DFDI仪器干涉光谱的白光干扰去除方法与流程

技术领域：

本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种dfdi仪器干涉光谱的白光干扰去除方法。

背景技术：
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视向速度法是发现系外行星的最重要方法之一，是利用因行星对主恒星牵引产生的光谱多普勒周期性移动，来测量恒星视向速度的变化，从而间接推测行星的存在。当恒星的视向速度成正弦规律变化时，说明它周围至少存在一颗行星。

色散固定光程差干涉仪(dispersedfixed-delayinterferometer，以下简称为dfdi)是一种新型的视向速度法实现技术，主要由固定延迟干涉仪和中低分辨率后色散器件组成。dfdi仪器有效结合了干涉仪和光谱仪的优点，可用中低分辨率色散器件来实现与高精度阶梯光栅等同的探测精度，大幅减小仪器体积的同时，有效降低了仪器对环境影响的敏感度，且具有优良的性价比，是传统视向速度实现技术的有力补充。

dfdi仪器是通过探测所观测恒星吸收线对应干涉条纹的相位变化，来测量观测恒星视向速度的变化，进而探测观测恒星周围存在的行星。而根据dfdi仪器的工作原理可知，恒星光谱经过dfdi仪器所获取的二维干涉光谱是由两部分组成：一是白光(均匀连续光)导致的干涉条纹和恒星光谱吸收线导致的摩尔条纹。

然而，测量恒星视向速度所需的相位信息存在于恒星光谱吸收线导致的摩尔条纹中，而白光导致的干涉条纹将对相位信息产生干扰，使得从dfdi仪器获取的二维干涉光谱中解析得出的相位不准确，进而导致测量的恒星视向速度不准确。而dfdi仪器的固定光程差不同，白光导致的干涉条纹对相位信息的干扰也不同。因此白光干扰是dfdi仪器准确测量恒星视向速度的障碍。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种dfdi仪器干涉光谱的白光干扰去除方法，其克服了现有技术中白光干扰影响dfdi仪器准确测量恒星视向速度的问题，其能够准确解析干涉条纹的相位信息，并能够准确测量所观测恒星的视向速度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种dfdi仪器干涉光谱的白光干扰去除方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据dfdi仪器设计中所采用的探测器和仪器接收的光谱波数范围δk，确定在波数方向上离散采样点总数n和探测器沿色散方向的采样率kint＝δk/n；

步骤2：根据以下公式确定dfdi仪器中固定延迟干涉仪模块的光程差d，选取最大值1/2kint；

步骤3：对dfdi仪器获取的二维干涉光谱，沿波数方向进行傅里叶变换，将干涉信息转换到频域空间；

步骤4：在频域空间，通过利用带通或高通滤波，滤除白光导致的干涉条纹信息s1的±d频率项；

步骤5：对经过滤波后的干涉光谱频域信息，再进行傅里叶逆变换，获得由恒星吸收线导致的摩尔条纹s2，完成含有准确相位信息的干涉条纹的提取。

对dfdi仪器获取的二维干涉光谱s，沿波数方向进行傅里叶变换，转换为频域信息f[s]＝f[s1]+f[s2]。

在频域空间，通过利用带通或高通滤波，滤除白光导致的干涉条纹信息s1的±d频率项，获得f’[s]＝f[s2]。

对f’[s]再进行傅里叶逆变换，提取含有准确相位信息的摩尔条纹s2的提取，去除白光对相位信息的干扰。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

1、本发明中根据dfdi仪器工作原理，定量描述和分析了dfdi仪器获取的二维干涉光谱中有效信息(吸收线导致的摩尔条纹所携带的有效相位信息)和干扰信息(白光干扰导致的干涉条纹所携带的干扰相位信息)的分布特征，并基于该两种信息分布特征的差异，通过适当的频域滤波，有效消除白光导致的干涉条纹，提取恒星光谱吸收线导致的摩尔条纹，从而能够准确解析干涉条纹的相位信息，并能够准确测量所观测恒星的视向速度。

2、本发明提供的从dfdi仪器干涉光谱中去除白光干扰的方法通过选取合理的仪器参数，从仪器设计阶段开始严格控制相关白光干扰的分布特征，进而后续得到二维干涉光谱后，通过适当频域滤波有效消除白光干扰。

附图说明：

图1为本发明的程序流程图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明为一种基于dfdi仪器的工作原理，从dfdi仪器获取的二维干涉光谱中去除白光干扰的方法。

根据dfdi仪器的工作原理，所观测恒星光谱进入dfdi仪器后，先经过固定延迟干涉仪加载干涉信息，再进入光谱仪进行后色散，最终探测器获取的是恒星二维干涉光谱，其中一维表示波长色散方向，另一维表示随光程差变化的干涉条纹方向。

