傅里叶变换红外光谱仪干涉仪系统的设计

设计了一种基于立体角镜与固定平面镜组合的干涉仪系统,以解决传统傅里叶变换红外光谱仪中干涉仪系统由于动镜的倾斜与横移影响光谱质量的问题。系统包含一对立体角镜,两面相互垂直的固定平面镜,以及分束器。通过对立体角镜的倾斜与横移、立体角镜垂直度误差以及两固定平面镜的倾斜与垂直度误差对干涉信号初相位与调制度的影响进行分析,表明立体角镜的倾斜与横移、固定平面镜的垂直度误差等因素不会影响干涉信号的初相位与调制度;通过对干涉仪进行实际测试表明,仪器具有结构简单紧凑、密封性好、分辨率高以及抗震性强等优点。     

空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求,提出并研究了一种以MOEMS多级微反射镜为核心器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。在理论研究方面,建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型,探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理;分析了多级微反射镜的衍射效应,提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法;进行了多级微反射镜采样误差的分析,并提出了基于最小二乘拟合的修正算法;通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析,确定了光学系统的总体设计指标;通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析,确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面,提出了两个多级微反射镜的3种制作方法,分析了制作误差的来源及对系统性能的影响。通过工艺设计及实验条件探索,分别采用电铸法、真空镀膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面,进行了红外准直与缩束系统的光学设计,对整体光机系统进行了建模仿真,分析了杂散光噪声的来源。在图谱处理方面,利用过零采样方式,通过图像分割算法,获取了干涉图采样序列;通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法,完成了光谱相位误差的校正;通过离散傅里叶变换解调,实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术,并对原理样机进行了实验测试。本文研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于:取消了动镜驱动机构与采样控制机构,具有微小型与轻量化的特点;干涉图的采样由多级微反射镜完成,其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性,实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性;多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作,增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权,并具有广阔的应用前景。     

傅里叶变换红外光谱仪探测器仪器响应函数研究

由于傅里叶变换红外光谱仪探测器在各个波段的仪器响应不相同,在应用过程中无论是利用光谱的绝对强度还是相对强度,都需要应用标准黑体对仪器进行定标,找出仪器响应函数。该文对加拿大BOMAN公司MR154型傅里叶变换红外光谱议配带的两个红外探测器(锑化铟InSb、碲镉汞MCT)的仪器响应函数进行了研究,并找出了它们随黑体温度(辐射亮度)的变化规律。该规律对傅里叶变换红外光谱仪的定标和保证所测辐射谱的正确性有重要意义。     

傅里叶变换红外光谱仪光阑孔径及扫描速率设置探讨

傅里叶变换红外光谱仪辐射通量大,特别适用于测量弱信号光谱,从而具有很高的灵敏度.因此也对处理系统有着苛刻的要求,在实际测试中,博里叶光谱仪光阑孔径及扫描速率设置是相关联的,直接影响到采集及数据处理的精度.通过试验,研究探讨了傅里叶光谱仪光阑孔径及扫描速率设置极限及平衡点,兼顾快与准.     

基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统

为了改进傅里叶变换红外光谱仪的动镜驱动装置,设计了一种基于柔性铰链支撑的动镜扫描系统。采用柔性铰链的支撑方式和音圈电机的驱动方式,利用具有高精度高稳定性的直角型柔性铰链支撑机构支撑动镜,利用音圈电机驱动动镜前后往复运动,采用DSP控制系统对动镜的匀速进行控制。实验结果表明所设计的动镜扫描系统具有方向稳定性、速度稳定性、抗震性能优越等优点。     

