一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法与流程

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法。

背景技术：

傅里叶变换光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪的主要功能是使光源发出的光分为两束后形成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源强度按频率的分布。它克服了色散型光谱仪分辨能力低、光能量输出小、光谱范围窄、测量时间长等缺点。它不仅可以测量各种气体、固体、液体样品的吸收、反射光谱等，而且可用于短时间化学反应测量。总而言之，目前傅里叶变换光谱仪具有扫描速度快、分辨率很高、波数精度高、灵敏度高、光谱范围宽等优点，红外光谱仪在电子、化工、医学等领域均有着广泛的应用。

但是目前市场上主要的采样方法是过零采样，其模式固定，通过检测氦-氖激光干涉信号光强为零时进行取样，缺少灵活性与实际应用性，对某些特定的环境，采样点太少，分辨率和准确度仍需要提高，这是其不可忽视的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于能更好的还原干涉图的原有信息，更灵活地应用于各种实际取样环境，并进一步提高采样效率和采样质量，在降低数据处理复杂度的同时，实现了更高层次的数字采样，提高傅里叶变换光谱仪的信噪比，扩大傅里叶变换光谱仪的应用领域，详见下文描述：

一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法，所述方法包括以下步骤：

对于选取的氦-氖激光信号和红外干涉信号，以相同的采样频率获得这两种信号的过采样信号；

对氦-氖激光过采样信号以窗口化平移模式进行逐段曲线拟合，根据余弦变化的特征，插值确定等光程差间隔采样的时间点位置；

选择过零采样、波峰波谷采样、四分之一波长采样、八分之一波长采样和十六分之一波长为采样间隔，以选择的采样间隔对氦-氖激光过采样信号经过拟合后的干涉图进行插值取点，确定采样时间点的横坐标；

根据采样时间点的横坐标，对红外干涉信号的过采样信号进行插值，确定取样点；根据取样点重建红外干涉图，对红外干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。

其中，所述对氦-氖激光过采样信号以窗口化平移模式进行逐段曲线拟合具体为：

估算窗口取点数量，然后以窗口点数量逐段进行曲线拟合，根据氦-氖激光过采样信号干涉图的特征，采用余弦曲线进行拟合，依次向下进行，直至将过采样信号全部拟合。

进一步地，所述确定采样时间点的横坐标具体为：

设计拟合后的取点范围，将所有得到的点的横坐标进行汇总，将间隔小于采样间隔一半的重复取样点进行整合，得到采样时间点的横坐标。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明基于数字采样，可以更好地还原干涉图的原有信息，在实际问题的处理方面更加灵活与精准；

2、本发明在等时间间隔硬件过采样干涉图的基础上，通过软件处理，根据参考激光(氦-氖激光)的正弦波式的特征干涉图，确定等间隔的光程差位置，触发干涉图重采样；

3、本发明的采样频率可调，四分之一波长、八分之一波长甚至十六分之一波长采样，可检测的光谱范围不在被参考激光波长限制，可以进一步往短波长扩展；

4、本发明的等时间间隔硬件过采样方法相对于直接等光程差间隔硬件采样，更适合光程差非匀速变化的傅里叶光谱仪，具有更高的准确性，有利于提高复原光谱的信噪比；

5、本发明不仅可以提高傅里叶变换光谱仪的分辨率，而且可以在降低数据处理复杂度的同时，进一步提高采样效率和采样质量，实现了更高层次的采样。

附图说明

图1是本发明提供的一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法的流程图；

图2是本发明实验过程中使用软件触发采样和常规触发采样获取的空气中白光光谱图之间的直接比较示意图。

其中，(a)为三种不同采样方式得到的光谱图；(b)为在5200至5500cm-1的光谱范围内的水蒸气的吸收峰；(c)为三种不同采样方式得到的光谱图的噪声情况。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了更好地还原干涉图的原有信息，并进一步提高采样效率和采样质量，增加干涉图反映信息的真实度及其信噪比，本发明实施例提出了一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法。本方法不仅能够极大地提高光谱图的信噪比，而且可以根据实际环境，针对性的选取采样模式，为傅里叶变换光谱仪提供了更广阔的应用前景。

实施例1

本发明实施例提出了一种软件触发的傅里叶变换光谱仪中干涉图采样方法，针对目前大多数傅里叶变换光谱仪采用过零采样方法的环境下，本采样方法可以更好地还原干涉图的原有信息，提高傅里叶变换光谱仪的信噪比，实现了更高层次的数字采样，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：同步采集氦-氖激光信号和红外干涉信号；

