反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较解读.docx
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反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较解读
第30卷,第6期2010年6月
光谱学与光谱分析
Spectroscopyand
V01.30,No.6,ppl678—1682
SpectralAnalysis
June,2010
反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较
景娟娟1’2,周锦松¨,相里斌3,吕群波3,魏儒义1’2
1.中国科学院光谱成像技术莺点实验室,中国科学院西安光学精密机械研究所。
陕西西安7101192.中国科学院研究,li院,北京1000493.中国科学院光电研究院。
北京
100190
摘要介绍了反射转镜式干涉光i普仪的原理。
转镜的转动会导致光程差存在非线性问题,是转镜式干涉光谱仪普遍存在的问题。
由于光程差的非线性会导致反演光谱的严重失真,因此需要对其进行修正处理。
对非线性修iF『ⅡJ题,月前常用的有光程差替换法、干涉图二次采样法和NUFFT法。
实验结果证明,NUFFT法和光程差替换法运算精度较高,相对偏差优于0.13%,NUFFT法精度又略高于光程差替换法;在运行效率I:
,NUFFT法运行速度最快,其次为光程差替换法。
由于干涉I冬I本身是一个剧变信号(特别是在零光程差附近),不适合进行多项式拟合,所以干涉图二次采样法运算精度最低,另外,由于干涉图二次采样法需要做分段拟合运算,所以运行效率也最低,从而可以认为NUFFT方法是目前最适用于反射转镜式干涉光谱仪非线性采样误差修正的方法。
关键词光谱仪;反射转镜;光程差;非线性采样中图分类号:
TH744.1
文献标识码:
A
IX)I:
10.3964/j.issrL1000-0593(2010}06—1678-05
多数系统都具有光程差和时间的非线性关系[571。
如果不对
引言
传统直线运动捌时问调制干涉光谱仪主要是基于迈克尔
干涉数据的非线性进行分析与修正,将会对反演光谱产生很大的影响。
本文详细介绍了可用于非线性修正的几种常用方法,并对它们的优缺点进行了分析,指出了适宜进行反射转镜式干涉光谱仪非线性采样误差修正的方法是NUFFT。
逊卜涉仪原理,依靠动镜的往复运动产牛连续变化的光程差,在探测器上得到按照时间展开的目标f涉图【1],为克服直线动镜{二涉光谱仪动镜高精度直线驱动技术难题,Wad-
sworthi2’3]于20世纪90年代提出透射转镜式干涉光谱技术,
1反射转镜式干涉光谱仪及光程差非线性
反射转镜式干涉光谱仪依靠倾斜反射镜的旋转使两束光产生变化的光程差,得到随时问变化的干涉谱,反演得到被探测目标的光谱信息,仪器原理如图l所示,文献[4]描述r其具体的工作过程。
探测器接收的干涉光强随反射转镜的转动而变化,探测器采集到的是按时间调制的干涉谱,其数学表达式为
从此,基于旋转镜的时问调制型干涉光谱技术成为一种新的研究方向。
Griffithsr4]提f{{反射转镜式f涉光谱技术,克服r传统直线动镜式干涉光谱技术和透射转镜式干涉光谱技术的诸多不足,具有结构简单、无需辅助光路、能量利用率和光谱分辨率高、测最速度快、稳定性和实时性好等优点,其主要解决思路是改变A线运动的精密动镜为旋转反射镜。
光程差的扣描方式不依靠反射镜的直线移动完成,而足依靠旋转反射镜的转动完成。
在反射转镜式干涉光谱仪中,倾斜旋转反射镜是匀速旋转的,探测器的采样一般也是等时间间隔的,由于光程差的非线性使得最终获得的}:
涉数据巾存在非线性采样的问题。
在依靠转镜的旋转产生光程差的时间调制F涉光谱仪中,大
收稿日期:
2009—05—10。
修订日期:
2009-08—20
基金项目:
国家自然科学基金项目(40805013)和国家童点基础研究发展计划项目(2009CB724005)资助作者简介:
景娟娟,女。
1979年生.中国科学院西安光学精密机械研究所助理研究员
*通讯联系人
e-mail:
jszhouC园opt.ac.∞
e-mail:
jingjuanjuan@opt.ac.cIl
I(x)=C盹)exp(i2删x)dx
其光谱分辨率由最大光程差决定。
(1)
式中f(z)是干涉强度随时间的分布,B(v)是入射光谱分布,v代表波数,复原光谱由干涉谱的逆傅里叶变换得到,
万方数据
第6期光谱学与光谱分析
1679
B(y)=I
J(x)exp(--i2尢姬)dx
(2)西=瓦1
(3)
式中,z为光程差增量,劫为光谱分辨宰,L为最大光
程差。
探测器所采集到的是按时间等问隔采样的干涉谱,由于转镜的转动,两束光所产生的光程差随着时间的变化并不是线性的关系,关于反射转镜式十涉光谱仪非线性光程差的分析将另有专文论述,在此只引用其结论,仪器在转镜任意旋转角度处的光程差为
