（凝聚态物理专业论文）便携式傅立叶变换光谱技术的研究.pdf

abs t ract abs tract t h e c o n c e p t , d e v e lo p m e n t , m o s tly fo r ms , a n d r e s e a rc h a c t u a lity o f f o u r ie r t r a n s fo r m s p e c tr o s c o p y ( f t s ) i s in tr o d u c e d . a c c o r d in g to t h e in tr o d u c t io n , a n e w ty p e o f th e p o r ta b le f t s b a s e d o n t h e e m b e d d e d s y s te m is p ro v id e d . t h e sy st e m s t r u c tu r e , h a rd w a r e a n d s o ftw a re a n d d if fic u lt ie s in th e d e s ig n o f f t s a r e d e s c r ib e d in d e ta i le d . t h is p a p e r m a in l y e x p o u n d e d th e r q “祥 厂月 2 9日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 王 住 a -19年r 月 了 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年，可少于5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0年，可少于2 0年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外， 本学位论文的 研究成果不包含 任何他人创作的、己 公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。对本论文所涉 及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己在文中以明 确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 王 压 a o e 1 年了 月2 日 第一章 绪论 第一章绪论 第一节 傅立叶变换光谱仪的介绍 1 . 1 . 1 傅立叶变换光谱仪的介绍和发展背景 傅立叶变换光谱是对测量的干涉图进行傅立叶变换，而得到光谱图的方法。 与传统的棱镜和光栅色散型光谱仪不同，傅立叶变换光谱仪是一种调制光谱仪， 它是对入射光强进行频率调制后，由一个探测器同时接收多个不同频率信号， 再通过傅立叶变换得到所有频率光谱信息的仪器。傅立叶变换光谱方法是分析 物质原子和分子吸收、发 射光谱的有效手段m。 1 8 9 1年，美国物理学家迈克尔逊发明了可以方便、精确地改变和控制双光 束光程差的迈克尔逊干涉仪 ( m i c h e l s o n i n t e r f e r o m e t e r ) ，并认识到从干涉图可以 导出 某些光谱信息12 1 1 8 9 7年， r a y l e i g h提出 可以 通过对干涉谱进行傅立叶积分变换的方法将干 涉仪产生的干涉条纹 ( 即 干 涉图 ( i n t e r f e r o g r a m) 与通过干涉仪的 辐射光谱联 系 起来13 1 1 9 1 1 年， r u b e n s 和w o o d 利用双光束干涉仪首次实现了 对干涉图的准确实 验测量 14 1 1 9 4 9 年， f e l l g e tt 最先 对实 验干涉图 进行 傅立叶 积分变 换 数 值 计算获 得光 谱 图，并且指出采用傅立叶变换方法测量光谱的优点:同时接收和测量来自 光源 所有光频率的光谱信息;在探测器噪声限下，相同的测量时间内可以获得比色 散型光谱仪高得多的信噪比。傅立叶变换光谱仪的这个优点被称之为傅立叶变 换 光 谱 仪 多 重 传 输的 优 点 ， 即f e llg e tt 优 点 15 1 五十年代初， j a c q u i n o t 认识到了高通量优点:与传统色散型光谱仪相比， 傅立叶变换光谱仪还以其波数的高精确度、杂散光影响小、高分辨本领、测量 光谱范围宽、数字化、测量速度快、结构紧凑等众多优点引起科学界的普遍关 注。 1 9 5 7 年， 在法国c .n .r .s .b e l l e v u e 举行的国际光谱学会议上， 傅立叶变换光 第一章 绪论 谱学引起人们的广泛兴趣， 激起了各国科学界的强烈反响。这是傅立叶变换光 谱技术发展史上的重要的里程碑，它掀起了对傅立叶变换光谱学的研究的第一 次高潮， 傅 立叶 变换 光 谱学的 研究得到了 迅 速发展16 1 随 着c o o l e y - t u k e y 快 速傅立叶 变换 ( f f t ) 算法的 发 现和推 广以 及计算机 运算 速度的大幅度提高，傅立叶变换光谱技术的数据处理变得极为方便，测量速度 大为提高 i71 七十年代初期红外波段的傅立叶变换光谱仪产品开始出现。