基于傅立叶变换的光谱数据分析

1绪论

本章介绍课题的研究背景,总结阐述光谱分析技术的发展应用,以及光谱测量仪

器的分类和各自特点,特别是傅里叶光谱仪及应用情况,简要介绍傅里叶变换光谱仪

的研究现状及成果;最后阐述本课题的研究目的、意义以及主要研究内容和技术指标

要求。

1.1选题的背景、目的和意义

在现代高技术战争中,激光武器及其对抗已显得日益重要,面对战场上激光战术

侦察、激光武器和激光制导武器等激光威胁,加速发展激光侦察告警技术己成为激光

对抗的首要任务。准确、可靠、迅速地掌握对方激光的属性己成为交战双方开战的重要前提,因此采用先进技术提高激光告警设备敌我识别的性能、抗干扰能力和反应速度是非常必要的。

激光告警技术是是光电对抗的重要组成部分。研究激光告警技术的目的是快速探测敌方激光威胁的存在,尽可能确定出其方位、波长、强度、脉冲特性(脉宽、重复频率等)等信息,以便我方能及时采取保护或反击措施。激光告警设备硬件通常由激光接收系统、光电传感器、信号处理器、显示与告警装置等部分组成。目前,告警设备在软件上基本都采用解方程组或者查表的方法,求解来袭激光的波长、角度和次数等基本信息。例如,典型相干识别法的迈克尔逊型、法布里一拍罗(F-P)型和光栅衍射型告警机,利用形成的干涉条纹间距确定入射激光的波长,利用干涉图的横向位移量确定入射激光方向等。当激光以一定波长和方向入射时,特定条纹在光电探测器上的位置的不同或者条纹阳间距的不同,制作波长和与入射方向对应的查找表,这样处理器只需计算目标条纹的成像位置和间距,便可通过软件查表实现波长和角度的测定。这种方法原理简单、编程容易;但是无法求出目标激光的光谱特征,从而无法得到威胁激光的时、空特性和类型[1]。

为了实时获取来袭激光的光谱分布和类型,提高告警系统的信噪比和探测率,需

要研究具有高速、准确、性能可靠的新型激光告警系统。

1.2激光光谱探测技术的国内外研究现状

目前,激光信号光谱的探测,主要通过光谱仪来实现,光谱仪从原理上可分为色

散型和干涉型两大类。

色散型光谱仪以棱镜或光栅为色散器件,利用色散元件将复色光色散成一系列谱线,然后再用探测器测量每一谱线的强度,具有结构简单、性能可靠等优点,但因该类光谱仪均含有入射狭缝,狭缝越窄,光谱分辨率越高,进入系统的光通量就变小,信噪比降低,即光谱分辨率和光通量是色散型光谱仪中相互制约的一对矛盾。由于这类光谱仪发展较早,技术相对成熟,在各领域已有诸多应用[2,3]。

干涉型光谱仪,是通过对入射光束引入不同光程差进而形成干涉图,并对干涉图进行处理,获得光谱信息。典型的干涉型光谱仪有傅里叶变换光谱仪,通过该光谱仪形成的干涉条纹和激光光谱间存在傅里叶变换关系,因此对条纹进行傅里叶变换,便可以得到光源光谱信息,具有高光谱分辨率和高光通量等优点,能探测微弱激光信号,在激光被动侦察中有重要意义。理论分析表明,在相同情况下,傅里叶变换光谱仪的能量通过率比典型色散型光谱仪高300倍左右,而光谱分辨率一般也高两个数量级以上。从实现的方式上,傅里叶变换光谱仪,又可分为时间调制干涉光谱仪和空间调制干涉光谱仪两大类[4,5]。

时间调制干涉光谱仪,是以迈克尔逊干涉仪为基础的,光的调制靠镜面的机械扫描运动来实现,这就决定了这种调制方式的扫描速度不可能很高,同时对机械扫描系统的加工、装配等的精度提出了较高的要求。在实际应用中,时间调制干涉光谱仪暴露出两大缺点:1)动镜驱动系统对倾斜、晃动非常敏感;2)实时性不好,干涉图的形成需要动镜运动一个周期,故不适合快速变化激光的光谱测量。它的优点是能达到较高的光谱分辨率[6]。