OPD(n)=8lsir讲eososin(a—p(1一cosD)+
sinflsinosinasinflsin20]
(4)
其中:
口为轴上入射光线与转镜转轴的夹角(锐角),0为转镜的倾斜角,z为角反射体顶点与转镜中心之间的距离,觑锐角)为角反射体顶点和转镜中心的连线与转镜转轴的夹角,力为转镜的旋转角度。
光程差与转镜转角的关系见图2。
D
L2
Ml
Fig.1
ReflectingrotatingFouriertransforlB
spectrometer
O
筋n
M
n∞
E芒a厶o
Ⅲ舾
m彤
m西
0
0.5
l
1.5
2
2.5
3
3.5
RotatingAngle
vie,.2
Relationshipbetweenoptic呻mdifference
and
rotati琏angle
ofrotating
mirror
1
t
Non-linear
OPD;2:
LinearoPD
2光程差非线性修正方法
2.1光程差替换法[3】
光程差非线性带来误差的原因是对光程差非均匀采样,
即光谱复原使用的Fourier变换B(v)=』,(工)cos(2舭)如中
万方数据
J(z)中的光程差z变化是非均匀的,而余弦项和微分项中的
工是均匀变化的。
即如或△z是小变的值。
通过对光谱复原
的Fourier变换式中的光程差z进行替换,就叮以达到对光程差非线性补偿的目的。
rx-~
B(v)=l—‘,(X)eos(2删X)dx
J0
=I‘一IEX(r)]・x,(r)・cos[2删X(r)]出
(5’
写成实际使用的离散化的DFT式为
乩)=∑IEx(z-,)3・cos[2nvX(ri)]・面dxl
(6)
其中,N为干涉图的采样点数,IEX(r,)]为第i个采样
值。
2.2干涉图二次采样法[’]
光程差非线性系统的干涉图含有相位或周期误差。
根据采样定律,当采样频率大于奈奎斯特频率时,采样点可以不失真地恢复出原始信号。
由于光程筹大小是可以精确计算的,因此通过对恢复得到的包含非线性误差的干涉图二次采样,可以得到小含非线性误差的干涉图。
在光程差非线性系统中,对干涉图使用足够高的采样频率进行时间均匀采样,得到包含周期和相位误篇的}:
涉图,(z)。
可以利用采样点的时间信息rJ和干涉强度J(t)恢复得到整个完整的干涉图。
对这个完整的于涉图进行二次采样,采样间隔按照时间非均匀、光程差均匀进行,就町得到不含非线性误差的干涉图。
即利用非均匀采样点拟合得到整个干涉曲线,再对干涉曲线利用均匀采样,进行光谱复原,可以消除光程差非线性带来的影响。
干涉I冬I是一个连续变化的函数,在一个有限的区间上可近似表达为多项式
N
J(z)一厂(工)≈>:
女,・zl
蒿
(7)
式中hi为多项式系数,z为采样点光程差,N为多项式
最高次幂。
二次采样的具体过程是:
从第N个采样点开始,
利用采样点z一肿1~期.肛t的采样值和(7)式拟合干涉图,然
后利用线性光程差进行二次均匀采样,直到倒数第N个采样点结束。
文献[93认为。
采用二次、四次、六次多项式时误差差别不大,考虑到运行速度问题,本论文采用二次多项式进行拟和。
2.3非均匀采样Fourier变换(NUFFT)
自从Cooley等提f{j快速Fourier变换(研叮)方法[”3以后,FFT技术很快形成一套高效算法。
得到了广泛的应用,fH是经典的FFT算法只适用于等间隔采样的数据,对于非均匀采样的输入数据H可算法不再适用。
为了解决这一难题,Dutt等对非均匀采样干涉数据的快
速Fourier变换进行了研究[1“,其目的是ijl找一种快速算法对非等间隔的离散Fourier变换进行快速计算,由此提出了.NUFFT的概念。
NUFF下1214j叮以看作是一种特殊情况下的H叮,它的优点是可以很好的利用FFT算法,从而在保证变换谱精度的情况下,提高Fourier变换的运算效率,其特点是利用卷积数据的重采样,代替原始非均匀采样数据的重采
1680
光谱学与光谱分析第30卷
样,从而减少了重采样过程中原始数据信息熵的丢失。
NIⅢFT算法的具体计算方法如下。
对于非均匀采样的信号磊,n=O,…,N一1,相应的Fourier变换为
N-I
而=c05N立m,歹=一iN,…,—NF一1
3光程差非线性修正方法比较
(13)
x(埘)=∑矗e.’柚
蕊
蜀(雠),以得到Fourier系数;
Fourier系数计算公式为
"rl一
(8)
为了验证上述方法的效果,我们以3个目标为仿真对象:
分别是波峰在2
000,2650,3
为了计算均匀分辨的X(m)。
首先计算插值系数
300咖叫的黑体,对应的
温度分别为580,780,960K。
首先按照线性采样光程差把它们变成均匀采样干涉图,对均匀采样f涉图进行光谱反演即
(9)
∑口I・而(雠)
月・^・[…t)竹2l
mu^.././一2--1
可得到理想情况下的光谱数据;然后按照非线性采样光程差分别把它们变成非线性采样干涉图,再分别利用光程筹替换法、干涉图二次采样法、NUFFT法对非线性采样干涉图进行光谱反演,并与理想情况下的光谱数据进行对比。
