CN116593417B - 傅里叶变换红外光谱仪的等光程采样方法、装置和介质 - Google Patents
傅里叶变换红外光谱仪的等光程采样方法、装置和介质 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法、装置和介质，涉及仪器仪表技术领域，包括：通过函数发生器生成正弦信号，以驱动音圈电机运动；获取双通道同步采集的激光信号和干涉信号；确定激光信号的零点；对于音圈电机运动的每个方向，从该方向的各个零点中去除零点索引与初始索引之差小于第一阈值或者大于第二阈值的零点，得到目标零点；基于最小二乘法使用目标零点拟合速度曲线；基于速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引；按照激光等光程索引对干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图；可以提高音圈电机的控制效率；提取过采样信号的更多有效信息，提高信噪比；可以分辨更高频率的波长。
Description
技术领域
本申请涉及傅里叶变换光谱仪、等光程采样方法、装置和介质，属于仪器仪表技术领域。
背景技术
傅里叶变换光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIRSpectrometer)是利用干涉仪对光信号的调制作用得到光信号的干涉图，然后对干涉图进行逆傅里叶变换得到原始光信号的光谱图的设备。
一种典型的傅里叶变换光谱仪包括干涉仪、探测器、信号处理和运动控制电路、驱动电路和音圈电机。其中，干涉仪用于发射参考激光以在干涉仪内形成干涉，同时在探测器表面形成干涉，探测器用于对干涉仪生成的干涉信号进行光电转换。之后，由信号处理和运动控制电路对光电转换后的干涉信号进行处理，得到反映干涉仪光程差变化的信号，并发出控制信号控制驱动电路实现对音圈电机转动的控制。
驱动电路控制音圈电机转动的方式至少包括以下两种，分别为：
1、恒流控制：使用稳定的电流来驱动音圈电机，并通过改变电流方向来改变运动方向。然而，这种方法的精度受到电流控制的影响，且容易受到外部干扰而产生误差。
2、PID闭环控制：通过激光信号处理后作为反馈，使用PID控制算法实现激光信号的反馈控制，通过控制音圈电机的位置和速度，使其达到匀速的效果，以使干涉信号保持稳定。然而，PID闭环控制实现过程比较复杂，增加电路实现难度，且对算法和后期调参要求较高。
干涉图的采样方式至少包括以下两种，分别为：
1、激光触发采样：通过硅探测器接收到正弦激光干涉信号，对其进行比较整形得到零点脉冲，然后触发采样红外干涉图。然而，这种方式对电路要求较高，需要增加激光整形、分频和触发电路，提高电路复杂度。
2、双通道采样：通过双通道的模数转换器(ADC)同时过采样采集激光信号和干涉信号。激光信号通过插值(多项式插值、三次样条插值等)将激光信号变为更加密集，然后，从左到右找寻一个大于零的点和一个小于零的点，进行方程求解，找到过零的位置，也就是索引。通过激光过零点的索引插值重建干涉信号，将等时间的干涉信号变为等光程的干涉信号。
然而，根据奈奎斯特定律，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍才能正确还原原始信号，同时，受制于激光波长限制，不能分辨更高频率的波长，此时，会浪费大量过采样的干涉信号的有效信息。
发明内容
本申请的目的在于提供一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法、装置和介质；在控制音圈电机时，相对于恒流控制具有较高的精度，不容易受外部的影响；相对于PID闭环控制不需要复杂的控制算法，也不需要调参，可以提高控制效率。在等光程采样时，相对于激光触发采样不需要复杂的电路系统，电路难度较小；相对双通道过采样可以得到更多的等光程点数，提取过采样信号的更多有效信息，提高信噪比；不受激光波长的限制，可以分辨更高频率的波长。
为达到上述目的，本申请提供如下技术方案：
根据第一方面，本申请实施例提供了一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法，包括：
通过函数发生器生成正弦信号；
基于所述正弦信号驱动所述音圈电机运动；
获取双通道同步采集的激光信号和干涉信号；
确定所述激光信号的零点；
对于所述音圈电机运动的每个方向，从所述方向的各个零点中去除零点索引与初始索引之差小于第一阈值或者大于第二阈值的零点，得到目标零点；所述初始索引为所述方向中第一个零点的索引；所述第二阈值大于所述第一阈值，且所述第一阈值和所述第二阈值基于所述转向阶段所需的零点数量确定；
基于最小二乘法使用所述目标零点拟合所述速度曲线；
基于所述速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引；
按照所述激光等光程索引对所述干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
可选地，所述基于最小二乘法使用所述目标零点拟合所述速度曲线，包括：
获取每个目标零点的零点索引和所述零点索引对应的过零点的点数；
基于最小二乘法对所述零点索引和所述点数构成的各组数据进行线性拟合，得到所述速度曲线。
可选地，所述基于所述速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引，包括：
在所述速度曲线中确定所述速度乘以所述速度对应的采样点数，得到光程；