干涉图快速扫 描技术、非对称或色散傅立叶变换光谱学方法、双光路技术、偏振干涉光谱学 方法、相位调制和亚毫米波片状光栅傅立叶变换光谱仪等方面发展日趋成熟。 近年来，随着用于实验研究的高分辨率扫描傅立叶变换光谱仪研究的不断深入， 以c c d等阵列器件作为 探测器，新型的 傅立叶变换成像光谱仪( f t i s ) ，又称为 干涉成像光谱仪( m i l ) 也得到了发展。 八十年代，遥感仪器最重要的发展之一就是成像光谱技术的兴起。它集中 了光学、光电子学、电 子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，将成 像技术与色散仪的技术结合，在用成像系统获得被测物的空间信息的同时，通 过光谱仪系统把被测物的辐射分解成不同波长的谱辐射，通过对光谱特征的分 析，实现探测功能i8 1 目前，傅立叶变换光谱技术已成为近红外、中红外、远红外以及亚毫米波 段最有力、最通用的光谱测量方法。随着傅立叶变换光谱仪的改善，新的仪器 和计算机技术的迅速进步， 在中远红外光谱区，除发射和吸收光谱测量外，衰 减全反射、漫反射、反射吸收测量、显微样品测量、光声光热光谱、时间分辨、 低温基体隔离法、气相色谱和液相色谱傅立叶变换等技术已 广泛应用。在紫外 可见近红外光谱区，原子发射光谱和傅立叶变换拉曼光谱己经成为热门研究课 题。而伴随着计算机技术的进步，条纹消除和吸收差减技术己经应用在傅立叶 变换光谱分析中。傅立叶变换光谱技术，己 广泛应用于物理、化学、生物、医 学等学科的基础研究与检测、天文观测、工业生产过程监测、大气污染状况的 监测、核同位素分析和受控热核反应温度测量等各方面，并不断向更短波长扩 展(9。 第一章 绪论 1 . 1 .2 傅立叶变换光谱仪的主要实现形式及特点 从实现的方式上划分，傅立叶变换光谱仪可以分为时间调制型和空间调制 型两大类。 1 . 1 .2 . 1 时间调制傅立叶变换光谱仪 时间调制傅立叶变换光谱仪的原理如图1 . 1 所示， 它是利用迈克尔逊干涉仪 ( 或是它改变后的形式)对入射光进行干涉和调制，并用探测器把干涉信号转 换为电信号，电信号经 a / d转换和数字信号处理实现傅立叶变换，便形成所要 的光谱数据。其中对光的调制是靠对平面镜 ( 动镜)的一维平移 ( 或其它运动， 如转动等)来实现的。也就是说，光的调制是靠镜面的机械扫描运动来实现的， 这就决定了这种仪器的扫描速度不可能很高，同时它对机械扫描系统的加工、 装配等的精度提出了非常高的要求。时间调制傅立叶变换光谱仪中的光学元器 件少，在机械扫描系统的功能和可靠性得到保障的前提下，整机的可靠性非常 高。但是要想达到比较高的光谱分辨率，动镜的移动量要求很大，因此会使系 统比较复杂而庞大。 光源 图1 1 时间调制傅立叶变换光谱仪的原理图 时间调制的机械扫描过程可分为慢扫描方式和快扫描方式。地面和实验室 ( 分析)光谱仪器，一般都采用慢扫描方式。这种方式的优点是采样、控制等 的精度比较高，而且在使用内调制时，可以比较好地抑制噪声。 第一章 绪论 时间调制傅立叶变换光谱仪的优点在于:理论上可以达到任意的光谱分辨 率 ( 入射光能量足够强)、测量的光谱范围也非常宽，而且由于仪器只依赖于 运动扫描系统，相对于利用色散扫描的光谱仪来说，其结构要简单得多。但这 种仪器要求机械扫描运动非常精确，另外还需要一套触发采样的位置定标干涉 系统。这样，仪器的成本将非常高。同时，如果被测目 标的光谱在机械扫描过 程中发生变化，这种仪器的响应将会不正确。 1 . 1 .2 .2 空间 调制傅立叶变 换光谱仪 空间调制傅立叶变换光谱仪的原理与图1 . 1 所示的结构 ( 分振幅干涉方式) 相似，只是把其中一片镜面稍稍倾斜放置，通过使从两块平面镜反射回来的光 波波面之间存在一个比较小的夹角，实现对入射光的干涉调制。当然，也可以 采用图1 .2 所示的 三角 形s a g n a e 结 构( 分波前 干涉方 式) 。 第 三种方式 就是 使用 偏振光的干涉来实现对光的空间调制。对于可见光，可以利用晶体的双折射特 性使两条光路的一定量的光程差， 也可以利用偏振分光器( p b s ) 来分光和合光， 然后用机械扫描来实现一定的光程差。而对于红外光谱，则没有相应的双折射 晶体材料，也没有可见光上常用的 p b s 。为了实现偏振分光，可以利用金属线 格作 为 红 外 的p b s ， 也 就是 文 献 上 常见 的 所 谓m a r tin - p u p le tt 干 涉 仪 i a l 空间调制傅立叶变换光谱仪中的探测器不仅要响应入射光的强度，而且要 能响应其频率，因此它应该是响应速度快，灵敏度高，测量波段较宽的一类检 测器。但目前没有一个检测器能覆盖检测光区的全频段。在可见光区，探测器 一般采用面阵c c d或者线阵c c d . 光源 第一章 绪论 图1 .2 空间调制傅立叶变换光谱仪的原理图 实际的工程应用中， 绝大多数空间 调制干涉系统都采用， g n a t 干涉仪结构 ( 图1 .2 )。这是因为这种结构是一种共光路结构，受外界振动、气流等因素的 影响非常小，即它的抗干扰能力非常好。 相对于时间调制傅立叶变换光谱仪来说，空间调制傅立叶变换光谱仪具有 以下优点: 1 .没有内部运动器件，稳定性强， 不存在时间调制傅立叶变换光谱仪中运 动器件扫描所带来的精度及机械磨损问题，因此，它的体积、重量、功耗都小 很多，机械加工、装配的精度要求也比较低，仪器可靠性也高很多。 2 .