本發(fā)明涉及彈光調(diào)制傅里葉變換光譜技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種彈光調(diào)制傅里葉變換光譜的定標(biāo)方法，該光譜的定標(biāo)方法涉及到彈光調(diào)制干涉圖的最大光程差與折射率、波長的關(guān)系；傅里葉變換后的各個離散頻率值以最大光程差參數(shù)獲取，以參考光進(jìn)行定標(biāo)需要進(jìn)行折射率補償?shù)膯栴}；以及基于折射率的頻率補償方法。

背景技術(shù)：

以彈光調(diào)制器作為干涉儀的彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀具有測量速度快、光譜范圍寬、抗震性能好等優(yōu)點，在瞬態(tài)光譜探測領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。彈光調(diào)制器作為彈光調(diào)制干涉儀的主要部件，是由彈光晶體和壓電石英晶體組成。其中，彈光晶體作為通光晶體，其基于彈光效應(yīng)實現(xiàn)光束的調(diào)節(jié)，產(chǎn)生干涉圖。

為了基于彈光調(diào)制干涉圖，重建入射信號的光譜信息，需要檢測干涉圖的最大光程差參數(shù)。在常用的時間調(diào)制型傅里葉變換光譜儀中，普遍采用參考激光測量干涉圖的最大光程差。在傅里葉變換中，傅里葉變換的頻率分辨率用頻率采樣間隔δf描述，表示譜分析中能夠分辨的兩個頻譜分量的最小間隔，而此間隔與連續(xù)信號在時域的持續(xù)時間t成反比。連續(xù)信號在時域的持續(xù)時間反映在干涉圖中，則是干涉圖的最大光程差。彈光調(diào)制器的彈光晶體的折射率不是恒定值，它是與入射光的波長、溫度有關(guān)的變量。這就使得在相同的應(yīng)變條件下，針對不同的入射光信號，彈光調(diào)制器產(chǎn)生的相位延遲量是不同的。

通常是用808nm的激光作為參考光源，測量彈光調(diào)制干涉圖的最大光程差，并基于此參數(shù)，設(shè)定頻域的離散間隔頻率點將帶來頻譜標(biāo)定誤差。為了準(zhǔn)確的重建彈光調(diào)制干涉圖的光譜圖，實現(xiàn)頻率坐標(biāo)的準(zhǔn)確標(biāo)定，有必要對彈光調(diào)制光譜圖的定標(biāo)方法進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本發(fā)明提供一種彈光調(diào)制傅里葉變換光譜的定標(biāo)方法，該方法可實現(xiàn)基于彈光調(diào)制器的傅里葉變換干涉圖的光譜重建和頻譜準(zhǔn)確定標(biāo)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種彈光調(diào)制傅里葉變換光譜的定標(biāo)方法，按照以下步驟進(jìn)行：

步驟一：采用單色激光為光源，彈光調(diào)制器為通光晶體，使用下述公式來計算彈光調(diào)制干涉圖的最大光程差，

上式中，d為彈光調(diào)制器通光方向的厚度，λ為入射光的波長，nr0(λ)為晶體在該波長下的折射率，δ0為最大調(diào)制應(yīng)力，π12,π11為不同通光方向的應(yīng)力彈光系數(shù)張量；

步驟二：以上述得到的最大光程差為參數(shù)，獲得離散傅里葉變換光譜橫坐標(biāo)的標(biāo)定參數(shù)；

步驟三：離散傅里葉變換光譜橫坐標(biāo)的各個頻率點，是以該離散頻率點的靜態(tài)折射率對離散傅里葉變換光譜橫坐標(biāo)的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行校正獲取。

