基于DSP的弹光调制干涉具干涉数据的实时处理系统

弹光调制干涉具中光程差的非线性带来了干涉信号的非均匀变化,在光谱复原过程中,如不对干涉数据修正直接采用快速傅里叶变换(FFT)复原光谱会导致光谱严重失真,难以满足实时处理要求。首先提出采用非均匀快速傅里叶变换算法(NUFFT)实现光谱复原,其次设计了一种基于高性能DSP芯片OMAP-L138的干涉数据处理系统,它将高速数据采集卡PCI-5122采集到的671.1 nm激光干涉数据进行存储并完成其实时光谱复原。研究结果表明:这套干涉数据实时处理系统操作简单,运行可靠。复原671.1 nm激光的波长误差小于1 nm,谱线位置误差小于0.1％,为后期采用高性能DSP的弹光调制傅里叶变换光谱仪提供了很好的前提基础。     

弹光调制非线性光程差干涉信号的快速反演

为了提高弹光调制中非线性光程差干涉信号的光谱反演效率,采用非均匀快速傅里叶变换算法对弹光调制相位非均匀采样干涉信号反演光谱进行了仿真,得到1024点反演速率较直接计算提高20倍,平均误差达到0.87%的结果。结果表明,该算法可实现弹光调制干涉信号的快速、高精度反演,给硬件实现弹光调制反演光谱提供了一定的参考依据。     

弹光调制干涉图的预处理及相位校正方法

弹光调制傅里叶变换干涉信号是高速、连续非线性变化。为了实现等时间采样干涉信号的准确光谱重建,有必要对弹光调制干涉信号的预处理技术和相位校正方法进行研究。为了从连续的干涉数据中获取一幅完整的干涉图,文中利用干涉图零光程差点的幅值最大特性,获取一幅完整的干涉图。同时,为了克服干涉图的非对称性,提出将改进的Mertz相位校正方法与非均匀快速傅里叶变换算法（NUFFT）相结合,提高重建光谱的速度和准确度。在实验中,通过仿真产生300 K红外黑体的非对称弹光调制干涉图,采用该数据处理方法提高了重建光谱的精度,并以大气窗口为被测对象,比较准确地重建了大气光谱曲线,实现了气体成分的定性分析。     

大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号光谱反演

为快速实现大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号的光谱反演,通过分析大摆角摆臂式干涉仪的工作过程和干涉信号的非线性对光谱反演的影响,提出了基于非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)的光谱反演方法。该方法先利用核函数和卷积算法让非线性干涉信号线性化,然后对线性化的干涉信号进行快速傅立叶变换实现光谱反演。实验将光程差替换法和NUFFT算法分别应用于非线性干涉信号的光谱反演。结果表明:两者光谱反演精度相近,但NUFFT算法速度更高。     

弹光调制器的频率漂移特性及其傅里叶变换光谱的稳定性研究

弹光调制器作为高Q值的谐振器件,在高压谐振下,其谐振频率将随着自身温度升高漂移,影响了弹光调制干涉仪的稳定性和重建光谱的准确性。在建立弹光调制器振动模型和频率温漂模型的基础上,提出了基于频率跟踪和幅值调节的弹光调制器双闭环自适应驱动控制方法。在该方法中,采用数字锁相技术的频率自扫描方法实现驱动频率对弹光调制器谐振频率的跟踪;基于检测参考激光干涉图的最大光程差的变化调节驱动信号的幅值,以实现重建光谱的稳定控制,同时基于参考激光的最大光程差参数实现重建光谱的定标。在实验中该驱动控制方法应用到弹光调制傅里叶变换光谱仪中,实现了驱动频率对弹光调制器谐振频率的实时跟踪和高压功放电路的幅值调节,使得干涉图的最大光程差稳定在0.236 nm左右,其精密度为3.3%;重建光谱的最大相对误差为2.5%。此实验验证了该方法能有效稳定弹光调制傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率。     