通过采用 c c d面阵探测器，可以有效地增加系统的视场，增加了对目 标空间的覆盖范围，同时有利于信噪比的提高。 3 ，面阵探测器上得到的是入射光的自相关函数，自相关函数沿空间分布， 面阵探测器上得到的一帧数据是空间中一行目标点的自相关函数，因此仅通过 一维扫描，就可以得到二维空间目 标的光谱信息。从而使多光谱图像的重建变 得比较容易 ( 时间调制傅立叶变换光谱仪需要在二维扫描的同时进行动镜扫 描)。 但是，对于空间调制傅立叶变换光谱仪来说，由于两波面之间的夹角不可 能很大，因此最终的光程差也会受到一定的限制。也就是说，仪器的光谱分辨 率 将受 到 一 定的 限 制 p q 1 . 1 . 3 傅立叶变换光谱仪的研究现状 1 . 1 . 3 . 1 国外情况 1 9 8 2 年， 美国 研制出 第一台 方案 性航空 成 像光谱仪( a i s ) z 1 。 接着美国 机 载可见红外成像光 谱仪( a v i r i s , 1 9 8 7 年) i+ 31 、 加拿大的荧光成像光谱仪( f l i , 1 9 8 4 年) 和在此基础上发展的小型机载成像光谱仪 ( a i s , 1 9 8 8 年) 1 4 1德国 的反射成像光谱仪 ( r o s i s - 1 0 和0 2 , 1 9 9 3 年) 1 5 、 美国 海军研究实验室的 超 光谱 数字图 像采集实验( h y d i c e , 1 9 9 4年) 1 6 1 等 相继出 现。以 上实 验和设 计 都表现出了前所未有的识别地面物体的能力，展现出广泛应用前景和潜力。 1 9 9 4 年，美国佛罗里达技术研究所和菲利浦实验室共同研制出几台地面用 可见波段三角共路型干涉成像光谱仪样机。主要用于: 通过获取低轨卫星的光 第一章 绪论 谱特征来识别卫星和观测空间 运载系统助推器发射的火焰 ; 1 9 9 4 年， 美国l a w r e n c e b e r k e l e y 实 验 室的h o w e l l s 与f r a n k 等人研制了 m a c h - z e h n d e r 改进型软x射线傅立叶变换光谱仪，最大光程差l c m 。用光刻与 多层膜技术选择在抛光后的 矩形单晶硅片 ( 1 1 0 ) 表面刻蚀出 等间隔 2 5 u m宽窄 缝， 制作透射栅格式分波前分束器。 谱仪的 性能指标: 测量波长范围1 0 -1 0 0 n m. 光 谱分 辨 率5 x 1 0 5 ， 信噪比 为3 3 0 8 0 9 0 年代初， h a r l a n d e r 和r o e s l e r 设计并 研制的 全反射式空间 外差光谱仪1 1 9 1 是一种变型的傅立叶变换紫外光谱仪.光谱仪使用了紫外衍射凹面光栅作为分 束和色散元件，放弃了动镜扫描结构，采用空间阵列探测器接收干涉图。但其 分辨率由光栅光谱分辨率决定，测量光谱范围也受探测器像元数制约。 1 9 9 5 年， 美国k e s t r e l 公司和佛罗里 达技术研究所共同设计出 一台 在单引擎 轻型飞 机 上 用的 可见 波 段 三 角共 路型 成 像 干 涉光 谱 仪 【2 0 12 11 ， 其光 谱 在0 .4 5 u m 处分辨率为 5 n m ，光谱范围为0 .4 4- 1 . 1 5 u m，光谱通道数为2 5 6 ，数据传送速 率为1 5 m6 . 1 9 9 8 年， 美国加里福尼亚技术研究所喷气推进研究室 ( j p l ) 完成了一种更 新的光谱仪器 干涉 ( 傅立叶变换) 成像光谱仪 ( i f t s ) 2 2 1 。 该仪器是 将成 像技术与干涉光谱技术结合起来，成像同时又可获得每个像元的光谱。 基于迈克耳逊干涉仪结构，英国帝国理工学院的t h o rn e 与其合作者们共同 研制了 双 通道高 分辨率傅立叶 变换光谱仪 12 3 1 ， 用于紫外 至 真空 紫外光波 段. 选 取分束器表面的入射与反射光束夹角为1 0 ，大大降低了偏振效应的影响。 法国的c n e s为e u m e t s a t卫星研制的i a s i ， 它的基本目 的是测量大气 温度和湿度的垂直分布，另外也提供一些其它的地球物理参数的信息，包括臭 氧和微量气体。 仪器的核心是迈克尔逊干涉仪， 瞬时 视场( i f o v ) 为3 . 3 3 3 *，四 个探测器， 每个的i f o v为0 . 8 4 0， 干涉图采样间隔为2 1 6 m s ， 干涉仪的两臂都 采用 角 镜， 用 直 线电 机 驱 动 其中 的 一 个角 镜， 它的 光 谱 分 辩 率 可 达0 .2 5 c m 1 ( 未 切 趾 ) 24 1 1 9 9 5 年， 加拿大的b o m e n公司在b o m e n mb系列傅立叶变换干涉仪的基 础上， 开发出 一 种干 涉成 像光 谱仪 2 5 1 。 其光 谱分 辨率 可 调，视 场分二 挡。 他 们对该实际系统的等效光谱噪声辐射( n e s r ) 及仪器函数进行了测试及比较，结 果 达到或超出了 设计指标。 其光谱范围2 - - 5 1 3 1+ m o 傅立叶光谱仪并不仅用于航天探测，更多应用于红外光谱分析，1 9 6 9年快 第一章 绪论 速傅立叶变换光谱仪 ( f t i r ) 开始商品化。 近年来f t i r光谱仪发展很快， 性能 上也有很大提高，发展了很多新功能，为红外光谱技术的发展提供了良 好的条 件。 