步驟四：基于校正的頻率點坐標(biāo)，實現(xiàn)重建光譜的頻譜定標(biāo)。

所述步驟二中，在離散傅里葉變換中，所計算的各個頻率值為：

上式中，n為離散的頻率點，k為離散傅里葉變換的點數(shù)，f(n)為離散的頻率值。

所述步驟三中，基于折射率的誤差，離散傅里葉變換后各個離散頻率值的校正公式為：

上式中，nr0＝2.5242，該值是在23℃的環(huán)境下，znse晶體在808nm波長時的折射率，fc(n)為校正后的離散頻率值；n(n)為校正后第n個離散頻率點的折射率。

在公式中，n0(n)、fc(n)均為未知量，在校正過程中，采用f(n)代替fc(n)，通過以下公式計算fc(n)所對應(yīng)的折射率：

在折射率校正后，再以不同波長的單色光為信號源，對算法中引入的誤差進(jìn)行二次校正，修正折射率參數(shù)。

所述彈光調(diào)制器由壓電晶體和znse晶體組成，znse晶體作為通光元件，為橫向彈光效應(yīng)。

所述單色激光采用808nm波長的窄帶激光器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：

本發(fā)明基于彈光晶體的靜態(tài)折射率是波長函數(shù)，以及以參考激光測量的最大光程差，實現(xiàn)離散傅里葉變換的頻率點的橫坐標(biāo)定標(biāo)。利用該方法，可實現(xiàn)彈光調(diào)制干涉圖在非均勻快速傅里葉變換后，進(jìn)行頻率定標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多個窄帶激光復(fù)合的彈光調(diào)制干涉圖；

圖2znse晶體在不同波長下的折射率圖；

圖3為本發(fā)明的以參考激光標(biāo)定的重建光譜圖；

圖4為本發(fā)明的折射率校正后的定標(biāo)光譜圖；

圖5為本發(fā)明的校正后的頻率值與真值的比較圖；

圖6為本發(fā)明的誤差補償后的定標(biāo)光譜圖。

具體實施方式：

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的彈光調(diào)制器是由壓電晶體和znse晶體組成的，znse晶體作為通光元件，其為橫向彈光效應(yīng)。在應(yīng)力驅(qū)動下，彈光晶體產(chǎn)生雙折射效應(yīng)，其折射率差是與受到的應(yīng)力、靜態(tài)折射率n0、應(yīng)力彈光系數(shù)張量有關(guān)。而在晶體材料確定后，應(yīng)力彈光系數(shù)張量是固定參數(shù)。

本發(fā)明的彈光調(diào)制干涉圖的最大光程差是由808nm的激光干涉圖測量的，并應(yīng)用測量的最大光程差作為離散傅里葉變換光譜橫坐標(biāo)的標(biāo)定參數(shù)。

本發(fā)明的離散傅里葉變換的橫坐標(biāo)各個頻率點，應(yīng)以該頻率的靜態(tài)折射率差為參數(shù)，測量最大光程差，而不是以808nm的參考波長的靜態(tài)折射率，計算最大光程差。因此，需要對影響最大光程差參數(shù)的靜態(tài)折射率進(jìn)行校正。

本發(fā)明的各離散頻率點校正公式為：

式中，nr＝2.5242，是在23℃環(huán)境下，znse晶體在808nm波長時的折射率；n0(n)為各離散頻率點的靜態(tài)折射率。

在上式中，n0(n)、fc(n)均為未知量，在校正過程中，采用f(n)代替fc(n)，計算fc(n)所對應(yīng)的折射率。折射率與頻率的關(guān)系為：

校正后，再通過實驗進(jìn)行誤差校正。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、特點更加突出，下面將結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施進(jìn)行闡述。

在彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀中，彈光調(diào)制器作為其靜態(tài)干涉儀，當(dāng)輻射光源經(jīng)起偏器，產(chǎn)生兩束o光和e光，這兩束光在通過調(diào)制器時，產(chǎn)生相位延遲、實現(xiàn)雙光束干涉，產(chǎn)生彈光調(diào)制干涉圖。