空间调制千涉光谱仪也称静态干涉仪,是九十年代以来随着探测器阵列的飞速发展而出现的,与时间调制型干涉成像光谱仪相比,空间调制型干涉光谱仪是在同一时刻探测器阵列的不同位置(空间)上,获得目标辐射光谱。这种静态的干涉光谱谱仪的类型很多,典型的有基于振幅分割的静态Michelson干涉仪(如图1.1)、三角共路Sagnac 干涉仪(如图1. 2)、Mach-Zehnder干涉仪(如图1. 3)、基于偏振干涉的双折射晶体的偏振干涉仪(如图1. 4 )和光楔光谱仪(如图1.5)

图1.1静态Michelson干涉仪

图1.2三角共路Sagnac干涉仪

图1.3 Mach-Zehnder干涉仪

图1.4双折射晶体偏振干涉仪

图1.5光楔光谱仪

这些静态干涉仪产生的干涉图,是按空间分布的强度信号,因此可实现对时变或脉冲辐射的实时监测:它们没有运动部件和扫描机构,使得仪器的结构变得简单、紧凑和稳定,抗干扰和震动能力强,减轻了设计和加工难度、体积和重量小,降低了成本。

鉴于以上诸多优点,空间调制干涉光谱技术一出现,即引起了美国、加拿大、日本、芬兰等国家的高度重视。目前国际上主要有:美国佛罗里达工学院和夏威夷大学基于Sagnac 干涉具的空间调制干涉光谱仪,其光谱范围为m m μμ0.5~0.1,分辨率为1100-cm ;美国华盛顿大学基于双折射元件的数字阵列扫描干涉仪,仪器的光谱范围为m m μμ2.2~4.0,分辨率为1300-cm ,空间分辨率为1. 5',视场为︒5,体积只有40cm X 10cm X 15cm;美国宾夕法尼亚大学的研究人员研制的基于握拉斯顿棱镜阵列的干涉装置,可改善普通握拉斯顿棱镜光谱仪在分辨率上的不足,其结构紧凑,分辨率高;另外,美国Hughes Santa Barbara 和NASA Langley 研究中心分别研制成功光楔滤光片光谱仪WIS21 WIS22和基于地球静止卫星F-P 干涉光谱仪。英国圣安德鲁斯大学研制了基于Wollaston 棱镜的空间调制光谱仪;日本大阪大学基于Savat plate 的多通道红外空间调制光谱仪[7]。

在国内,中国科学院上海技术物理研究所、西安光机所和长春光机所及北京空间机电研究所等单位也开展了干涉光谱仪的研究工作。上海技术物理研究所主要研究光栅推扫式光谱仪和傅里叶变换光谱仪,该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,光谱范围m m μμ153-,分辨率11-cm ;西安光机所研制的大孔径静态空间调制干涉光谱仪采用Sagnac 结构,他们吸收了1996年美国科学应用国际公司((SAIC)的专利,光谱范围m m μμ75.05.0-;沈为民等人研制了一种紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪,它是由两块半五角形棱镜构成的环形共光路,具有无机械扫描、结构简单、体积小、性能稳定的特点。长春光机所应用光学国家重点实验室正在研制的是猫眼动镜驱动式傅里叶变换光谱仪的原理样机,该样机主要是用来测量紫外一真空紫外的光谱,光谱范围m m μμ3.017.0-,分辨率1025.0-cm 。浙江大学光电系在20世纪90年代初研制过弹簧片扫描结构的傅里叶变换光谱仪,但后来再没有相关报道。

各种静态干涉光谱仪性能比较如表1. 1所示。从比较结果可见,光楔型光谱仪的整体性能较好,工艺要求相对较低。因此,本项目中采用等效光楔(斜楔)干涉具做干涉 元件,获得干涉条纹[8]。

表1.1各类静态干涉仪光谱仪性能比较

1.3研究主要内容

为了实时获取来袭激光的光谱分布并识别其类型,提高激光告警系统的信噪比和探测率,本课题研究基于相干探测原理,以光纤束为光学天线、用等效斜楔干涉具做相干识别器的高速、高性能被动激光光谱探测技术。特定入射方向的入射光被光纤束光学天线接收,经准直后垂直照射干涉具进行相干叠加,聚焦透镜(柱面镜)将从干涉具出射的平行光束聚焦在光电传感器线阵上,然后由高速信号处理系统求得光源光谱信息[9]。