各公司在生产通用型f t i r光谱仪的同时， 还生产了许多专用 f t i r光谱仪。 如n i c o l e t 公司生产了用于汽车尾气分析的f t i r光谱仪r e g 7 0 0 0 和用于半导体 材料测试的专用f t i r光谱仪e c o -1 0 0 0 ，可进行硅外延厚度、硅中的碳和氧、 玻璃中的硼和磷、氧化层中的氢分析，称底、光刻胶和半导体材料的化学分析。 b i o - r a d公司和n i c o l e t公司生产的专用 f t s - 7 油分析仪和 8 2 1 0 e油分析仪， 可用于测定润滑油中的抗氧化剂、含经基化合物、复杂的氧化硝化产物等。许 多公司还生产专用的气体分析仪，如n i c o l e t 公司的8 2 2 0 气体分析仪。 1 9 9 4年，n i c o l e t 公司推出高档研究级f t i r , mo d e 1 8 5 0型。据其介绍其性 能远远优于 8 0 0型。除分辨率高、扫描速度快之外，还具有双调制系统、时间 分辨、步进扫描、振动二色红外、二维红外等功能和特点. 1 . 1 .3 .2 国内情况 2 0 0 1年，长春光机所研制了新型的由分束祸合器、“ 猫眼”后向反射光学 系统、稳频激光辅助采样系统和光电探测器等组成的紫外一真空紫外傅立叶变 换光谱仪2 6 ， 光谱测量范围为1 7 0 n m -6 0 0 n m , 3 0 0 n m处分辨率高于1 . 5 x 1 0 气 光谱仪结构紧凑，可精确探测紫外、真空紫外波段物质的发射及吸收光谱，尤 其适合与同步辐射源对接完成相关的光谱分析。 上海技术物理研究所主要研究 ( 光栅)推扫式成像光谱仪 ( 也曾经研制过 空间调制形式的傅立叶变换光谱仪， 采用s a g n a c 结构来实 现光路的空间 调制) 和傅立叶变换光谱仪。采用时间调制形式，利用直线电机带动角镜作一维直线 运动。 2 0 0 4 年8 月，该所提出了一种新型红外空间遥感用傅立叶变换光谱仪的 设计思路，利用摆动平行平面镜组改变光程这一原理实现干涉光路中两支光路 光程改变量的相关【2 7 1 。该方案采用摆动结构， 就运动部件的 机械精度来讲， 其 要求较低，而且不用角镜或猫眼镜，也不需要自 适应光学校正系统，更不需要 精密的弹簧轴承或磁悬浮轴承系统等. 所以 在国内的具体技术条件下，是一种 切实可行的方案，对提高仪器的环境适应性、降低研发成本、缩短研发周期等 都具有重要意义。 第一章 绪论 第二节 嵌入式系统介绍 1 .2 . 1 嵌入式系统的含义和分类 根据 i e e e( 国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是 “ 用于控 制、 监 视 或 者 辅 助 操 作 机 器 和 设 备的 装 置 ”( d e v i e c e s u s e d t o c o n t r o l ,m o n ito r ,o r a s s i s t th e o p e r a t io n o f e q u ip m e n t , m a c h i n e ry o r p la n t s ) 。 此 定 义 是 从 应 用 上考 虑的 ， 嵌入式系统是软件和硬件的 结合体， 还可以 涵盖机电 等附 属装置129 1 。 嵌入式系统一般被定义为:以应用为中 心，以计算机技术为基础，软件硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用 计 算 机 系 统 12 9 1 目前嵌入式系统除了部分为3 2位处理器外， 大量存在的是8位和 1 6位的 嵌入式微控制器( m c u ) ， 嵌入式系统是计算机应用的另一种形态。正如前 所述 它与通用计算机应用不同:嵌入式计算机是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装 置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系统。 根 据目 前 其 发 展 现 状， 嵌 入 式处 理 器 分 类 .13 0 1 1 .嵌入式微处理器 嵌 入式微处 理 器 ( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r u n it ， e m p u ) 的 基 础是 通用计 算 机中的 c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌 入式应用有关的母板功能， 这样可以大幅度减小系统体积和功耗。当前主要的 嵌入式处理器有a r m, m i p s , p o we r p c和基于x 8 6 的3 8 6 e x等。 2 .嵌入式微控制器 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ， m c u ) 又称单片机。嵌入式微控制器 一般以 某一种微处理器内 核为核心， 芯片内 部集成r o m p e p r o m, r a m、 总线、 总线 逻辑、 定时p计 数器、 w a t c h d o g , i p o 、串 行口 、 脉宽 调 制输出 、 a p d , d p a , f l a s h r a m, e 2 p r o m 等各种必要功能和外设。 