静态光谱分析检测及其软件实现

　　目前,光谱分析在物质成分分析、浓度定量等众多领域已有广泛的应用.种类繁多的干涉仪作为光谱分析的重要工具被广泛应用于各个领域,其中绝大部分是以迈克尔逊干涉仪的原理为基础的[1].现有的迈克尔逊干涉仪[2-3]大多数是动镜扫描式的,虽然分辨率高,但结构复杂、稳定性差,不适合需要灵活机动的应用领域,而静态傅里叶干涉具[4]结构简单、稳定性好,采用静态傅里叶干涉具的光谱检测技术可以有效地应用于实时、机动的遥测领域[5].对干涉条纹的处理通常采用光谱分析软件,而此类软件多由国外进口,价格昂贵,不适合再开发.国内同类软件也有部分产品,但基于静态干涉的光谱分析软件未见报道,国外在一些专用产品中才有使用,例如美国的M21[6]等环境监测系统中有类似的数据处理部分.

　　采用静态傅里叶干涉具分析频谱必须要有与对应的光谱分析软件,而现有的光谱分析软件绝大多数是基于对时间型干涉仪形成的干涉条纹的傅里叶变换的原理.为将时域信号的频谱分析扩展为空间干涉条纹的静态光谱分析,本文在研究静态傅里叶变换干涉的基础上设计了静态光谱分析算法,在Vis-ual Studio平台[7]下采用C#开发了静态光谱分析软件.

　　1　方案设计

　　1.1　基本结构

　　基于双光束干涉方法,利用静态傅里叶变换干涉具对入射激光进行干涉处理,得到干涉条纹的光谱探测技术.利用光源在干涉具中形成的空间干涉条纹与光源的光谱分布存在傅里叶变换关系来获取光谱信息.图1(a)是激光入射傅里叶变换干涉具干涉原理示意图,一束平行激光入射AA′B′B面,经BDD′B′半透半反面分为2束,分别由全反面ADD′A′、CDD′C′反射后,由BCC′B′面射出,再经柱面镜聚焦到探测器上.其中由于DC1与DC之间有α倾角,从干涉具出射的2束光传播方向不同,所以发生干涉的2条光线并不是由同一条入射光线分束形成,如图1(b)所示.

　　如图1(b)所示,光线1入射到A点上,经过半透半反膜反射,一部分经过BCC′B′反射到达B点,经过半透半反膜射出;光线2入射到D点上,经过半透半反膜照射到E点上,由于α角的原因,光线不能原路返回,而是会相对于原路线偏转大小为2α的角度,照射到经过半透半反膜的F点上,再反射与光线1相交,形成干涉.

　　光程差为入射激光波长的整数倍,即

　　时,对应的条纹为亮纹,其中k为非负整数,λ为入射激光波长,n为干涉具折射率,α为等效斜楔干涉具角度.在DD′C′C上光程差为λ的2点之间的间距

　　由CCD单个像元(14μm)、干涉条纹间距与波长及α角的关系决定α的值满足