彈光調(diào)制器是產(chǎn)生干涉圖的關(guān)鍵器件，對其特性的分析有助于理解彈光調(diào)制干涉圖。

彈光調(diào)制器是由彈光晶體znse和石英晶體構(gòu)成的諧振器件。其工作原理是：壓電晶體在外界電信號的作用下，基于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變引起彈光晶體的逆介電張量ηij的微變化。

znse晶體屬于立方晶系晶類，對于所設(shè)計的彈光調(diào)制器而言，其受到的機械應(yīng)力為單一方向，且晶體處于自由伸縮振動模式，晶體邊緣處不存在物理限制，因此該彈光晶體的應(yīng)力彈光系數(shù)張量只有π11π12π13π44，其中，

硒化鋅晶體的應(yīng)力彈光系數(shù)矩陣可寫為：

假定對硒化鋅晶體沿x1軸方向產(chǎn)生應(yīng)變σ1，介電隔離率張量與應(yīng)力張量的關(guān)系為：

δβm＝βm-β⁰m＝πmnσn,(m,n＝1,2,…,6)(2)

由式(1)和(2)，可以得：

由于硒化鋅晶體屬于晶類，即為立方晶體，故將式(3)帶入折射率橢球方程有：

該式表明，晶體折射率橢球由原先的球體變?yōu)槿S橢球體，亦即晶體由光學(xué)各向同性體變成了雙軸晶，但三個主軸方向沒有改變。

利用式(4)可以解得三個主折射率分別為

如果沿x1軸方向通光(縱向效應(yīng))，則相位差為

其中，d為晶體通光方向的厚度，λ為入射光的波長；

如果沿x2和x3軸方向通光(橫向效應(yīng))，相位差分別為

對于均質(zhì)材料硒化鋅有π12＝π13，因而其不存在縱向彈光效應(yīng)。

在本方案中，選用x3軸方向通光，最終的折射率差以及位相差為：

對于正八角形彈光晶體結(jié)構(gòu)，其諧振模態(tài)為二維面內(nèi)振動，其應(yīng)變是一維振動的兩倍，因而折射率差以及位相差是一維情況的兩倍，即：

(10)、(11)給出折射率差以及位相差與應(yīng)力的關(guān)系。

從式(10)可知，彈光調(diào)制器的折射率差是與受到的應(yīng)力、折射率n0、應(yīng)力彈光系數(shù)張量是有關(guān)的。

同時，晶體的折射率是波長的函數(shù)n0(λ)，對于不同波長的入射光，其折射率是不相同的；而在晶體材料已定后，應(yīng)力彈光系數(shù)張量是固定的參數(shù)。

對于一維的彈光調(diào)制器，其應(yīng)力分布為：

δ(x,t)＝δ0cos(πx/l)sin(ωt-ψ)(12)

其中，δ0是最大調(diào)制應(yīng)力，t是時間，ψ是初相位，l是彈光晶體的長度，空間變量x的范圍從0到l。

在彈光晶體的中心點，產(chǎn)生的應(yīng)變最小、應(yīng)力最大。設(shè)初相位為零，則有：

δ(t)＝δ0sin(ωt)

將上式代入(10)、(11)，同時考慮折射率是波長的函數(shù)，則有：

從相位延遲公式(11)中可以看出，在彈光晶體的厚度一定時，彈光調(diào)制器的瞬態(tài)雙折射率差δn越大的，相位延遲量是越大。產(chǎn)生干涉圖的最大光程差也越大，以致于重建光譜的光譜分辨率得到提高。

單色光經(jīng)彈光調(diào)制干涉儀調(diào)制后，產(chǎn)生的干涉圖可用如下公式表示為：

當(dāng)入射光為復(fù)色光時，經(jīng)彈光調(diào)制干涉儀，產(chǎn)生干涉圖可表示為：

由公式(16)可知，假設(shè)折射率為定值，則干涉圖僅與入射光信號、驅(qū)動應(yīng)力信號有關(guān)。

以808nm(波數(shù)12376)的激光為參考，將波數(shù)為2020、3000、5000、8000、15000的六種窄帶光進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生的干涉圖如圖1。