和嵌入式微处理器相比， 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠 性提高。 3 .嵌入式 d s p处理器 d s p处理器( e m b e d d e d d i g it al s i g n a l p r o c e s s o r , e d s p ) 对系统结构和指令进 行了特殊设计，使其适合于执行d s p算法， 编译效率较高，指令执行速度也较 第一章 绪论 高。 在数字滤波、 f f t . 谱分析等方面d s p算法正在大量进入嵌入式领域， d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p功能， 过渡到采用嵌入式d s p处 理器。 4 .嵌入式片上系统 嵌入 式片 上系 统 ( s y s t e m o n c h i p ( s o c ) ) 中 ， 各种 通用处理器内 核 将作为 s o c设计公司的标准库， 和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中 一种标准的器件，用标准的v h d l等语言 描述， 存储在器件库中。这样除个别 无法集成的 器件以 外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去， 应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 1 .2 .2 嵌入式系统发展背景13 11 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、 消费电子的一体化趋势日 益明显，嵌入式技术己 成为一个研究热点。嵌入式技 术的发展过程，大致经历四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺 服、指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制 系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言 编程对系统进行直接控制。 由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以 前在国内工业领域应用较为普遍， 但是已 经远不能适应高效的、需要大容量存储的 现代工业控制和新兴信息家电 等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u为基础、以 简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是:c p u种类繁多，通用性比 较弱;系统开销小，效率高;操作系统 达到一定的兼容性和扩展性;应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是:嵌入式 操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好;操作系统内核小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目 录管理、多任务、网 络支持、图形窗口以及用户界面等功能; 具有大量的应用程序接口a p i ， 开发应 用程序较简单;嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e rn e t 为标志的嵌入式系统。 这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e rn e t 之外， 但随着i n t e rn e t 的发展以 及i n t e rn e t 第一章 绪论 技术与信息家电、 工业控制技术结合日 益密切， 嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将 代表嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2位微处理器在该系统中占主导地 位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、i n t e m e t 结合日 益密切， 因而，嵌入式系统应用将日 益广泛。 目前，嵌入式控制器的应用几乎无处不在，移动电话、家用电器、汽车等 无不有它的踪影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许 多优点，其应用己深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个 领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自 动化化进程、提高生产 率等方面起到了极其重要的推动作用。 1 . 2 .3 嵌入式系统特点 嵌 入式系统同p c 相比 ， 具 有以 下 特点 3 2 1 . 1 .嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强; 2 .嵌入式系统软件一般固化在存储器芯片或者单片机中，提高了执行速度 和可靠性; 3 .嵌入式系统软硬件都必须高效的设计，结构要精简. 