光纤傅里叶变换光谱技术中激光辅助干涉仪的研究

针对光纤傅里叶变换光谱仪（Fiber Fourier Transform Spectrometer, FFTS）中压电陶瓷非线性调制导致的复原光谱图畸变问题,设计了He-Ne激光辅助干涉仪,利用该干涉仪实现被测光的等光程间隔采样,以及为待测光源光谱定标提供依据。使用该干涉仪测量了632.8nm He-Ne激光光源的干涉信号,采用傅里叶变换算法计算了其光谱图,并与传统光栅光谱仪测量的光谱图进行了比较,分析了两者存在的差异及其原因,为FFTS的后续研制工作提供了有益参考。     

空间外差干涉图调制项误差分析与校正

空间外差光谱仪一体化制作过程的光学缺陷会导致光学仪器采集到的干涉图存在误差,将仪器的相位误差和非均匀误差共同作用下对干涉图产生的影响称为"调制项误差".结合空间外差干涉图与光谱之间的对应关系,基于傅里叶变换的卷积特性提出了一种干涉图调制项误差校正算法以达到同时修正干涉图相位误差和非均匀误差的目的,提高光谱反演精度.对比校正前后光谱与理论光谱之间的均方误差和信噪比来定量说明校正效果.通过数据对比发现,经校正后光谱的均方误差由1.17×10-2减少到8.86×10-5,光谱信噪比从10.36提高到30.11,体现了校正算法的有效性.     

双等效斜楔型静态傅里叶变换干涉具

为了在传统静态傅里叶变换干涉具原有尺寸的条件下提高光谱分辨率,通过双等效斜楔的设计来增加干涉具的有效光程差.在推导分析了传统静态傅里叶变换干涉具和双等效斜楔型静态傅里叶变换干涉具光程差函数的基础上,进一步推导出了切除干涉具边缘畸变干涉条纹长度的计算公式.经仿真计算得知,双等效斜楔型静态傅里叶变换干涉具光程差的理论最大值...     

弹光调制器压电晶体阻抗匹配特性的研究

根据弹光调制干涉具的工作原理,利用等效电路的方法,对压电晶体的阻抗特性进行了分析与计算,推导出了压电晶体与信号源间的理想匹配条件,得出了匹配网络中电感、电容的理论关系.根据理论关系,在信号源与压电晶体间作相应的阻抗匹配,搭建系统并进行相关实验验证.实验结果表明,通过该阻抗匹配网络,可使弹光调制干涉具的振动性能达到最佳,提高了驱动控制器的电品质因数,进而将弹光调制干涉具调制光程差提高了40％,达到了提高弹光调制傅里叶变换光谱仪光谱分辨率的目的.     

单边干涉数据光谱复原的关键问题分析

针对干涉式傅里叶变换光谱仪中干涉信号的单边过零采样和实时快速数据处理要求,该文对光谱复原中的实时数据处理关键问题进行分析。在实验中以迈克尔逊干涉仪为核心,以632.8nm的激光为参考光源,以3.5～5.0μm的大气窗口为被测对象,产生干涉图;通过HgCdTe点探测器对干涉图进行光电转换,获取干涉数据。基于Matlab软件对干涉数据进行预处理、最小采样数据点确定、切趾、相位校正、频谱标定等光谱复原中数据处理的关键技术和问题进行分析和仿真分析。实验表明,大气窗口的4 096点的干涉数据采用小双边干涉数据量为512点,所有干涉数据采用非对称三角切趾的Mertz法相位校正,傅里叶变换、线性标定后能快速复原目标光谱,且光谱分辨率达到4cm-1。     

分划板失调对猫眼光学系统反射特性的影响

为了研究猫眼光学系统中分划板失调对入射光束的反射特性影响,考虑光学元件的等效光阑作用,将失调光阑孔径函数展开为有限项复高斯函数之和,利用失调光学系统的广义衍射公式,推导出入射光束经含分划板失调猫眼光学系统的反射光束场分布的近似解析式,得到反射光束场分布与入射光束光学参量、分划板孔径尺寸和分划板失调量之间的关系,对特定猫眼光学系统定量分析了分划板失调对反射光束场分布的影响。结果表明,分划板失调对反射光束场分布产生影响,特别是对远场光场分布影响显著。     

基于FPGA马赫－泽德干涉仪的光谱数据采集系统

针对马赫-泽德(M-Z)干涉仪中干涉条纹采集和处理的要求,为了使其具有高速实时光谱数据处理能力,设计了一种通过FPGA硬件编程实现干涉条纹采集处理的方法.系统由CMOS探测器采集马赫-泽德干涉仪获取的干涉图像,再将干涉图像中的灰度信息输入到FPGA芯片中,通过去噪、切趾、快速傅里叶变换、标定等求解入射激光的光谱特征.系...     

