基于光栅信号控制干涉图数据采样方法研究

任兴

摘 要：本文介绍了红外光谱仪的发展，给出常用He-Ne激光控制干涉图采样的方法，并提出了一种基于光栅信号控制采样的方法。在傅里叶变换红外光谱仪中，干涉仪是其核心部件。红外光谱图由干涉图进行傅里叶逆变换得到，必须对等距离光程差采样才能得到完整干涉图。光栅栅距与位移一一对应关系，不仅保证了等光程差采样，而且光栅副与干涉仪集成，便于红外光谱仪系统小型化。

关键词：傅里叶变换红外光谱仪 光栅信号 干涉图 He-Ne激光 等光程差

中图分类号： TH744.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

红外光谱仪是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器，通过对光谱的测量来完成对光源的分析、材料光学属性测试和物质成分的鉴定。随着计算机、激光、光电子学及先进加工工艺的不断发展和引入，并伴随光谱学与化学计量技术的有机结合，使得光谱学快速发展，红外光谱仪的性能不断提高且应用领域不断扩大。红外光谱仪作为红外光谱技术的应用载体，因其操作简便、快速、非破坏性以及多组分同时定量分析测试等优势，广泛应用于民用、工业和军用领域，例如各种生物检测、生物化学分析、天文研究、工业自动检测等，能够对物质的辐射进行研究、对物质的吸光属性研究、对物质的结构研究以及物质的定性和定量光谱分析等。

1 红外光谱仪发展

20世纪50年代，出现了第一台红外光谱仪是基于棱镜对红外辐射色散实现的分光，不过棱镜材料容易吸水潮解，使用时需恒温恒湿，而且分辨率低，造价高。20世纪60年代随着光栅技术的出现和发展，利用光栅分光原理制成第二代红外光谱仪，它比棱镜式能量高、分辨率高、价格便宜、使用条件低，但是仪器扫描速度慢，应用受到限制。20世纪70年代，傅里叶变换红外光谱仪问世。它是基于光的空间相干性原理而设计，不同于色散型棱镜和光栅型光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪被称作第三代红外光谱仪。

傅里叶变换红外光谱仪具有以下特点：（1）测量速度快。动镜扫描一次的时间大约为1秒，这其中包含了光源的所有信息。这种快速的扫描方式可以快速跟踪化学反应，在线监测气体和液体的样品。（2）灵敏度高。傅里叶变换红外光谱仪测量数据时使用整个光源的波段测量，信号强度大，通过调节扫描次数可增加信噪比。（3）分辨率高。分辨率是指分辨两条谱线的能力，傅里叶变换红外光谱仪的分辨率取决于动镜移动的最长距离，动镜移动的距离越长，分辨率越高。（4）测定范围宽。光源和分光镜决定了整个光谱仪的测量范围，现在红外光谱仪可以研究整个红外区的光谱（12800～10cm-1）。

傅里叶变换红外光谱仪，简称FTIR。具体结构如图1所示。

傅里叶变换红外光谱仪包括光源系统、干涉仪、探测器、信号采集与处理系统及计算机五部分。光谱仪可分为开放式和封闭式两种，开放式傅里叶变换红外光谱仪前置望远镜，用于接收外界的光线，适用于遥测，既可测未知光线的波长，又可测被测区域的物质信息。区别于开放式光谱仪，封闭式光谱仪有独立的内置光源，可进行定性和定量分析。

不论开放式光谱仪还是封闭式光谱仪，从外界环境接受的光还是内置光源发出的光，经过汇聚后平行入射干涉仪，转变为干涉光后照射样本，通过探测器接收经过样本后的干涉光强，从光信号转变成为电信号，由信号采集系统控制采集，得到带有样本信息的干涉光信号，最后送入计算机进行傅里叶变换得到光谱图。

从红外光谱图可以测出已知或未知光源的波长，因此红外光谱图的完整与否是一个非常重要的部分。红外光谱仪中最重要的部件是干涉仪，干涉仪性能的优劣直接决定了红外光谱仪的参数指标。红外光谱图由干涉图傅里叶逆变换得到，光谱学基本方程为：