4 .对软件代码质量要求很高，尽可能避免死机。 5 .嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境. 第三节 本论文的提出和本文的组织 1 .3 . 】 课题的研究价值和选题依据 傅立叶变换光谱技术具有高精确度、多通道、高通量、宽光谱范围以及结 构紧凑等优势。不仅在光源较弱的红外光谱区占 据了 统治地位，在其它光波段， 如在紫外、真空紫外波段也具有极其广泛的应用空间. 但是传统傅立叶变换光谱仪大都由计算机控制，并进行数据处理。其成本 高、使用操作复杂、工作状态不稳定、便携性差等缺点凸显出来。随着嵌入式 处理技术的发展，其稳定、便携、低成本等种种优势，给测量仪器的小型化、 第一章 绪论 低成本、便携化带来了可能和发展空间.直接将此光谱仪改造设计成为便携式 嵌入式控制仪器，会发挥更加明显的优势。 南开大学于上世纪八十年代自 行设计和制造了傅立叶变换光谱仪，并将其 作为学生的近代物理试验平台。2 0 0 4年，南开大学对本傅立叶变换光谱仪进行 了技术改造， 对其构造进行了扭矩电机自 动采集、加入计算机控制系统和数据 处理功能，使得本傅立叶变换光谱仪成为综合运用光学、机械、电 子学、计算 机学等多个学科知识的一个良 好范例，而对本系统进行便携式的二次改造，则 是对傅立叶变换光谱仅的一次有益创新。 1 .3 .2 本论文的主要组织结构 本实验装置是在现有的教学用自 组式傅立叶变换光谱仪基础上的一种处理 平台全新设计，为了提高实验装置的便携性、稳定性，将嵌入式设计方案引入 傅立叶变换光谱仪中，并重新设计、改进其中必要的软硬件系统。 主要的设计工作有: 1 .设计配置嵌入式平台软硬件环境、开发环境。包括硬件平台搭建、操作 系统定制软件平台搭建、 操作系统定制、 软件支持包s d k定制、 操作系统下载、 调试等。 2 .引入嵌入式概念，将嵌入式硬件同现有的通讯接口 进行对接，设计串口 接口 程序，利用串口 通讯实现数据采集功能。 3 .在嵌入式设备上实现对采集的数据保存，数据库调用、坐标校正、 f f t 分析处理等软件功能和用户友好界面支持。算法部分主要包括坐标嵌入式 c语 言实现校正算法和快速傅立叶变换算法的开发，用户界面主要包括在嵌入式设 备显示器上实现用户窗口 对话功能和图形显示功能等。 4 .用改进后的仪器进行实验分析、调试，实现软硬件系统的对接通信。在 相同的实验条件下， 利用己知的氦氖激光的波动方程及频率特性，采用插值法， 拟合参考光的干涉图，并以同样方法修正被测光源的干涉图，使实验的波长精 度达到优于 1 0 a的目 标。从而实现实验数据快速采集，实时运算， 及时输出 被 测光源的干涉图和经过数据处理后的光谱图，缩短了实验操作时间。 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 第二章傅立叶变换光谱理论及实验过程 第一节 基本原理 2 . 1 . 1 傅立叶变换光谱的基本理论3 3 1,3 4 1. 3 5 b 1 3 6 1 傅立叶变换光谱仪通过双光束干涉仪产生的干涉图的傅立叶变换数值计算 来测定光谱图。各种干涉仪中最多也最基本的是迈克尔逊干涉仪。其他的干涉 仪，尽管在结构上可能不相同，但它们的物理原理和所涉及的干涉图的基本理 论是一致的。故可以通过对迈克尔逊干涉仪产生的干涉图的分析来阐述傅立叶 变换光谱学的基本理论。 光源 二 . ， 目 口 娜 目 ， ， ， . ， 动镜 .探 测 器 图2 . 1 傅立叶变换光谱仪原理图 如图2 . 1 所示，傅立叶变换光谱仪由光源准直系统、 分束器、反射镜 ( 动镜 及定镜)、聚光光学系统和探测器组成。设有一振幅为 、波数为。 的理想准直 单色光束投射到无损耗分束器上，分束器振幅反射比为r ，透射比为 t ，它使这 一光束分成振幅为 的反射束和振幅为 的透射束。这两束光经定镜和动镜反射 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 后又回到分束器，并第二次经过分束器形成两束相干光束，其中一束返回光源， 另一束沿与输入辐射垂直的方向传播并被探测器接收。当动镜移动时，一束光 的光程改变导致相干光的光程差随之变化，干涉场强亦发生变化，从而在其像 面处形成明暗变化的干涉条纹，探测器所记录的光强信号变化即为干涉图。接 收到的千涉图光强变化依赖于光程差的变化， 它携有光源光谱信息。 探测器接收到的信号振幅为: a = r l a ( 1 十 。 一 ，) 信号强度为: l n ( a , a ) = a a * = 2 r t b o ( v ) ( 1 + c o s o ) ( 2 . 1 ) 式中 r , t分别为分束器的反射 比和透射比， ( 2 . 2 ) b . ( a ) 是输入光束强度 ( b . ( a ) = a a # ) , 0 是 来自 定镜和动镜的两光束间的 相位差: 必二2 ) r u 4 ( :光程差。) ( 2 . 3 ) 式 ( 2 .2 )表示:探测器接收到的信号强度是输入光束强度和两光束间光程 差的函数，为一沿光程差方向无限扩展的余弦函数。这即是理想准直的单色辐 射通过干涉仪形成的干涉图。 为求得一般情况，可以设想式 ( 2 .2 )所表达的单色辐射为一具有无限窄线 宽d a的谱元，故式 ( 2 .2 )可改写为: d l , , ( a , or ) = 2 r t b o ( a ) + c o s ( 2 1 r a a ) d a 对所有波数积分，有: l o ( a ) = 柯。 ( ， 。 ) 一 仁 r t b o (a )( 1 + c o s 2 ;ra a )d a ( 2 . 4 ) 式 ( 2 .4 )即为一般情况下的干涉图表达式。由该式可知，当 =0 时， 1 , (0 ) 一 介 r t b o (a )d a ( 2 . 5 ) 0 当冲。时， 的积分必趋于零， 由 于余弦函数的振荡性质， 式 ( 2 .4 ) 中 包含余弦函数的 这一项 于是有: 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 i p (00 ) 一 户 r t b o (o )“一 i d ( 0 ) / 2 ( 2 . 6 ) 由 式 ( 2 .6 ) 可 知， 调 制 充 分的 干 涉图 ， 其 干 涉 主 极 大 值 应接 近 于( 哟的2 倍 i , 仲) 代表了 干涉图 的 平 均值或 直流成 份， 于是可以 说 干 涉图 是一叠 加在 直流成 份上的波动信号，而这一直流成份，在计算复原光谱时应该减去，因而当令 c 为常量因子时可以简单地把干涉图表达式 ( 2 .4 )改写为: i , (a ) 一c 介 t b o (a ) c o s (2 7ra a )d a ( 2 . 7 ) 而此后，就可以以 ( 2 .7 )式作为干涉图的基本表达式来展开讨论。 2 . 1 . 2 基本方程 傅立叶积分变换可用如下一对方程式来定义: f ( a ) 一 介 (o )e a - 0 d a a (a ) = 介 ( 0 )e -2- id d a ( 2 . 8 a ) ( 2 . 8 6 ) f ( a ) 和a ( a ) 互为傅立叶变换对。 为 利用 方 程 式 ( 2 .8 ) 从 干涉图 经 傅立 叶 变换 求得 光 谱图凡( 司， 可以 设 想 光 谱图 为 一 偶函 数， 即b o ( - a ) = b o ( a ) ， 而 将光 谱 扩 展 到 负 波 数 区 域。 再 考 虑 到 在理想干涉仪情况下，干涉图也是一个偶函数，这样式 ( 2 .7 )可改写为: i , (a ) 一f r t b , ( a )e z d a - f t r t b o ( a ) ( 2 . 9 ) 利用方程式 傅立叶逆变换， b ( a ) ( 2 .8 )和( 2 . 9 ) ，可以直接得到光谱图的表达式，它是干涉图的 一 r t b o (a ) 一 夕 o (a )e -z .a d a - f t - i i n ( a ) ( 2 . 1 0 ) 式中b ( a ) 为 复 原 光 谱， 它与 真 实 辐 射光 谱b o ( a ) 相差 一 乘 数因 子r t ， 在 求 相对谱值时，这一因子将被消去，可以 不必考虑。 如上所述， 千涉图 是一个实偶函数，式( 2 . 1 0 ) 中 包含正弦项的 虚部的 积分为 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 零， 所以 在多数情况下，式( 2 . 1 0 ) 可以 简化为: b (q ) 一 介 , (a ) c o s (2 )ra a )d a = 2 几( a ) c o s (2 7ra a ) d a ( 2 . 1 1 ) 式 ( 2 . 1 0 ) 和( 2 . 1 1 ) 是干 涉光谱学的 基本 方程。 它表示对一给定 波数a , ， 如果 已 知 干 涉图， 即 探测 器 接 收 到的 信 号 强 度与 光 程 差的 关 系i d ( a ) ， 则 干 涉图 的 傅 立叶变换式( 2 . 1 0 ) 或余弦变换式( 2 . 1 1 ) 给出 波数a , 处的 光谱强 度b ( a d . 为得到整 个光谱， 只需对所关 心的 波段内的每 一个波数， 利用式( 2 . 1 0 ) 或( 2 . 1 1 ) 重复地进行 傅立叶变换运算即可。 2 . 1 .3 分辨率和仪器谱线函数 在实际中， 式( 2 . 1 0 ) 和( 2 . 1 1 ) 的 运算是能实 现的， 因为实际 情况中干涉图只能 测量到某 一有限的 极大光 程差 m 为 止。 此即 意味 着运用式 ( 2 . 1 0 ) 和 ( 2 . 1 1 ) 计算复 原光谱b ( a ) 时，计算的是: b (a ) 一 夕 u ( a ) - t ( a )e -e2m d a ( 2 . 1 2 ) 式中 ( 1 la l a . , t二阴 式 ( 2 . 1 2 ) 表明， 截断函 数t ( a ) 是 使 对干涉图的 计算只 是在 一 ， 到 ， 的范围 内进行，而截去这一区间以外的干涉图。 按卷积定 理， 式 ( 2 . 1 2 ) 计算出 的 复 原光 谱畸 变为双 ( 。 ) : 尽( ) = b ( a ) t ( a )( 2 . 1 3 ) 在此，b ( a ) 为未畸 变的复原谱， ，( 司是截断函 数t ( a ) 的 傅立叶变换， 称之 为仪器谱线函数， 或缩写为i l s 函 数。 在t ( a ) 为形如上述的矩形函数时 t ( a ) = f t - t ( a ) = 2 a , s in c ( 2 tr a a m ) ( 2 . 