从各个光程中确定等光程的采样点索引，得到所述激光等光程索引。
可选地，所述按照所述激光等光程索引对所述干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图，包括：
在所述干涉信号中按照所述激光等光程索引确定取样点；
对所述取样点进行插值重建，得到所述等光程重建后的等光程干涉图。
可选地，所述通过函数发生器生成正弦信号，包括：
基于所述傅里叶变换光谱仪的设备参数生成所述正弦信号。
可选地，所述设备参数包括所述探测器的响应速度，所述正弦信号的频率与所述探测器的响应速度呈正相关关系。
可选地，所述设备参数包括所述傅里叶变换光谱仪的分辨率，所述正弦信号的幅度与所述分辨率呈正相关关系。
可选地，所述设备参数包括所述傅里叶变换光谱仪的零光程点相对行程的中间位置的偏移量；所述正弦信号的偏置基于所述偏移量确定。
根据第二方面，本申请实施例提供了一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样装置，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现第一方面所述的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
根据第三方面，本申请实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现第一方面所述的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
本申请提供的傅里叶变换光谱仪在控制音圈电机时，相对于恒流控制具有较高的精度，不容易受外部的影响；相对于PID闭环控制不需要复杂的控制算法，也不需要调参，可以提高控制效率。在等光程采样时，相对于激光触发采样不需要复杂的电路系统，电路难度较小；相对双通道过采样可以得到更多的等光程点数，提取过采样信号的更多有效信息，提高信噪比；不受激光波长的限制，可以分辨更高频率的波长。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请一个实施例提供的傅里叶变换光谱仪的框图；
图2为本申请一个实施例提供的音圈电机的速度曲线；
图3为本申请一个实施例提供的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的视角或位置关系为基于附图所示的视角或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的视角、以特定的视角构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1是本申请一个实施例提供的傅里叶变换光谱仪的框图，该傅里叶变换光谱仪至少包括：函数发生器110、功率放大器120、音圈电机130、干涉仪140、探测器150和计算设备160。
函数发生器110，用于基于傅里叶变换光谱仪的设备参数生成正弦信号。
在一个示例中，设备参数包括探测器的响应速度，此时，正弦信号的频率与探测器的响应速度呈正相关关系。
比如：近红外的探测器使用砷化铟镓(InGAas)单光子探测芯片，中红外通常使用丙氨酸硫酸三苷肽(DLaTGS)探测器或碲化汞镉(MCT)探测器，其中InGAas和MCT的响应速度较快，因此，音圈电机带动的动镜的扫描频率可以快点，此时，正弦波的频率大；DLATGS响应速度较慢，动镜的扫描频率可以慢点，此时，正弦波的频率小。
在另一个示例中，设备参数包括傅里叶变换光谱仪的分辨率，此时，正弦信号的幅度与傅里叶变换光谱仪的分辨率呈正相关关系。
一般地，动镜移动的距离越大，傅里叶变换光谱仪的分辨率越高，因此，根据分辨率可以确定出正弦信号的幅度。另外，由于音圈电机通过弹性枢轴与干涉仪相连，而弹性枢轴超过一定角度，傅里叶变换光谱仪会有剪切干涉，因此，正弦信号的幅度需要在一定范围内。
在又一个示例中，设备参数包括傅里叶变换光谱仪的设备误差。设备误差包括零光程点相对行程的中间位置的偏移量。此时，正弦信号的偏置基于零光程点相对行程的中间位置的偏移量确定。
由于安装和加工的问题，零光程点(Zero Path Difference，ZPD)不可能在既定的位置，所以需要调偏置，使ZPD尽可能在行程的中间位置，从而可以进行双边傅里叶变换。
功率放大器120分别与函数发生器110和音圈电机130相连，用于基于正弦信号驱动音圈电机运动。
音圈电机用于带动傅里叶变换光谱仪中的动静移动。函数发生器110将生成的正弦信号传入功率放大器120，功率放大器120基于该正弦信号驱动音圈电机运动，功率放大器120驱动音圈电机130运动过程中会产生电流，在正弦信号稳定的情况下，功率放大器120产生的电流也是稳定的。
干涉仪140与音圈电机130相连，用于发射激光信号和干涉信号。
示意性地，激光信号可以是迈克尔逊干涉仪的氦-氖激光，相应地，干涉信号为迈克尔逊干涉仪的红外干涉信号，如白光双通道干涉信号。
探测器150，用于双通道同步过采集激光信号和干涉信号。
示意性地，探测器150使用双通道ADC按照特定频率对激光信号和干涉信号同步进行过采样，每次采样，激光信号和干涉信号相互对应一组数据。
计算设备160与探测器150相连。计算设备可以为计算机、或平板电脑等具有处理能力的电子设备，本实施例不对计算设备的设备类型作限定。
探测器150用于将过采样采集的激光信号和干涉信号传入计算设备160，以供计算设备160进行处理，得到等光程重建后的等光程干涉图。