為了由干涉圖重建輻射源的光譜圖，需采用離散傅里葉逆變換算法實現(xiàn)。

在傅里葉變換中，傅里葉變換的頻率分辨率用頻率采樣間隔δf描述，表示譜分析中能夠分辨的兩個頻譜分量的最小間隔，而此間隔與連續(xù)信號的在時域的持續(xù)時間t成反比。連續(xù)信號在時域的持續(xù)時間反映在干涉圖中，則是干涉圖的最大光程差。

為了實現(xiàn)橫坐標(biāo)的頻率標(biāo)定，則需要測量干涉圖的最大光程差。

在本發(fā)明所述的光譜定標(biāo)方法中，采用波長為808nm的窄帶激光器作為參考光源，測量干涉圖的瞬態(tài)最大光程差。

彈光調(diào)制干涉圖的瞬態(tài)光程差為：

式中d為晶體通光方向的厚度，λ為入射光的波長；n0(λ)為晶體在該波長的折射率；δ0是最大調(diào)制應(yīng)力；π12,π11不同通光方向的應(yīng)力彈光系數(shù)張量。

彈光調(diào)制干涉圖的最大光程差為：

公式中nr0(λ)為參考激光在該晶體中的折射率。

在傅里葉變換頻譜中，其頻率分辨率為：

在離散傅里葉變換中，各頻率點的指標(biāo)為：

公式中，n為離散的頻率點，k為離散傅里葉變換的點數(shù)，f(n)為離散的頻率值。

由公式(20)可知，在驅(qū)動電壓、晶體尺寸一定條件下，各頻率點的坐標(biāo)是與不同波長(波數(shù))下折射率的三次方是相關(guān)的。而且晶體在不同波長下的折射率是一個變量，如圖2所示。

在彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀中，采用波長為808nm的激光測量最大光程差，并實現(xiàn)頻譜定標(biāo)。圖3是以808nm的激光定標(biāo)的光譜圖。因在此定標(biāo)中引入了折射率誤差，所以重建的光譜圖波數(shù)是錯誤的。

為了克服折射率引入的橫坐標(biāo)誤差，需利用各頻率點的折射率參數(shù)進(jìn)行校正。

znse晶體作為通光晶體，其光譜窗口為0.54～18.2μm(波數(shù)為549.45～18518),折射率與波長的關(guān)系為：

式中，α1＝4.45813734，α2＝0.467216334，α3＝2.89566290，β1＝0.200859853，β2＝0.391371166，β3＝47.1362108

轉(zhuǎn)換為折射率與波數(shù)的關(guān)系為：

式中，k＝10000。根據(jù)公式(22),可計算出不同波數(shù)下的折射率。

由公式(12)可知，離散傅里葉變換的各個頻率坐標(biāo)是與折射率的三次方成反比，為了消除由參考激光折射率引入的誤差，可采用公式(24)進(jìn)行校正。

式中，nr0＝2.5242，是在23℃環(huán)境下，znse晶體在808nm波長時的折射率；fc(n)為校正后的離散頻率值；n(n)為校正后第n個離散頻率點的折射率。

在公式(24)中，n(n)、fc(n)均為未知量，鑒于折射率是緩變的過程，在校正過程中，采用f(n)，利用公式(23)計算其對應(yīng)的折射率。代替公式中的校正點的折射率n(n)。

基于公式(24)的校正方法，得到校正后的光譜圖，如圖4所示。因存在兩個未知數(shù)，會引入一些定標(biāo)的誤差，如圖5所示。在近紅外波段，校正后的誤差是比較小的，滿足彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀的指標(biāo)要求；而在可見光波段誤差比較大。需要進(jìn)行二次校正。

二次校正，采用實驗校正的方法，對折射率進(jìn)行修正，使得整個工作波段滿足要求，如圖6所示。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，并不僅限于本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的實施原理的前提下，做出的改進(jìn)、潤色，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。