仿真用反射转镜式Fourier变换光谱仪的仪器参数为波段范围:
2000~3
接下来使用均匀FI叮进行计算
乃=∑n・F轴M
对上式进行变标处理,即町得到均匀分布的
^%=Tj・s71
其中0≤墨≤1。
为变标因子(different种类型。
高斯变标因子
accuracy
(10)
334咖叫
(11)factor),
最大光程差:
士0.25cm(O.5era)
光谱分辨率:
2咖.1
其他参数为:
口=20,口=450,口=39。
。
根据Nyquist采样理论,采样间隔应小于1/2¨。
=1/(2
*3334)一l500(nm),为保证反演精度,非线性采样时采用
可以用来最小化近似误差。
对于变标因子的选择,通常有2
彤:
一(惩)2,J:
一掣,…。
百N一1
余弦变标因子
(12)
过采样方式,当采样点数为8192个点时,非线性采样于涉图的采样间隔最大不会超过l
030咖。
Wavelength/cra。
ta’
Wavelength/cm。
Wavelength/ore
Wavelength/cm
fc}
Fig.3
smctnac删n,嚣ofblackbodyattemperature580・780and960Kusingthreecorrectionmethods
(a)l
T=580K;(b):
T=780K,(c):
T=960K
万方数据
第6期光谱学与光谱分析
1681
为评价各种方法反演光谱的精度,采用光谱最大绝对偏差百分比【15]的改进形式——光谱相对偏差作为评价标准,定义如下
涉图二次采样法反演精度较差,这是因为干涉图本身是一个剧变信号(特别足在零光程差附近),不足缓变信号,所以不适合进行多项式拟合,从『f|i造成了干涉图的失真,从反演的结果也可以很明显地看出信号的失真。
R晰:
南奎掣×100%(14)
式中,S为标准光谱,S反演光谱,N为光谱谱段数。
为厂综合比较各方法光谱反演的效果,除r需要对算法的反演精度进行比较外,算法的运行速度也需要进行比较,比较时所用的计算机配置如下。
CPU:
Pentium2.4G
usingthethree
methods(unit:
second)
内存:
512M硬盘:
120G
操作系统:
WindowsXP运行环境:
Matlab
7.0
由表2可以看出,在运算速度上:
,由于M陌FT的核心
是使用n叮算法,所以其运算速度最快,光程筹替换法从本质卜来说就是离散Fourier变换,其运算速度稍慢,一F涉图二次采样法由于在修正过程中要进行分段拟合运算,其运算量大,所以运算速度最慢。
各种方法的反演结果如图3所示。
光程差替换法、十涉图二聪采样法和NI琅FT法3种方法的反演精度和反演速度分别如表1和表2所示。
Table1
Comparisonofrecoveryprecision
usingthethreemethods
4结论
本文介绍了用于非线性光程差修正的光程差替换法、干涉图二次采样法、NUFFT法,并对3种方法的反演精度和反演速度进行了比较,结果表明:
光程差替换法和NUFFT法计算精度较高,均可用于非线性光程轰的修正,二者相比,NUFFT计算速度最快,是进行反射转镜式干涉光谱仪
从表l中可以看出。
光程差替换法和N17FFT法可以很好的修正光程差非线性在复原光谱中所带来的误差,所反演出的光谱与理想光谱非常接近,最大的相对偏差也不过0.13%,NUFFT法的反演精度略高于光程差替换法。
而干
参
[1]Bell
考
非线性采样误差修正的最理想的选择,光程差替换法相对来讲运算速度较慢,干涉图二次采样法运算结果最差,运算速度也最慢,不适宜进行反射转镜式十涉光谱仪非线性采样误差的修正。
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万方数据
1682光谱学与光谱分析第30卷ComparisonofCorrectionMethodsforNonlinearOpticPathDifferenceofReflectingRotatingFourierTransformSpectrometerJINGJ岫rrjnanl~,ZHOUJin-son93。
,XIANGLIBin3,LOQun-b03,WEIRu-yil・21.KeyLaboratoryofSpectralImagingTechnique,Xi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics。
ChineseAcademyof
710119,China
ofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China
100190,ChinaSciences,Xi’an2.GraduateUniversity3.AcademyofOpto-Electronics,ChineseAcademyofSciences。