本实施例中，计算设备160用于获取激光信号和干涉信号；确定激光信号的零点；基于各个零点确定音圈电机的速度曲线；基于速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引；按照激光等光程索引对干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
在一个示例中，确定激光信号的零点，包括：按照采样顺序确定相邻的大于零的激光信号和小于零的激光信号，基于相邻的大于零的激光信号和小于零的激光信号确定激光信号的过零位置，得到零点索引。
基于各个零点确定音圈电机的速度曲线，包括：从各个零点中确定除转向阶段之外的目标零点；基于最小二乘法使用目标零点拟合速度曲线。
其中，从各个零点中确定除转向阶段之外的目标零点，包括：对于音圈电机运动的每个方向，从方向的各个零点中去除零点索引与初始索引之差小于第一阈值或者大于第二阈值的零点，得到目标零点；初始索引为方向中第一个零点的索引；第二阈值大于第一阈值，且第一阈值和第二阈值基于转向阶段所需的零点数量确定。
其中，基于最小二乘法使用目标零点拟合速度曲线，包括：获取每个目标零点的零点索引和零点索引对应的过零点的点数；基于最小二乘法对零点索引和点数构成的各组数据进行线性拟合，得到速度曲线。
参考图2所示的音圈电机速度曲线，如图2所示，除去换向阶段，中间的速度曲线呈线性关系。因此，通过最小二乘拟合出速度曲线，通道采集点数也就是时间，通过时间乘以速度也就是光程(路程)，根据计算出的激光等光程索引，对干涉信号进行等光程插值重建。
基于上述原理，基于速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引，包括：在速度曲线中确定速度乘以速度对应的采样点数，得到光程；从各个光程中确定等光程的采样点索引，得到激光等光程索引。
具体地，按照激光等光程索引对干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图，包括：在干涉信号中按照激光等光程索引确定取样点；对取样点进行插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
插值方式包括但不限于二次插值或者三次插值，本实施例不对插值方式作限定。
在实际实现时，傅里叶变换光谱仪还包括其它部件，比如：为各个函数发生器、功率放大器和探测器供电的电源，本实施例在此不再一一列举。
综上所述，本实施例提供的傅里叶变换光谱仪在控制音圈电机时，相对于恒流控制具有较高的精度，不容易受外部的影响；相对于PID闭环控制不需要复杂的控制算法，也不需要调参，可以提高控制效率。在等光程采样时，相对于激光触发采样不需要复杂的电路系统，电路难度较小；相对双通道过采样可以得到更多的等光程点数，提取过采样信号的更多有效信息，提高信噪比；不受激光波长的限制，可以分辨更高频率的波长。
图3是本申请一个实施例提供的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法的流程图，本实施例以该方法用于等光程采样装置中为例进行说明，该装置可以是图1所示的傅里叶变换光谱仪的计算设备，如图3所示，该方法至少包括以下几个步骤：
步骤301，通过函数发生器生成正弦信号；
步骤302，基于正弦信号驱动音圈电机运动；
步骤303，获取激光信号和干涉信号；
步骤304，确定激光信号的零点；
步骤305，对于音圈电机运动的每个方向，从方向的各个零点中去除零点索引与初始索引之差小于第一阈值或者大于第二阈值的零点，得到目标零点；初始索引为方向中第一个零点的索引；第二阈值大于第一阈值，且第一阈值和第二阈值基于转向阶段所需的零点数量确定；
步骤306，基于最小二乘法使用目标零点拟合速度曲线；
步骤307，基于速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引；
基于速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引，包括：在速度曲线中确定速度乘以速度对应的采样点数，得到光程；从各个光程中确定等光程的采样点索引，得到激光等光程索引。
步骤308，按照激光等光程索引对干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
按照激光等光程索引对干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图，包括：在干涉信号中按照激光等光程索引确定取样点；对取样点进行插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
本实施例的相关描述详见图1所示的示例，本实施例在此不再赘述。
综上所述，本实施例提供的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法，相对于激光触发采样不需要复杂的电路系统，电路难度较小；相对双通道过采样可以得到更多的等光程点数，提取过采样信号的更多有效信息，提高信噪比；不受激光波长的限制，可以分辨更高频率的波长。
可选地，本申请还提供有一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，所述程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