如果用p(k)表示恒星光谱(k表示波数)，则根据干涉原理，其经过固定延迟干涉仪后在狭缝处形成复色谱干涉条纹，之后复色谱干涉条纹再经过光谱仪后色散，最终在探测器形成恒星二维干涉光谱scod(k)，即dfdi获取的恒星干涉光谱scod(k)相当于复色谱干涉条纹衍色后的理想干涉条纹iideal(k)和光谱仪调制函数lsf(k)的卷积，如公式(1)、(2)所示，其中k1和k2表示进入系统的恒星光谱所覆盖的波数范围，d表示固定光程差。

而恒星光谱中的吸收线可用高斯分布来近似表示，即p(k)可用公式(3)表示。其中，a表示吸收线的吸收强度，ka表示吸收线中心波数为ka＝1/λa(λa为中心波长)，δka表示吸收线波数半高宽为(δλa为波长半高宽)。

光谱仪调制函数lsf(k)也可用高斯分布来简化地表示由衍色和像差导致的艾里斑的中心光斑，即可用公式(4)表示，其中δk0(δλ0)是影响艾里斑大小的关键因素，由光栅分辨率gr决定，如公式(5)所示。

将结合公式(2)、公式(3)和公式(4)，可得恒星干涉光谱scod(k)为：

s(k)＝s1+s2(6)

即恒星干涉光谱scod(k)由均匀连续光的干涉条纹s1和吸收线导致的摩尔条纹s2两部分组成。而吸收线信息都包含在s2，与s1无关。且s1对多普勒偏移前后的相位差产生干扰，使得固定光程差较小时反演的视向速度精度往往很低，且随着光程差变大，反演精度也有较大的波动。

根据公式(7)、(8)可知，s1和s2的相位分别如公式(9)和(10)所示。

φs1＝2πdk(9)

dfdi仪器获取的干涉光谱是二维的，其中一维是沿着光程差d变化，另一维是沿着波数k变化。对某一波数k，在条纹方向(光程差d为变量)上二者的频率不同，s1的频率是k，s2的频率是同时，对于某一光程差d，在波数方向(波数k为变量)上二者的频率也不同，s1的频率是d，s2的频率是即s2的频率低于s1的频率。设吸收线中心波长λa为800nm、半高宽δλa为0.02nm，光栅分辨率gr为15000，则可计算出在波数方向上，s2的频率仅是s1频率的12.3％左右。因此，在波数方向上，可通过高通/带通滤波器将白光导致的干涉条纹s1滤掉，从而提取恒星吸收线导致的摩尔条纹s2。

本发明中拟采用傅里叶变换将信号转换为频域。在波数方向上变量是波数k，如果在δk范围内进行傅里叶变换，则频域分辨率为1/δk，这里δk如公式(11)所示，其中kint表示探测器沿色散方向上采样率，n表示在波束方向上δk范围内离散采样点总数。

δk＝kint×n(11)

s1中cos函数可扩展为指数函数的组合，即s1既包含+d频率项、又包含-d频率项。为了充分滤除s1的±d频率项，频率d应选取为频域分辨率1/δk的整数倍。根据傅里叶变换的周期性，变换后最高频率为即频率d应选取如公式(12)所示的值。即为了从dfdi仪器获取的二维干涉光谱中完全去除白光导致的干涉条纹信息，光程差d应根据公式(12)选取，光程差d与探测器沿色散方向的采样率kint紧密相关。

综合上述过程，本发明提供的针对dfdi仪器干涉光谱的白光干扰去除方法具体步骤如下：

步骤1：根据dfdi仪器设计中所采用的探测器和仪器接收的光谱波数范围δk，确定在波数方向上离散采样点总数n(探测器在波数方向上像元数量)和探测器沿色散方向的采样率kint＝δk/n。

步骤2：根据公式(12)确定dfdi仪器中固定延迟干涉仪模块的光程差d，一般选取最大值1/2kint。

步骤3：对dfdi仪器获取的二维干涉光谱，沿波数方向进行傅里叶变换，将干涉信息转换到频域空间。

步骤4：在频域空间，通过利用带通或高通滤波，滤除白光导致的干涉条纹信息s1的±d频率项。

步骤5：对经过滤波后的干涉光谱频域信息，再进行傅里叶逆变换，此时获得的是由恒星吸收线导致的摩尔条纹s2，即完成了含有准确相位信息的干涉条纹的提取。

实施例：

假设dfdi仪器接收的光谱波数范围δk，所采用的探测器在波数方向上像元数量为n。

1)确定在波数方向上离散采样点总数为n，探测器沿色散方向的采样率为kint＝δk/n。

2)根据公式(12)确定dfdi仪器中固定延迟干涉仪模块的光程差d，选取d可取的最大值1/2kint。

3)对dfdi仪器获取的二维干涉光谱s，沿波数方向进行傅里叶变换，转换为频域信息f[s]＝f[s1]+f[s2]。

4)在频域空间，通过利用带通或高通滤波，滤除白光导致的干涉条纹信息s1的±d频率项，获得f’[s]＝f[s2]。

5)对f’[s]再进行傅里叶逆变换，提取含有准确相位信息的摩尔条纹s2的提取，从而去除了白光对相位信息的干扰。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。