H（σ）表示波数为σ单色光源的光强，I（δ）表示光程差为δ时，探测器检测到的信号强度。从上面的基本方程可以看出在干涉仪动镜移动过程中，每一个无限小的光程差都要采集数据才能得到干涉图，因此必须在动镜移动过程中在相等距离位置上采集数据，由这些数据点组成干涉图，然后对这个干涉图进行傅里叶逆变换得到红外光谱图。实际中，不可能在无线小的光程差采样，只能在比较小的相等距离位置上采样，即等光程差采样。根据红外光谱仪等光程差采样的要求，本文提出了基于光栅控制采样的方法。

2 He-Ne激光控制采集干涉信号

干涉信号的采样一般是用He-Ne激光器控制的，如图2所示。

所设计的干涉仪为双角镜差动干涉仪，干涉仪系统由光源发出光线光经过分束镜，分成透射光和反射光，这两路光线经过定镜反射后，入射到背靠背两个双角镜，双角镜由四面镜子组成，互相成90°。光线经过双角镜反射，返回分束镜发生干涉，干涉信号由探测器接收。两个角镜同时固定在基座上，基座与丝杠配合，由电机带动丝杠螺母，把旋转运动转换成直线运动，从而两路光线产生光程差。

因为He-Ne激光的频率稳定，光谱带宽非常窄，相干性很好，得到的干涉图认为是一个标准的余弦波。在采集数据时，用He-Ne激光干涉信号的一个或者半个余弦波作为触发信号，触发数据采集卡采集干涉图样，认为是等光程差采样。从图1可看出，在干涉仪中加入He-Ne激光干涉系统，增加了系统的复杂性，并且He-Ne激光器的体积较大，不利于整个系统小型化。

3 光栅信号控制采集干涉信号

由于He-Ne激光器体积大，并使整个系统复杂，考虑到干涉光等光程差采样的要求，本文提出了一种基于光栅信号控制干涉信号采样的方法。

光栅是刻画在玻璃尺或金属尺上，类似于刻线标尺或度盘那样的密集刻线，可以测量长度（或直线位移）和角度（或角位移）。利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量的光栅成为计量光栅。计量光栅按照用途有圆光栅和长光栅之分，用于测量角度或者角位移的光栅成为圆光栅，用来测量长度或者直线位移的光栅称为长光栅。按光线的走向分为透射光栅和反射光栅，本设计中使用透射式长光栅传感器。传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。当标尺光栅和指示光栅之间有相对移动时，光栅上会出现莫尔条纹，光电元件上会接收到明暗相间的条纹经过电路处理，产生数字信号输出。

光栅传感器具有如下特点：①精度高。光栅式传感器测量大位移或者大长度时，具有很高精度。②大量程测量兼有高分辨力。光栅传感器的栅距后续可进行电路细分，可达到5nm的分辨率。③可实现动态测量。光栅副之间只要发生相对移动，便会输出数字脉冲信号，利用这个脉冲信号可进行动态测量。④具有较强的抗干扰能力。光栅传感器主要用于实验条件下，也可以在环境较好的车间中使用。

光栅副之间的相对移动量与位移有着严格的一一对应关系，设计光栅读数头与动镜座固定，光栅尺贴在底座上。当动镜座移动时，读数头与光栅尺之间产生相对运动，光栅读数头移动一个栅距，输出一个数字脉冲信号。用光栅输出的数字信号作为数据采集卡的外部触发源触发采样，实现干涉图等光程差的采样要求，可得到完整光谱图。光栅传感器不仅分辨率高，而且尺寸小，便于集成，有利于光谱仪系统小型化。光栅传感器设计安装如图3所示。

4 结语

采用传统He-Ne激光控制采集干涉信号使系统复杂，为了使傅里叶变换红外光谱仪结构简单、小型化，本文提出的利用光栅信号控制采集干涉信号的方法。该种方法对光谱仪的小型实用化具有非常重要的意义。

参考文献

[1]翁诗甫.傅里叶变换红外光谱仪[M].北京：化学工业出版社，2005：1～22.

[2]王明智.傅立叶红外光谱仪（FTIR）的基本原理及其应用[J].科技风，2014，（6） .

[3]邱颖，陈兵，贾东升.红外光谱技术应用的进展[J].环境科学导刊，2008.

[4]王建波.浅谈傅立叶变换红外光谱仪的原理及使用[J].科技风，2011，（18）.