面向生物过程的在线式傅里叶变换红外光谱仪

针对生物过程反应底物含量的实时测量,设计了一种在线式傅里叶变换红外光谱仪及衰减全反射(attenuated total reflectance,ATR)探头。(1) 光谱仪采用双立体角镜和平面镜相组合的方法,设计了一种高性能干涉仪系统;采用了光路折叠方式,使干涉仪结构紧凑;采用了双立体角镜,大大减少了动镜运动过程中存在的旋转、倾斜等因素影响;采用平行四边形摆动柔性支撑装置来支撑动镜,使动镜移动时无摩擦,无抖动,运行平稳;采用ZnSe分束器,使仪器抗潮湿性能大大增强;采用分束器60°光入射方式,提高了光通量。(2) 该工作设计的一种结构简单、光通量大、经济实用的ATR原位测量探头,入射光和出射光的传输均利用了大口径内镀中红外高反膜光导管作为ATR探头的红外光传输介质,从而大大降低红外光在光导管内壁多次反射后的能量损失,使得ATR探头具有高光通量,提高了信号强度,使信号的检出更加容易。最后采用灵敏度高的MCT(碲镉汞)检测器实现红外干涉信号的收集,使得检测效果更好。实验结果表明,系统具有防潮性能出色,光通量大,在线测量等优点。所设计在线式傅里叶红外光谱仪,能够较好的完成生物反应器内甘油等常见反应物底物的实时测量,在生物在线分析、化学物质检测、材料分析学等诸多领域具有较好的应用前景。     

摆镜扫描傅里叶变换光谱仪光程差计算

摆镜扫描傅里叶变换光谱仪利用摆动扫描方式产生光程差,减小了因动镜倾斜带来的误差影响。从摆扫干涉光谱技术原理出发,对摆镜扫描傅里叶变换光谱仪的光程差进行理论分析,给出了光程差计算表达式,实验结果表明:该光谱仪光程差近似正比于摆动角度。分析了轴外光线因不同入射角所产生的附加光程差,为傅里叶变换光谱仪的指标确定和优化设计提供了理论依据。     

傅里叶红外光谱仪分束器自动装调系统设计

为了提高傅里叶红外光谱仪干涉系统的精度,设计了一种基于一体化分束器的自动装调系统。使用光学胶水将棱镜与分束器固定在一起组成一体化分束器,在一体化分束器上设置三点调整机构,O点位置进行固定作为参考点,在X点、Y点位置装入压电陶瓷,利用压电陶瓷驱动分束器进行微小位移的调整。在动镜匀速运动的情况下,利用四象限检测器检测三路携带相位差信息的信号,对信号进行放大滤波和数字化处理后,采用DSP的ECAP模块捕捉三路相位差信号,并利用增量式PID算法根据相位差来对三个点位的调整幅度进行实时控制,使用DSP的AD模块采集三路信号,并利用USB2.0与上位机进行通信,在上位机上实时显示三路信号图形及相位差信息。利用光学胶水的紫外固化特性,在支架上安装紫外照射灯,调整过程中不断增加照射强度使光学胶水进行深度固化,从而制作出符合傅里叶变换红外光谱仪应用需求的一体化分束器。实验结果表明,所设计的基于一体化分束器的自动装调系统具有结构简单,调整精度高等优点,其能够满足常规红外分束器装调需求。     

傅里叶变换红外光谱仪遥感污染云团红外光谱的计算机仿真

利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIS）实测背景数据,建立污染云团红外光谱的计算机仿真模型。给出（CH3）2CHO（CH3）FPO与（CLCH2CH2）2S两种污染云团红外光谱的仿真结果。模拟剂实验结果与仿真结果对比表明：模型仿真污染云图红外光谱是可行的。     

空间调制傅里叶变换红外光谱仪多级微反射镜倾斜误差分析

空间调制傅里叶变换红外光谱仪无可动部件,系统稳定而紧凑,而且程差可控,可实现在线监测和实时检测。多级微反射镜是光谱仪干涉系统的关键器件,其在系统中的位置精度对光谱仪性能影响很大。本文对多级微反射镜的倾斜误差引起的光程差变化进行了理论计算,并利用光学软件进行了模拟仿真。分析结果表明,随着多级微反射镜倾斜角度的增大,干涉图对比度下降,对应的光谱图脉冲谱线展宽,信噪比下降,严重时会出现波数偏离。以上分析方法对后期系统公差分配及装调有着重要的指导意义。     

