[发明专利]一种红外光谱变频测量方法

摘要

本发明提供了一种红外光谱变频测量方法，采用变频控制算法实现滤光片轮驱动电机的不同运动速度，然后利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，即光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是时不变的单一光谱信号，确定变频测量相关的光谱测量速度、斩光频率、数据采样率、锁相放大参数等参数的计算方法，通过适当数据处理，实现不同测量速度的光谱测量。采用上述方案，可方便的应用到现有的基于渐变滤光片的宽波段红外光谱辐射计，可实现0.015转/秒到10转/秒的不同测量速度的红外光谱测量。

主权项

1.一种红外光谱变频测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：由渐变滤光片光谱通道对应的测量时间，计算得到对应的驱动电机步进数；红外光谱辐射计所用线性渐变滤光片的实际分辨率应进行适当核减，假定核减比例因子为k，其中k>1；对于某一有效光谱采样波长λ_s，实际可用的线性渐变滤光片有效波长带宽为λ_s*(r*k)，对应线性渐变滤光片波长变化方向上的长度L_s为，公式(1)：/nL_s＝[λ_s*(r*k)*L]/(λ₂-λ₁) (1)/n对应滤光片轮的旋转角度θ_s为，公式(2)：/nθ_s＝2arcsin[L_s/(2R)] (2)/n对应驱动滤光片轮的步进电机的步进数n_s为，公式(3)：/nn_s＝floor[(n*θ_s)/(2π)] (3)/n渐变滤光片上中心波长为λ_s的光谱通道是具有一定宽度的，通道内具备类似的光学特性，因此假定待测波长λ_s光谱信号在线性渐变滤光片对应通道内的透过率一致，即步进电机n_s步对应采样点包含的有效信号为λ_s光谱，符合锁相放大所要求的提取信号为时不变信号；因此，利用锁相放大实现对λ_s光谱信号的提取；并且，波长λ_s的有效光谱采样等效于步进电机n_s步内采样点的叠加均值；/n步骤2：为满足锁相放大工作条件，渐变滤光片光谱通道对应的测量时间内，斩光器产生的斩光信号应至少有两个完整周期，由滤光片转速、单次光谱测量对应的全部的驱动电机的步进数、渐变滤光片光谱通道对应的驱动电机步进数，计算得到斩光频率s_c，为公式(4)：/ns_c＝(2*s*n)/n_s (4)/n步骤3：数据采样率应该同时满足斩光信号和光谱采样的乃奎斯特采样定理，取斩光信号和光谱采样率对应数据采样率的最大值来计算；/n数据采样率设置为最大值的5倍以上，以改善数据采样的信号质量；/n为实现对斩光信号的采样，数据采样率应符合乃奎斯特定理，即数据采样率S_a1应满足，公式(5)：/nS_a1＝2*s_c (5)/n为获得有意义的有效光谱采样，光谱采样率应满足乃奎斯特采样定理，因此这里约定确保步进电机每步都能至少有一个采样点，此时的数据采样率S_a2，为公式(6)：/nS_a2＝n*s (6)/n因此，红外光谱辐射计的数据采样率S_a为，公式(7)：/nS_a>5*max(S_a1,S_a2) (7)/n步骤4：数字锁相放大器的时间常数T应小于渐变滤光片光谱通道对应的测量时间；锁相放大器采用数字正交双路锁相放大体制以改善微弱信号提取能力，同时可满足不同测量速度对锁相放大器参数重配置的需要；/nT<n_s/(n*s) (8)/n步骤5：完成测量参数设置进行不同测量速度的红外光谱测量时，对渐变滤光片光谱通道对应测量时间内的锁相放大器输出数据，进行叠加均值处理，以改善获取光谱信号的信噪比；通过适当的数据处理，即可实现渐变滤光片型红外光谱辐射计的不同测量速度的连续测量；/n上述公式(1)－公式(8)中，利用渐变滤光片的光谱通道具有一定的宽度，假定进行红外光谱测量时，光谱通道对应测量时间内的光谱分光信号是同一波长的时不变信号；并假定线性渐变滤光片的光谱分辨率为r，单位为％；线性渐变滤光片的长度为L，对应的光谱波段为λ₁～λ₂，线性渐变滤光片上的入射光斑距滤光片轮中心的距离为R，滤光片轮所用驱动步进电机的单圈步进数为n，滤光片轮转速的每秒旋转圈数为s,斩光器的斩光频率为s_c＝c*n₀，其中c为斩光器转速，n_o为斩光器开孔数，数据采样率为S_a，T为锁相放大器的时间常数。/n