102：对于选取的氦-氖激光信号和红外干涉信号，以相同的采样频率获得这两种信号的过采样信号；

103：对氦-氖激光过采样信号进行曲线拟合，根据余弦变化的特征，插值确定等光程差间隔采样的时间点位置；

由于氦-氖激光过采样信号数据量过大，因此对氦-氖激光过采样信号干涉图以窗口化平移模式进行逐段曲线拟合，首先估算窗口取点数量，然后以上述窗口点数量逐段进行曲线拟合，根据氦-氖激光过采样信号干涉图的特征，采用余弦曲线进行拟合，依次向下进行，直至将过采样信号全部拟合。

104：由于奈奎斯特采样定理的限制，针对不同的光谱范围，可以选择不同的采样间隔。可选择的采样间隔有过零采样、波峰波谷采样、四分之一波长采样、八分之一波长采样和十六分之一波长采样，以选择的采样间隔对氦-氖激光过采样信号经过窗口化平移模式曲线拟合后的干涉图进行插值取点，确定采样时间点的横坐标；

105：根据步骤104中采样时间点的横坐标，对步骤102中的红外干涉信号的过采样信号进行插值，确定取样点；

其中，上述插值方式由实际情况确定，例如：二次插值、三次插值等，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

106：根据取样点重建红外干涉图，对红外干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤106不仅能够极大地提高光谱图的信噪比，而且对于光程差非匀速变化的傅里叶光谱仪具有很大的潜力，为傅里叶变换光谱仪提供了更广阔的应用前景。

实施例2

下面结合图2、具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

首先获取迈克尔逊干涉仪的氦-氖激光和白光双通道干涉信号，然后使用40m的探测器对氦-氖激光信号和白光信号均进行特定频率的过采样，其中氦-氖激光和白光相互对应为一组数据。应采集多组数据，随机选取其中片段进行下一步的处理，保证干涉数据的随机性与代表性。

接下来将过采样干涉信号导入计算机，采用matlab程序对氦-氖激光过采样信号和白光过采样信号进行处理。由于数据量过大，本发明实施例采用窗口化平移模式进行逐步拟合处理。

在实际实验中，本发明实施例估算在一个氦-氖激光波长中约有160个过采样点，因此本发明实施例选取100个过采样点为一个窗口进行拟合处理。首先用matlab对氦-氖激光干涉图进行正弦函数图像拟合，拟合方式采用matlab中fminsearch函数进行相近拟合，误差在0.0001以内。

在实验中，本发明实施例分别根据过零采样、波峰波谷采样和四分之一波长采样这三种不同长度的采样间隔，在拟合图像中进行插值选点，得到需要的采样点的横坐标。相比于目前市场通过检测氦-氖激光干涉信号光强为零时进行取样，本发明实施例的采样方法更加具有灵活性与实际应用性。

为了避免相邻窗口之间取样点的重复与缺失，本发明实施例增加了拟合后的取点范围，实际取样范围为(-2，102)，然后把所有得到的点的横坐标进行汇总，将间隔小于10的重复取样点进行整合，最后得到符合本发明实施例要求的取样横坐标。

在上述操作中对白光干涉图和氦-氖激光干涉图进行同时处理，保证一致性。将上述取样横坐标在白光干涉图中通过插值得到采样点，本发明实施例采用的插值方式为三次插值，最终，得到重建后的白光干涉图。

最后对上面得到的白光干涉图进行傅里叶变换，得到光谱图，其中包括：切趾(本领域的专业术语)处理、补零处理和傅里叶变换等处理步骤。该些处理步骤均为本领域技术人员所公知的处理过程，本发明实施例对此不做赘述。

图2所示为使用本方法和常规触发采样获取的空气中白光光谱图之间的直接比较。如图2(a)所示，三种不同采样方式得到的光谱图是相似的。图2(b)所示为在5200至5500cm-1的光谱范围内的水蒸气的吸收峰。三种不同采样方式得到的光谱图在吸收峰分布上是相似的，基于常规采样的光谱图显然是有噪声的，而本方法的光谱图可以很好地相互吻合，包括：峰值位置和峰值宽度。

图2(c)所示为三种不同采样方式得到的光谱图的噪声情况。以上所说的基于硬件采样的光谱图、基于软件1/2波长采样的光谱图和基于软件1/4波长采样的光谱图，它们的均方根(rms)值分别为：8.2×10^-3、4×10^-3和3.2×10^-3。

从上述结果可以看出，本方法得到的光谱图与常规的基于硬件采样的光谱图是相似的，且更加精准，这表明了本方法的可行性。通过上述数据可以看出，本方法的光谱图的信噪比(snr)可以比基于硬件采样的光谱图约高2.6倍。

此外，采用本方法当采样频率增加一倍时，其信噪比可以提高约1.3倍(可以通过均方根计算得到)。因此，本方法对于光程差非匀速变化的傅里叶光谱仪具有很大的潜力，是一种高效、准确的干涉图采样方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。