基于触发采样方法和相位校正的红外光谱测量的应用研究

第 ３ ５ 卷 ，第 ７ 期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ５ 年 ７ 月 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. ３５ ，No. ７ ，pp２０５４‐２０５９ July ，２０１５
FT IR 光谱仪噪声 ，选用受大气中水汽及 CO２ 干扰较小的
２ １００ ～ ２ ２００ 或 ２ ５００ ～ ２ ６００ cm － １ 光谱区间 ，分别用相同扫
描次数测量背景谱及吸收谱 ，测量最后得到的透过率谱的
峰‐峰值 N ，其信噪比可表示为
SNR
＝
１００ N
（５ ）
其中 ，１００ 表示透过率谱的信号 ， N 表示透过率谱的噪声 ，
在实际的 FT IR 光谱仪中 ，由于光学元件调整偏差 、 采 样位置偏差等因素引起的相位误差是导致仪器信噪比下降的 重要因素 ，因此为了仪器满足高温烟气在线测量的需要 ，需 要对所研制的仪器进行相位误差及其信噪比的相关计算 ，并 验证其是否满足测量高温烟气的需求 。 相关计算过程如图 ２ 所示 。首先将测量得到的干涉图数据进行傅里叶变换得到其 相位误差 ，若存在相位误差则需对其进行相位校正 ，最后测 量计算其仪器信噪比 。
图如图 ４ 所示 ，图 ４（a）为外场实验实物图 ，图 ４（b）为外场实 验结构示意图 ，图 ４（c）为 FT IR 光谱仪中怀特池示意图 ，图 ４（d）为室内测量仪器实物图 ；其中 FT IR 光谱仪是自主研制 的双摆臂主动式傅里叶变换红外光谱仪 ，探测器为热电制冷 型中红外探测器 ，光谱分辨率为 １ cm － １ ，He‐Ne 激光器的波 长为 ６３２. ８ nm ，输出功率为 ２ mW 。
１ 理论基础
1. 1 基本原理 为了获得高质量的光谱信号 ，必须对红外干涉信号进行
等光程差间隔采样 。在 FT IR 光谱仪中通常采用 He‐Ne 激光 干涉信号作为参考 ，用来触发红外干涉图的采样 ，不仅提供
收稿日期 ：２０１４‐０６‐１１ ，修订日期 ：２０１４‐１０‐１５
基金项目 ：国家重大科学仪器设备开发专项（２０１３Y Q２２０６４３０２ ） ，国家自然科学基金项目（４１１０５０２２ ，４１３０５０２０ ）和中国科学院战略性先导科 技专项 （XDB０５０４０５００ ）资助
信噪比 （S N R ）是 衡 量 傅 里 叶 变 换 光 谱 仪 性 能 的 重 要 指
标［１４］ ，其信噪比越高 ，仪器的性能越好 。
在中红外波段 ，对于不同波段的仪器 ，其信噪比的大小
不尽相同 ，频率由高到低 ，信噪比逐渐降低 。 了解信噪比的
大小 ，首先要知道仪器的噪声 。 通常情况下 ，透过率法测量
重要来 源［７］ 。 目 前 常 用 的 相 位 校 正 方 法 有 ： M ertz 乘 积 法［８ － １０］ 、 Fo rman 卷积法［１１］ 、绝对值法［１２］ 等 。 Forman 法主要 在时域中实现 ，相位校正结果较好 ，但是计算量较大 ，需要 进行卷积运算 ，不便于硬件实现 ；绝对值法要求采集双边干 涉信号 ，不仅计算量大 ，光谱质量低 ，而且信噪比较低 ，不 适用于弱信号的检测 ；而 M ertz 法是在频域中实现相位校 正 ，计算量小 ，比较简单 ，容易实现 。
示
＋∞
∫ S（~ν） ＝ I（x）cos（２π~νx ）d x －∞
（１）
其中 ， x 是光程差 ， I（x）是光程 x 处的干涉强度 ，~ν是任一波 数 ，S（~ν）是波数 ~ν处的光谱强度 。
理想情况下 ，干涉图与光谱图完全符合傅里叶变换关
系 ，同时干涉图也具有左右严格对称的峰值形状 。 但是实际
本文从红外干涉图等光程差采样出发 ，采用自主研制的 He‐Ne 激光波长触发采样和反馈控制系统分析计算了 He‐ Ne 激光干涉信号过零点的均匀性对干涉图信号相位误差的 影响 ，然后利用 M ertz 乘积法对其进行相位校正 ，得到了相 位校正后的 FT IR 光谱仪信噪比 。 使用基于此干涉图采样方 法的系统进行了实际测量 ，从实验测得的透过率光谱中反演 了高温烟气中 NO 的浓度 ，验证了本文中采用的 He‐Ne 激光 触发采样方法在高温烟气浓度反演中的可行性 。
Fig. 2 The instrument parameters related calculation process
1. 2 相位校正
FT IR 光谱仪的核心部件为迈克尔逊干涉仪 ，其理论基
础为干涉图与光谱图满足傅里叶变换关系 ，傅里叶变换是信
号从时域（干涉图）到频域 （光谱图 ）转换的过程 ，如式 （１ ）所
多种因素导致的相位误差 ， ~S （ν）是引入正弦分量的光谱强 度 ，与 ~I（x）互为傅里叶变换 。 FT IR 光谱仪中由于是双路信
号的相位差测量 ，其采样时间间隔之差是影响相位误差的主
要原因 ，因此 ，在这里主要考虑采样时间均匀性对相位误差
的影响 。
由式 （２ ）可导出真实光谱强度与出现误差的光谱强度的
