单边干涉数据光谱复原的关键问题分析

    ０　引言

    傅里叶变换光谱仪是一种较常用的的气体探测和分析仪器，在遥感探测、环境与灾害监测、大气探测及军事等领域具有广泛的应用。基于双光束干涉的傅里叶变换光谱仪，通常采用单边过零点的干涉图快速复原光谱信息，为了获取较准确的光谱信息，需对采集到的干涉数据进行滤波、切趾、相位校正、傅里 叶 变 换、光谱标定等较复杂的数据处理过程^[1-3]。

    本文对单边过零采样的干涉数据处理和光谱反演技术和关键问题进行分析和实现。以大气窗口为被测目标，基于迈克尔逊干涉仪获得双光束干涉的单边过零干涉图。通过对干涉图多次采样获得平均干涉数据、并三角切趾、Mertz法相位校正、傅里叶变换和光谱标定反演出目标光谱。经实验验证方法的有效性和高光谱分辨率，满足光谱探测的实时性要求。

   １　傅里叶变换光谱仪的工作原理

    基于双光束干涉的FTIR光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪。其基本原理是目标辐射光经干涉具产生干涉图，由探测器光电转换、放大、A/D转换为干涉信号，通过对干涉信号进行处理和傅里叶变换，复原出被测目标的光谱信息。

    由傅里叶光谱学理论知，光谱函数B（υ）是实数。为实现傅里叶变换，将光谱延拓到负频率范围，并为实对称函数，由光学器件实现傅里叶反变换获取光源的干涉图为

    式（２）是在理想情况下计算的复原光谱。对于实际系统，由于光学系统的偏差（如光路中元件位置的偏差引入了不同的光程差（Δｘ））、电子学系统产生的相移（如参考激光的不等间隔采样、放大器的延时）、采样的不均匀及采样位置误差（如没有采到零光程差点）等因素使得干涉图不对称及噪声的干扰、基线的漂移、仪器截断函数的影响，仅通过干涉图的傅里叶变换不能准确地、高精度获得被测目标的光谱信息。

    ２　干涉数据的处理

    ２．１　干涉信号的采样与预处理

    为实现干涉图的等光程差采样，在系统中利用632.8ｎｍ的激光器作为参考光源，激光经干涉具产生正弦波干涉信号，在激光干涉信号过零时控制动镜的移动，实现被测目标干涉信号的等光程差采样和频谱的定标。这时，干涉信号采样频率的稳定性仅与激光器频率的稳定性有关，与动镜扫描速度的稳定性无关，克服了时间采样中动镜移动速度不均匀造成采样不均匀的弊端。

    在被动光谱探测中，干涉信号较微弱，且包含有噪声信息，为减小噪声的影响可采用信号平均法实现降噪。其主要方法有^[4]

    1）对多个干涉信号平均后进行傅里叶变换，通过求模复原信号光谱。