切趾函数对PEM-FTS复原光谱的影响

山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 李 珊 陈媛媛 王志斌

切趾函数对PEM-FTS复原光谱的影响

山西省光电信息与仪器工程技术研究中心 李 珊 陈媛媛 王志斌

在弹光调制傅里叶变换光谱仪（PEM-FTS）中，切趾函数处理是弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱复原过程中一个重要环节，对复原光谱的精度有重要影响。本文分析了对PEM-FTS干涉数据进行切趾的原因，以671nm激光器为光源通过PEM-FTS系统产生单色光干涉数据，并分析了不同切趾函数对该干涉数据复原光谱的影响，实验结果表明，Blackman窗是其中最为有效、稳定的切趾函数。采用TMS320C6713DSP芯片对干涉信号进行切趾与光谱复原，可保证PEM-FTS对数据处理的高速性要求。

PEM-FTS；切趾函数；复原光谱；Blackman窗；DSP

1.引言

弹光调制傅里叶变换光谱仪（PEM-FTS）核心器件是由弹光调制器组成的干涉仪，其在高速光谱探测领域具有潜在的应用优势［1］。在实际应用中，由于光程差的限制得到的干涉信号是被仪器函数截断的干涉信号，这样的干涉信号经过光谱反演会造成光谱图主瓣宽度加大，降低光谱分辨率。为了提高PEM-FTS的光谱分辨率，本文研究了经典的加窗切趾函数对于复原光谱的影响。以波长为671nm的激光器作为入射光源产生干涉信号，分别经过五种窗函数切趾处理，做NUFFT运算后得到复原光谱。PEM-FTS具有调制速度快的特点，这就要求有较高的数据处理速度与其相匹配，而DSP芯片以其特殊的芯片结构在高速数据处理方面有着广泛的应用，本文选用TI公司C6000系列的TMS320C6713DSP芯片实现干涉信号数据切趾与光谱复原算法，能够满足系统对于高速性与实时性的要求。

2.切趾原理

PEM-FTS的基本方程是：

图1 矩形窗截取单色光干涉信号得到的光谱

3.切趾函数及其对复原光谱影响分析

由于弹光调制干涉信号在零光程差处光强最强，因此切趾函数必须满足在零光程差处有极大值，在零光程差两侧函数值逐渐减小，最大光程差处函数值近似趋于零，满足这种条件的加窗切趾函数有三角窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗和Kaiser窗［2］。这五种窗的幅频特性曲线如图2所示。

图2 五种窗函数幅频特性曲线

图3 671nm干涉信号

图4 不同窗切趾处理后光谱图

图5 DSP中经Blackman窗切趾后671nm干涉信号

4.DSP实现光谱复原

在PEM-FTS中，弹光调制器调制频率为50KHz，每秒可产生大量的干涉数据，干涉信号的高调制频率对数据处理系统有较高的要求。DSP芯片是对数据进行处理的专用芯片，且其专用的乘累加器及哈佛结构和流水线操作，使其处理速度非常快，易于实现大量数据高速处理的要求。实验中选用TI公司生产的TMS320C6713DSP芯片，该芯片是一种32位浮点型芯片，最高工作主频可达300MHz，可同时执行8条指令，运算速度可高达1350MFLOPS。

TMS320C6713DSP含有32位的EMIF总线，可与外部存储器实现无缝连接。通过配置EMIF接口寄存器，FPGA将采集到干涉数据传输给DSP，在DSP中编写数据切趾与NUFFT算法实现反演光谱，可满足PEM-FTS对数据处理的实时性、高速性。图5所示为DSP接收到的波长为671nm经Blackman窗切趾处理后的干涉信号，图6所示为复原光谱。

图6 DSP中经Blackman窗切趾后671nm复原光谱

5.结论

本文对弹光调制傅里叶变换光谱仪数据处理中的干涉信号切趾进行了研究，根据弹光调制干涉信号的特点，选择5种不同的切趾函数对波长为671nm的单色光干涉信号进行切趾处理，并采用NUFFT算法对切趾后的干涉信号做光谱反演，实验结果表明Blackman窗可使复原光谱主瓣宽度减小，提高了光谱分辨率。同时，采用DSP芯片提高了弹光调制傅里叶变换光谱仪的数据处理速度。

［1］陈友华，王召巴，王志斌，王艳超，李永帅，张宇寒.弹光调制傅里叶变换光谱技术研究［J］.光谱学与光谱分析，2014，34（6）：1502-1505.

［2］张文娟，张兵，张霞，高连知，张维.干涉成像光谱仪切趾函数对复原光谱的影响分析［J］.红外与毫米波学报，2008，27（3）：227-232.

［3］张敏娟，王召巴，王志斌，李晓，王明艳，李晋华.PEM-FTS非线性干涉信号的快速光谱反演算法［J］.中国激光，2013，40（5）：241-246.

国家国际科技合作专项项目（2013DFR10150）；国家青年基金项目（61505180）；山西省青年基金（2015021084、2013021028-1）。

李珊（1991—），山西运城人，硕士，现就读于中北大学信息与通信工程学院。

陈媛媛【通讯作者】（1980—），山西交城人，博士，副教授，主要研究方向：光谱信号处理。