Beijing
AbstractT1leprincipleofreflectingrotatingFouriertransformspectrometerwasintroducedinthepresentpaper.Thenonlinear
opticalpathdifference(OPD)ofrotatingFouriertransformspectrometeruniversallyexists。
producedbytherotation
toproblemofofrotatingmirror.Thenonlinear0PD、jl,illlesdfictitiotasrecoveryspectrum。
∞itisnecessarytocompensatethenonlinesr
OPD.ThreemethodsofcorrectionforthenonlinearOPDweredescribedandcomparedinthispaper。
namelyNl唧method。
0PDreplacemethodandinterferogramsfittingmethod.TheresultindicatesthatNUFFTwasthebestmethodforthecompensa—tionofnonlinear0PD,OPDreplacemethodwasbetter,itsprecisionwasalmostthesame
superiortOasNUFFrmethod。
andtheirrelativethanNI
theerrorare0.13%,butthecomputationefficiencyofoPDreplacearemethodSOiSslowermmethod。
whiletheareprecisionandcomputationefficiencyofinterferogramsfittingmethodnotsatisfied,becauseintederogramsrapid
fluctuantespeciallyaroundthezeroopticalpathdifference,SO
needspiecewisefitting,itsitisunsuitableforpolynomialfitting,andbecausethismethodcomputationefficiencyiStheslowest。
thustheNU肿methodiSthemostsuitedmethodforthenon-linesroPDcompensationofreflectingrotatingFouriertransfo册spectrometer.
KeywordsSpectrometer;Rotatingmirror;Opticalpathdifference(OPD)INonlinearsample
(ReceivedMay10,2009;acceptedAu舀20,2009)
.16Correspondingauthor
万方数据
反射转镜式干涉光谱仪光程差非线性修正方法比较
作者:
作者单位:
景娟娟,周锦松,相里斌,吕群波,魏儒义,JINGJuan-juan,ZHOUJin-song,XIANGLi-Bin,L(U)Qun-bo,WEIRu-yi景娟娟,魏儒义,JINGJuan-juan,WEIRu-yi(中国科学院光谱成像技术重点实验室,中国科学
院西安光学精密机械研究所,陕西,西安710119;中国科学院研究生院,北京,100049),周锦
松,相里斌,吕群波,ZHOUJin-song,XIANGLi-Bin,L(U)Qun-bo(中国科学院光电研究院,北
京,100190)
光谱学与光谱分析
SPECTROSCOPYANDSPECTRALANALYSIS
2010,30(6)刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
参考文献(15条)
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7.WadsworthW;DybwadJP查看详情1998
8.ChristopheE;LegerD;MailhesC查看详情2004(5668)
9.LiuQH;XuXM;TianB查看详情2000(04)
10.AndersonC;DahlehMD;SIAMJ查看详情1996(04)
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13.CooleyJW;TukeyJW查看详情1966
14.WadsworthW;DybwadJP查看详情1997
15.BellRJIntroductoryFourierTransformSpectroscopy1972
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