电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪

为了研制小体积、低成本、高分辨率的微型傅里叶变换红外光谱仪,通过选择电热式微机电系统(MEMS)微镜作为迈克尔逊干涉仪动镜,在满足了傅里叶光谱仪小型化、便携化的同时,利用折叠双S型Bimorph驱动结构来实现双倍位移量以确保较高分辨率,并将分束器外置来进行不同波段的灵活选择,进而实现全光谱范围的应用。以1 310 nm激光作为参考光光源,钨灯宽带光作为待测光源信号,通过信号采集、滤波、插值、光谱恢复步骤完成原始信号采集到光谱信号复原的过程。测试结果表明:电热式微镜的位移量可达到500 m,光谱理论分辨率1 nm,光谱仪整机尺寸小至62 mm62 mm28 mm。测试基线噪声为0.000 04,基线重复性为0.000 32,吸光度重复性为0.000 48。性能指标能满足食品安全、药品检测、石油化工等领域的光谱检测应用。     

基于NUFFT的多光谱数据同步采集与处理系统设计

为了可以同时获取多谱段光谱信息，并且多测试数据同步处理，设计了一种基于现场可编程门阵列+数据信号处理器的同步采集与处理系统。采用非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)算法对包含目标信息的谱段采样进行了针对多谱段数据非均匀采样的理论分析和实验验证。针对632nm，880nm和980nm 3种不同激光波长同时实验测试，分别采用本系统与传统光谱分析算法进行了对比。结果表明，本系统在3个波长峰值位置上的信噪比分别是31.6dBm, 36.3dBm和32.5dBm，而传统光谱仪的信噪比仅为20.1dBm, 25.4dBm和23.7dBm，采用本系统硬件设计配合NUFFT算法可以有效增强多谱段光谱信息获取过程中的信噪比。本系统的处理速度更快，在多光谱快速处理方面具有一定的应用价值。     

激光干涉测速中的小波快速算法研究

为了提高小波变换在激光干涉测速中的计算速度,分析了小波变换的计算过程,提出了两种快速算法,通过分析对比,选择了一种适合于全光纤位移干涉信号的算法,在相同条件下,对同一信号分别采用常规小波变换和使用快速傅里叶变换的快速方法进行处理。结果表明,采用快速算法的小波变换对信号的处理能力并没有下降,且提高了小波变换的运算效率。这种快速算法用于瞬态位移干涉仪信号处理是行之有效的,可以提高数据处理的速度,有利于小波变换在工程中的应用。     

基于等效时钟法的干涉仪速度信息获取研究北大核心CSCD

为了提升傅里叶变换光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)的性能,设计了一种基于等效时钟法的高精度速度信息获取系统。激光信号经过干涉仪形成干涉信号,通过放大、滤波、整形,成为数字电路识别的脉冲信号。基于速度信息获取的数学原理,对基于T法测量获取速度信息的方法进行了误差分析,并提出基于等效时钟法的速度信息获取方法。现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)读取脉冲信号后,根据等效时钟法计算光程差速度值。仿真分析与实验结果表明,当He-Ne激光干涉信号频率为9kHz时,基于等效时钟法的速度信息获取误差仅为0.01%,实现了高精度的光程差速度信息获取。对提高干涉仪系统的控制精度和光谱仪的信噪比具有重要意义。     

基于全相位FFT的三相伏安相位检测算法

该文主要阐述了一种利用全相位FFT变换、快速浮点数除法、非均匀量化查表的方法。来完成三相电伏安相位测量算法的设计。全相位FFT的算法是先对数据进行全相位预处理,然后进行传统的确FFT运算。此算法具有初始相位不变和有效防止频谱泄露的特性,很好地解决非同步采样的频谱校正问题。