一种便携式干涉仪动镜系统的设计

动镜扫描系统是傅里叶变换红外光谱仪中唯一不断运动的部件,其扫描的精度与行程直接影响仪器的信噪比、重复性与分辨率等指标。在利用立体角镜的光学特性和柔性簧片枢轴的机械特性的基础之上,设计了一种结构紧凑,体积小巧的干涉仪动镜扫描系统,设计了基于模糊控制算法的控制器,对动镜的扫描速度进行精密的控制。实验表明,动镜机构的扫描稳定性优于99.8%,所测得的红外光谱具有较高的信噪比能够满足高精度定量分析的要求。     

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50 Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900～2 055 nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000～1 965 nm谱段的光谱分辨率介于9.4～16 nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。     

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜和动态校准研究

分析了迈克尔逊干涉仪中动镜和定镜在圆形通光孔径情况下动镜在扫描过程中倾斜对干涉调制度的影响.为满足干涉调制度要求,理论计算发现动镜倾斜角度需控制在1″以内,对应的相位误差为±6.6°以内.为了解决此问题,使动镜和定镜保持准直,采用定镜动态校准系统对动镜倾斜误差进行校准.实验结果表明,校准后的XR和YR相位误差的均方根分别为1.02°和1.25°,满足系统要求.动态校准系统能够有效地校准动镜长距离运动过程中发生的倾斜误差,对高分辨光谱仪的设计和研制具有一定的指导意义.     

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 ,获得了高精度的Hg紫外发射光谱     

FTIR光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究

动镜是FTIR光谱仪中唯一不断运动的部件,动镜的匀速运动性能以及动镜与定镜的准直性好坏影响干涉效果和光谱图质量,直接制约着仪器的精度和分辨率,对仪器整体指标起着重要作用。文章围绕FTIR光谱仪中干涉仪动镜运动的匀速性以及其与定镜的准直性展开研究,使用相位检测技术对定镜的姿态作出动态调整以补偿动镜与定镜间的倾斜夹角,并且设计了具有磁悬浮特点的动镜支撑系统。文章采用改进的模糊PID控制算法实现动镜运动速度的精确调节,对该控制方案从硬件设计和算法上实现。结果表明所研发的动镜运动控制系统具有足够的精度和实时性,能够保证FTIR光谱仪中干涉仪所需的准直性及动镜匀速性的要求。     

Study on Infrared Spectral Radiance by Remote Fourier Transform Infrared Spectroscopy

Abstract

Infrared emission spectra emitted by high luminosity infrared pyrotechnics have been observed remotely using the Fourier transform infrared spectroscopy. The primary purpose of the study is to determine infrared spectral radiance distribution, their time—resolved spectra and integrated emission energy. The spectra have been recorded between 4000 – 800cm^?1 region with spectral resolution of 4cm^?1. The study is very important for many applications.     

傅里叶变换红外光谱曲线的数据转换研究

为将打印纸质的傅里叶变换红外光谱图转化为数字光谱,测试了玉米黄质样品的傅里叶变换红外光谱,在光谱保存为数字光谱的同时也通过打印机打印出光谱曲线。使用扫描仪把打印出纸质的光谱转化为计算机储存的图像,对图像进行旋转调整,图像识别软件把图中的光谱曲线转换为数字光谱。对比从打印光谱中提取的数字光谱和直接保存的数字光谱,发现它们在吸收峰的位置上十分接近,最大偏差为0.85cm^-1,光谱的相关系数达到99.78%。研究表明该方法可以快速准确的把打印光谱图转换为数字光谱,为从老式傅里叶变换红外光谱仪的测试结果中获得数字光谱提供了一种便捷的方法。     

红外光谱对啤酒酵母培养过程的研究

采用衰减全反射红外光谱技术跟踪了啤酒酵母发酵过程，解析了发酵过程的红外光谱变化。在啤酒酵母培养过程中，1106cm^-1吸收峰强度的下降反映出基质麦芽糖的消耗；而产物乙醇的形成会引起880、2976、2980cm^-1处吸收峰强度增加和1625cm^-1处吸收峰的下降，从上述吸收峰强度的变化可描述啤酒酵母培养的进程。