1 4 ) 它可以看作是输入光谱为无限窄单色谱线情况下干涉仪计算机系统的输出 光 谱 或 响 应 函 数 。 当 两 单 色 谱 线 间 距 离 略 大 于i l s 函 数 的 半 高 线 宽( 0 .6 1 a , ) ， 则它们在傅立叶变换复原谱上可分辨开来。 i l s函数和傅立叶变换光谱仪的分辨 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 率是直接相关的。当然，定义分辨率前要确定所采用的判据。最常用的判据是 瑞利判据和半高线宽。但不论采用何种判据，傅立叶变换光谱仪的分辨率都正 比于两相干光束间最大光程差的倒数，即使考虑到切趾函数，分辨率值总介于 i / 2 a , 到 i/o, 之 间 ， 最 大 光 程 差 e 、 越 大 ， 分 辨 率 8 v 也 越 高 。 第二节 傅立叶变换光谱试验装置的基本结构网网 1 . 被测光源2 . 氮氖激光器3 . 反射镜4 . 分束镜 7 ， 反射镜m 2 8 . 力矩电机9 . 聚光镜1 0 . 光电 倍增管 1 2 . 测量控制单元1 3嵌入式 c e控制处理平台 5 . 补偿镜6 . 反射镜 ml 1 1 光电二极管 图2 . 2傅立叶变换光谱实 验装置示意图 实验装置如图2 .2 所示，由迈克尔逊干涉仪、 钨丝灯、 氦氖激光器、光电倍 增管、光电二极管、力矩电机、测量控制单元和计算机等组成。 核心是一台经过改装的迈克尔逊干涉仪 ( 虚线框内的部分)，干涉仪的动 镜 m2 ( 7 )可以在精密力矩电机 ( 8 )的驱动下匀速缓慢移动，被测光源 ( 1 ) 发出的光经过干涉仪形成干涉光，其干涉光强由光电倍增管 ( 1 0 )接收。 用来给光程差定标的参考激光 ( 2 )由反射镜 ( 3 )从主光路的一侧照射到 分束镜 ( 4 )上，经同一组分束镜 ( 4 )、补偿镜 ( 5 )、反射镜 ( 6 . 7 )形成分 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 光、干涉，然后再经过反射镜 ( 3 ) 反射到光电 二极管 ( 1 1 ). 光电倍增管 ( 1 0 ) 和光电二极管 ( 1 1 )的输出信号，都经过测量控制单元 ( 1 2 )的双路精密模数转换器转换成数字信号，二者的采样是同步且等时间间 隔的。测量数据经串行通讯口送入嵌入式开发板 ( 1 3 )，由专门开发的傅立叶 变换光谱数据处理软件进行控制处理。数据处理软件首先根据参考光的干涉光 强随时间的变化对被测光干涉图进行修正，得到等光程差间隔采样的干涉图 i ( e ， 然后对i ( e ) 进行快速傅立叶 变换， 最终得到傅立叶变换光谱。 第三节 傅立叶变换光谱仪的数据采集和校正原理 2 .3 . 1 数据处理常用的数据处理方法13 9 1 对于干涉图离散数据采集后， 在做傅立叶变换之前，常用的数据处理方法 大体有以下三个方面组成:数据重组、切趾处理、相位校正。 2 .3 . 1 . 1 数据截断 ( 重组) 将采集的数据进行重新组合，去除多余的部分，并进行补零，使其满足快 速傅立叶变换的要求。 2 .3 . 1 .2 干涉图的切趾140 114 1 被测光光谱在理论上由干涉图的傅立叶变换得到，傅立叶变换的积分限为 无穷大。但在实际仪器中，光程差的值为有限值，而且，系统的带宽也是有限 的。采样所得的数据序列可视为理论干涉图与一矩形函数的乘积。时域的乘积 相当于频域的卷积， 矩形函数的傅立叶变换为s i n c 函数。它有较大的旁瓣起伏， 它与干涉数据的卷积会使输出光谱产生失真。主要表现在:一方面产生虚假信 号，二是强度为负值的旁瓣掩盖了 信号中的弱光谱信息。另外，时域的突然截 断，会使系统函数在间断处产生震荡，产生所谓的吉布斯现象， 而导致频谱的 “ 泄漏阶。所以实际计算中常通过切趾处理来抑制旁瓣的起伏。 常 用的 切趾函 数 有t ri a n g l e 函 数、 高 斯函 数、 s i n c 2 函 数、 h a n n i n g 函 数、 海明函数、b l a c k m a n函数、k a i s e r b e s s e l 函数及n o rt o n - b e e r 函数等。通常，切 趾函数的选取应遵循以下原则: 第二章 傅立叶变换光谱理论及实验过程 i .函数形式简单， 便于计算，计算量要小: 2 . 要使得仪器线性函数的主瓣尽量窄 ( 在间断点处有尽量陡的过度特性) ; 3 .旁瓣尽量低，以避免在间断点处有大幅度的震荡; 4 .引入切趾函数后对于光谱点的统计独立性的破坏性要小。 2 .3 . 1 . 3 相位校正 由于采样的位置误差，光学系统的不对称性及电子学系统产生的相位影响， 将会使原始数据产生误差。这种误码差反映到频域是频谱数据的相位误差。在 单边采样的情况下， 通常可使用m e r t z 法和f o r m a n 法。 f o r m a n 法的相位校正是通过在零点附近取一个小双边干涉图来计算沪 ( 叻然 后 求f f t ( e+#(x) ， 再 通 过f f t ( e d (x ) ) 与i ( x ) 的 卷 积 来 进 行 的 。 优 点 是 计算的精度比较高，但是计算过程比较复杂，卷积运算需要花大量的时间。 me r t z 法也是通过在零点附近取一个小双边干涉图来进行相位校正的， 但它 并 不 计 算 o ( v ) ， 而 是 通 过 对 小 双 边 干 涉 图 的 傅 立 叶 变 换