im vorliegenden Fall ist das Extrapolationsfilter als Kalmanfilter aufgebaut. Es vereint in sich mehrere Funk­ tionen. Zunächst wird aus dem einlaufenden Eingangssignal eine Zustandsschätzung für die Zustandsgröße Geschwindig­ keit und Beschleunigung der Gangunterschiedsänderung durchgeführt. Ausgehend von diesen Werten wird die wei­ tere Bewegung im Regeltakt extrapoliert. Diese Extrapola­ tionen dienen sowohl zum Berechnen des neuen Antriebstro­ mes als auch zum Berechnen der Geschwindigkeit, die sich aus der Zeit ergibt, in der ein bestimmter Gangunter­ schied erzeugt wurde. Das beispielsweise für ein Drehre­ flektor-Interferometer aufgestellte Modell führt zu fol­ genden Schätzgleichungen:

Z₁⁺ = Z₁⁻ + K₁ (y^m - Z₁⁻) (1)
Z₂⁺ = Z₂⁻ + K₂ (y^m - Z₁⁻) (2)

mit

Z₁ ⁺/⁻ = Geschwindigkeit
Z₂ ⁺/⁻ = Beschleunigung

und K₁, K₂ Kalmanfaktoren, die die Aufgabe haben, den Meßwert y^m und den vorausgesagten extrapolierten Meßwert Z_1,2⁻ von der Genauigkeit her zu wichten.

Der Gleichlauf des Interferometerantriebes wird vorteil­ hafterweise unter Verwendung der geschätzten Zustands­ größe Z₁⁺ und Z₂⁺ mit einer Optimalsteuerung, d. h. opti­ mal im Sinne der kürzesten benötigten Zeit zum Erreichen des gewünschten Sollzustandes durch die Ausgabe folgender Regelaktivitäten verwirklicht:

U = C₃(Z₁^Soll - Z₁⁺ · C₁ + C₂Z₂⁺) (3)

mit
U = Motorstrom
C_i = Konstanten.

Nach Ausgabe der Regelaktivität erfolgt die Extrapolation bis zum nächsten Zeitpunkt der Meßwertabfrage (Regeltaktbildung) mittels der Schätzgleichungen

Z₁⁻ = Z₁⁺ · a₁ + Z₂⁺ · a₂ + U · a₃ (4)
Z₂⁻ = Z₁⁺ · a₅ + Z₂⁺ · a₄ (5)

wobei a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ Konstanten sind, welche die Dauer eines Regeltaktes darstellen. Beispielsweise be­ trägt der Regeltakt 1/2,5 kHz, d. h. 400 µsec. Will man in diesem Falle ortsäquidistant das Interferogramm auslesen, so läßt sich der Zeitpunkt der Abtastung mit Hilfe der Extrapolationswerte wie nachstehend bestimmen:

Δt = ΔOPD/Z₁⁻ = (6)
λ/n · 1/(Z₁⁺ · a₁ + Z₂⁺ · a₂ + U · a₃)

mit OPD = optical path difference - Gangunterschied.

Die Zahl n bestimmt hierbei die Häufigkeit der Auslesung des Interferogramms innerhalb einer Referenzwellenlänge. Da für die Berechnung der Gleichungen eine endliche Zeit Δt_R notwendig ist, die kleiner sein muß als die Zeit zwischen zwei vorgesehenen Auslesungen des Interferogramms, d. h., Δt_R < Δt/n wird die entsprechende Hardware demnach angepaßt. In ei­ ner vorliegenden Realisierungsvarianten ist Δt_R < Δt/4.

Das bedeutet, es ist eine Auslesung nach einer Phasendif­ ferenz von λ/4 möglich.

Es kann also mittels der Erfindung auf die Synchronisation von Referenz- und Festtakt und die dadurch gegebenen Beschränkungen im Auslesetakt verzichtet werden. Durch die erheblich feinere Abstastung des Interferogramms ist ein Einsatz des Interferometers über einen breiteren zu analysierenden Spektralbe­ reich mäglich. Die Periodenlänge der Abtastung sowie des Referenzsignals muß in keinem rationalen Zahlenverhältnis zueinander stehen. D.h., es kann bei Sen­ kung der Referenzfrequenz gleichzeitig die Abtastfrequenz des Interferogramms beibehalten werden oder ein Erhöhung selbiger erfolgen.

Da das aus dem Schätzfilter sich ergebende Triggersignal S_A letztendlich Informatonen über den Ort und die Geschwindigkeit des Interferometerantriebes zu einem in der Zukunft liegenden Zeitpunkt beinhaltet, kann dieses Signal in einer nachfolgenden Baugruppe bzw. einem nachgeordneten Regelalgorithmus zur Steuerung des Gleichlaufes des Antriebes selbst verwendet werden. Die Ge­ schwindigkeitssteuerung muß dabei nicht kontinuierlich erfolgen, sondern es ist jede beliebige Geschwindigkeit vorgebbar bzw. einstellbar. Zweckmäßigerweise wird das Schätzverfahren mittels eines Mikroprozessors realisiert. Es ist aber auch möglich, den Schätzalgorithmus in Form diskreter Hardware als analoge Regelung zu realisieren.

Das verwendete Extrapolations- bzw. Kalmanfilter arbeitet mit einem festen vorgegebenen Zeittakt und ermöglicht die Berechnung des wahrscheinlichsten Systemzustandes zu festgelegten Zeitpunkten innerhalb dieses Taktes. Durch die verwendete adaptive Zustandsschätzung zur Bestimmung bzw. Zuordnung der Abtastzeitpunkte zum Ort gibt es keine starre Ankoppelung des Regeltaktes an die Zeitpunkte der Nulldurchgänge des Referenzsignals. Es kann z. B. der zeitli­ che Abstand der Nulldurchgänge bei konstanter Änderungsgeschwindigkeit der optischen Weglänge ein Mehrfaches selbst betragen, in welchem abgetastet wird.