可选地，本申请还提供有一种计算机产品，该计算机产品包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，所述程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法，其特征在于，该傅里叶变换光谱仪至少包括：函数发生器、功率放大器、音圈电机、干涉仪、探测器和计算设备；
所述函数发生器，用于基于傅里叶变换光谱仪的设备参数生成正弦信号；
所述功率放大器分别与所述函数发生器和音圈电机相连，用于基于正弦信号驱动音圈电机运动；
所述音圈电机用于带动傅里叶变换光谱仪中的动静移动；所述函数发生器将生成的正弦信号传入所述功率放大器，所述功率放大器基于该正弦信号驱动音圈电机运动，所述功率放大器驱动所述音圈电机运动过程中会产生电流，在正弦信号稳定的情况下，所述功率放大器产生的电流也是稳定的；
所述干涉仪与所述音圈电机相连，用于发射激光信号和干涉信号；
所述激光信号为迈克尔逊干涉仪的氦-氖激光，所述干涉信号为迈克尔逊干涉仪的红外干涉信号；
所述探测器，用于双通道同步采集激光信号和干涉信号；
所述探测器用于将过采样采集的激光信号和干涉信号传入所述计算设备，以供所述计算设备进行处理，得到等光程重建后的等光程干涉图，
所述等光程采样方法包括：
通过函数发生器生成正弦信号；
基于所述正弦信号驱动所述音圈电机运动；
获取双通道同步采集的激光信号和干涉信号；
确定所述激光信号的零点；
对于所述音圈电机运动的每个方向，从所述方向的各个零点中去除零点索引与初始索引之差小于第一阈值或者大于第二阈值的零点，得到目标零点；所述初始索引为所述方向中第一个零点的索引；所述第二阈值大于所述第一阈值，且所述第一阈值和所述第二阈值基于转向阶段所需的零点数量确定；
基于最小二乘法使用所述目标零点拟合速度曲线；
基于所述速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引；
按照所述激光等光程索引对所述干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于最小二乘法使用所述目标零点拟合所述速度曲线，包括：
获取每个目标零点的零点索引和所述零点索引对应的过零点的点数；
基于最小二乘法对所述零点索引和所述点数构成的各组数据进行线性拟合，得到所述速度曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述速度曲线指示的速度和采集点数，确定激光等光程索引，包括：
在所述速度曲线中确定所述速度乘以所述速度对应的采样点数，得到光程；
从各个光程中确定等光程的采样点索引，得到所述激光等光程索引。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照所述激光等光程索引对所述干涉信号进行等光程插值重建，得到等光程重建后的等光程干涉图，包括：
在所述干涉信号中按照所述激光等光程索引确定取样点；
对所述取样点进行插值重建，得到所述等光程重建后的等光程干涉图。
5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，所述通过函数发生器生成正弦信号，包括：
基于所述傅里叶变换光谱仪的设备参数生成所述正弦信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述设备参数包括探测器的响应速度，所述正弦信号的频率与所述探测器的响应速度呈正相关关系。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述设备参数包括所述傅里叶变换光谱仪的分辨率，所述正弦信号的幅度与所述分辨率呈正相关关系。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述设备参数包括所述傅里叶变换光谱仪的零光程点相对行程的中间位置的偏移量；所述正弦信号的偏置基于所述偏移量确定。
9.一种傅里叶变换光谱仪的等光程采样装置，其特征在于，所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如权利要求1至8任一所述的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一所述的傅里叶变换光谱仪的等光程采样方法。
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| CN109186767A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-11 | 天津大学 | 一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法 |
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| CN109186767A (zh) * | 2018-09-25 | 2019-01-11 | 天津大学 | 一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于拟合算法的傅里叶变换光谱仪光谱反演;李涛;华建文;孙晓杰;陈仁;;光学仪器;第37卷(第06期);第504-508页 * |
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