从农药厂烟囱中采样得到的高温烟气 （１８０ ℃ ）首先进行 过滤以避免灰尘和水汽等干扰物质 ，然后经过伴热管线 ，其 目的是防止高温烟气中的水蒸气降温变成液态水 ，避免待测 气体溶于水 ，降低仪器测量精度 。最终待测气体进入多次反 射式怀特池 ，同样为了避免温度降低 ，如图 ４ （c）所示在怀特 池外侧壁增加了加热带 ，在加热带上连接了继电器 ，其作用 是保证加热带的温度为 １８０ ℃ ，使怀特池的温度保持稳定 ， 最后在加热带外侧缠绕了绝缘保温材料 。同时为了防止过滤 器堵塞 ，在仪器工作一段时间后会进行反吹 ，这样设计可以 确保仪器能够长期有效运行 。
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了高精度等光程差采样间隔 ，而且可实现高精确度的动镜扫 描速度反馈控制 。 He‐Ne 激光干涉图的工作原理图如图 １ 所 示。
Fig. 1 The principle of Helium‐neon laser sampling interference
当动镜的扫描速度［１３］ 恒定时 ， He‐Ne 激光干涉信号的 波形为标准的正弦波 ，将探测得到的正弦波信号经过电压比 较器转换为与其频率相同的方波信号 ，为了对数据进行后续 处理 ，需要将方波信号再次整形为过零脉冲信号 ，利用过零 脉冲信号触发得到红外干涉信号 。由于过零脉冲间隔对应于 红外干涉信号的等光程差间隔 。 因此 He‐Ne 激光过零信号 的均匀性是实现红外干涉图等光程差间隔采样的基础 。
测量中由于相位误差的影响 ，会导致干涉图的峰值形状发生
偏差 ，此时干涉图中引入了正弦分量 ，式 （１ ）变成式 （２）所示
的复数傅里叶变换关系 。
∫ ~I（x） ＝ ＋ ∞ S（~ν）cos２π~ν（x － ε）d~ν ＝ －∞
∫＋ ∞ ~S（~ν）exp（－ j２π~νx ）d~ν －∞
（２）
其中 ，~I（x）是等光程间隔采样的红外干涉强度 ， S（~ν）是真实 的光谱强度 ，只有实数 。 ２π~νε是由光路 、 电路或采样误差等
作者简介 ：李 妍 ，女 ，１９９０ 年生 ，中国科学院安徽光学精密机械研究所硕士研究生 e‐mail ：yli＠ aiof m. ac. cn * 通讯联系人 e‐mail ：x uliang ＠ aiof m. ac. cn
第 ７ 期 光谱学与光谱分析
其中 ，FT IR 光谱法是近年来吸收光谱测量方法中迅速 发展的一门综合性监测技术 ，由于其具有非接触 、 实时 、 快 速 ，准确 ，灵敏度高及在线多组分测量特点［４］ ，在环境 、 工 业 、农业 、生物 、军事和航空航天等领域用来识别和量化多 种不同的化学组分［５ ，６］ 。随着 FT IR 光谱仪的应用逐渐广泛 ， 对其性能要求也逐渐提高 ，其中仪器的信噪比是表征仪器性 能的主要因素 。影响信噪比的因素有很多 ，其中相位误差是
Fig. 3 The diagram of Helium‐neon laser trigger sampling system
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光谱学与光谱分析 第 ３５ 卷
2. 2 方法 在江苏省扬州市某农药厂进行了外场实验 ，其实验连接
由上式可看出 ，透过率谱的峰‐峰值 N 越小 ，其仪器信噪比
越高 。在利用透过率谱方法测量光谱仪器噪声时 ，没有目标
气体 ，所以假设在测量得到的透过率光谱谱带中有一个谱带
的透过率为 ０ ，具有 １００％ 的吸收特性 。由于仪器噪声是随机
的 ，需要进行多次测量取并其平均值 。
２ 实验部分
2. 1 仪器 FT IR 光谱仪中 He‐Ne 激光触发采样系统装置如图 ３ 所 示 ，主要包括激光光源 、 红外光源 、 M ichelson 干涉仪 、激光 探测器 、红外探测器 、前置放大器 、 滤波器 、 ADC 以及计算 机等 。 激光信号经过 M ichelson 干涉仪到达探测器 ，通过连 接在探测器上的示波器得到等时间间隔的激光信号 ，以此来 分析激光过零信号的均匀性 ；与此同时 ，经过整形后的激光 脉冲触发进行红外信号等间隔采样 ，红外干涉信号经由探测 器探测并通过放大 、滤波及 AD 采集卡到达计算机 ，实现光 谱的连续采样 、处理以及结果显示 。
关键词 傅里叶红外光谱仪 ；He‐Ne 激光采样 ；相位校正 ；信噪比 中图分类号 ：O６５７. ３ 文献标识码 ：A DOI ：１０. ３９６４ ／j. issn. １０００‐０５９３（２０１５）０７‐２０５４‐０６
引 言
随着工业化和城市化的快速发展 ，大气污染已经影响到 人们的日常生活及身体健康 。近年来 ，随着城市雾霾现象的 日益严重 ，对大气污染物的监测和减排越来越受到重视 。 为 了及时 、准确 、系统的掌握大气污染物的排污状况 ，需要对 其进行连续监测 ，为大气环境的治理提供可靠依据 。 目前常 用的测量手段有 ：抽样法 、 吸收光谱法等 ，由于吸收光谱测 量不会破坏分子结构 ，操作方便 ，谱线比较简单因此被广泛 应用 。目前主要的吸收光谱分析方法有 ：非分散红外光谱 （non‐dispersive infrared ，NDIR）法［１］ 、差分吸收光谱 （differ‐ ential optical absorption spectroscopy ，DOAS ）法［２］ 、 化学发 光分析法［３］ 、 傅里叶变换红外光谱 （Fourier transform infra‐ red ，FT IR）法等 。