Die Art und Weise der Bereitstellung bzw. der Erzeugung des optischen Gangunterschiedes hat lediglich Einfluß auf die Bildung des Modells für den Entwurf des Kalman bzw. des Extrapolationsfilters. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch nicht auf die Anwendung innerhalb eines Drehre­ flektor-Interferometers beschränkt, sondern kann für alle denkbaren Arten von Fourierspektrometern, wie z. B. Mi­ chelson-, oder Pendelinterferometer verwendet werden.

Claims (10)

1. Fourier-Spektrometeranordnung zur Bestimmung des optischen Spektrums einer zu messenden Strahlung durch Fourier-Transformation eines gemessenen optischen Interferogramms mit einem aus der zu analysierenden optischen Meßstrahlung und einer Referenzstrahlung je ein Interferogramm erzeugende Interferometer mit mindestens einem Spiegel (4), angetrieben von einem Motor, einem Detektor zur Wandlung des Referenzsignals der interferierten Referenzstrahlung in ein cosinusförmiges Detektorsignal, einer Regeleinrichtung mit einer elektronischen Baugruppe (12) zur aufeinander­ folgenden Bestimmung von Null-Durchgängen des Detektorsignales und zur Wandlung des Detektorsignals in eine der momentanen Geschwindigkeit des Spiegels (4) proportionales Frequenzsignal (Y), einer Extrapolationsschaltung zur Ermittlung der voraussichtlichen Geschwindigkeit des Spiegels (4) zu einem vorbestimmbaren Zeitpunkt und zur Bildung eines der extrapo­ lierten Geschwindigkeit proportionalen Frequenzsignales (Z₁⁻), einer zweiten elektronischen Baugruppe (12) zur Bildung eines Triggersignales (S_A) zum Auslesen des Interferogramms der Meßstrahlung.

2. Fourier-Spektrometeranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Aufschaltung von systembedingten Störgrößen zur Regeleinrichtung.

3. Fourier-Spektrometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störgröße ein einem momentanen Motorstrom proportionales Signal ist.

4. Verfahren zum Betreiben eines Fourier-Spektrometers, insbesondere eines schnellabtastenden Fourier-Spektrometers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine zu analysierende optische Meßstrahlung ein Inter­ ferogramm erzeugt wird, das relativ zur Periodizität eines aus einer Referenzstrahlung gemessenen Interferogrammes ausgemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Interferogramm der Meßstrahlung erzeugendes Meßsignal innerhalb einer vollen Periode eines Referenzsignales der Referenzstrahlung zu beliebigen Phasenlagen ausgelesen wird.

5. Verfahren zum Betreiben eines Interferometers nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß das detektierte optische Referenzsignal mittels schätztheoretischen Methoden innerhalb eines Extrapolati­ onsfilters derart verarbeitet wird, daß aus dem Eingangs­ signal Extrapolationswerte des zukünftigen Verlaufes des Referenzsignals gebildet werden, wobei exakt vorherbe­ stimmte Zeitpunkte berechnet werden können, welche zur Interferogrammauslesung verwendet werden und diese dich­ ter liegen als die Nulldurchgänge des Referenzsignals und zu diesen eine beliebige Phasenlage haben.

6. Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Extrapolationsfilter ein Kalman-Filter verwendet wird.

7. Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers den Ansprüchen 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß mittels des Extrapolationsfilters und weiteren Signa­ len ein Wert des momentanen Gangunterschiedes gebildet wird und diese Werte zur Antriebsregelung verwendet wer­ den.

8. Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Ausgangssignal des Extrapolationsfilters, welches den zeitlichen Verlauf des Gangunterschiedes darstellt, dem Triggern der Interferogrammauslesung dient.

9. Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Kalman-Filter folgende Schätzgleichungen repräsentiert Z₁⁺ = Z₁⁻ + K₁ (y^m - Z₁⁻) (1)
Z₂⁺ = Z₂⁻ + K₂ (y^m - Z₁⁻) (2)mit
Z₁ ⁺/⁻ = Geschwindigkeit
Z₂ ⁺/⁻ = Beschleunigung
K₁, K₂ Kalmanfaktoren, die die Aufgabe haben, den Meßwert y^m und den vorausgesagten extrapolierten Meßwert Z_1,2⁻ von der Genauigkeit her zu wichten.

10. Verfahren zum Betreiben eines Fourierspektrometers nach Anspruch 4, 5, 9, gekennzeichnet dadurch, daß eine Steuerung des Gleichlaufes des Interferometerantriebes durch die Ausgabe der Regelakti­ vität U = C₃(Z₁^Soll - Z₁⁺ · C₁ + C₂Z₂⁺) (3)mit
U = Motorstrom
C_i = Konstantenerfolgt und nach Ausgabe der jeweiligen Regelaktivität eine Extrapolation bis zum nächsten Zeitpunkt der Meß­ wertabfrage mittels der SchätzgleichungenZ₁⁻ = Z₁⁺ · a₁ + Z₂⁺ · a₂ + U · a₃ (4)
Z₂⁻ = Z₁⁺ · a₅ + Z₂⁺ · a₄ (5)wobei a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ Konstanten sind, welche die Dauer eines Regeltaktes darstellen, erfolgt.