2光谱数据采集

2.1傅里叶变换光谱测量原理

Fourier 变换光谱仪是通过对双光束干涉仪产生的干涉图进行Fourier 变换来获取光谱的。在Fourier 变换光谱学的发展过程中,人们提出过多种形式的Fourier 变换光谱仪,尽管它们形式各异,但其物理原理和基本理论却是一致的。图2. 1是最简单而又能完全说明Fourier 变换光谱学基本原理的Michelson 干涉仪。下面通过对Michelson 干涉仪产生的干涉图的定量分析来阐述Fourier 变换光谱学的基本原理[10,11]。

图2.1 迈克尔逊光谱仪原理

设有一振幅为A ,波数为v 的单色平行光以平行于静镜M1入射到反射系数为r ,透射系数为t 的理想分束器BS 。分束器将入射光分成振幅为ra 的反射光束和振幅为ta 的透射光束,分别经静镜M1和动镜M2反射后再次回到分束器,又分别被分束器分为透射和反射的两束。其中部分向着光源的方向传输,另部分则沿与入射方向垂直的方向传输,在探测器D 上进行干涉,形成干涉条纹。探测器接收到的信号为:

φi D e A t tA r A -⋅⋅+⋅= 式2.1

式φ是从动镜和静镜反射的两束相干光之间的位相差:

vx πφ2= 式2.2

式中x 为干涉仪两臂之间的光程差。探测器上信号的强度为

)2cos()(2)(2)

2cos(22),(002222220vx v RTB v RTB vx A t r A t r I I A A v x I a d D D ππ+=+=+=⋅= 式2.3

其中22,t T r R ==表示分束器的反射率和透射率,)(0v B 是入射光束强度分布。可见,探测器产生的信号是由直流分量)(20v RTB 和交流分量组成)2cos()(20vx v RTB π由于只有交流分量反映输入光谱的形状,故去掉直流分量得到:

)2cos()(2),(0vx v RTB v x I a π= 式2.4

此交流分量代表了一定波数v 的入射光束,经Michelson 干涉仪后,在探测器D 上的强度I 。随光程差x 的变化规律。式2.4是在理想状态下,单色光的干涉图。实际上探测器得到的干涉条纹强度除与光源辐射强度Bo (v)有关外,还与分束板性质、探测器光谱响应,前置光学系统、电子线路等环节有关。因此对于实际情况,需要对式2.4进行修正,引入修正因子H(v) (H(v)

)2cos()()(2),(00vx v B v RTH v x I π= 式2.5 令)()(2)(0v B v RTH v B =表示修正好的光源强度,则:

⎰∞∞-=)2cos()(),(vx v B v x I z π 式2.6 这里B(v)表示光源的功率谱分布。不难看出,干涉图I(x)与光谱分布)(v B 是又是 Fourier 变换对,即

⎰∞∞

-=dv vx v B x I )2cos()()(π 式2.7 ⎰∞

∞-=dx

vx x I v B )2cos()()(π 式2.8 以上两式是Fourier 变换光谱学的基本关系式,也是傅里叶激光光谱探测技术的理论基础。以上是激光光谱探测技术的基础,实际应用中为了获得激光的功率谱分部,还必须附之以相应功能软件来完成频谱的复原和波长计算[12,13]。

2.2激光光谱探测系统方案

为了完成前面提出的研究任务,本文提出了基于等效斜楔干涉具的静态傅里叶变换光谱探测方案,在该系统中采用了光纤接收天线收集来袭激光并将其转换成方向-致的平行光:信号处理系统以具有较强信号处理功能的数字信号处理芯片为核心。以傅里叶变换光谱技术原理为基础,设计了适当的光路和干涉具,使入

射激光产生干涉,对干涉图进行傅里叶变换,从而得得入射激光的波长和光普信息[14]。

2.2.1整体结构

傅里叶变换激光光谱探测系统原理如图2.2所示,系统由光学接收天线、等效斜楔干涉具、聚焦透镜、线阵CCD 相机和信号处理系统组成。线阵CCD 置于聚焦透镜的焦平面上。光学天线用来收集激光并将其转换为平行光,经准直后照射到干涉具表面,在干涉具输出面处产生周期性的空间干涉条纹,经聚焦透镜,成像在线阵CCD 上,通过CCD 相机进行光电转换和模数转换后,运用TI 公司的TMS320VC5509定点型DSP 进行处理,得到入射激光的光谱信息和波长[15]。

图2.2傅里叶变换激光光谱探测系统

2.2.2可行性分析

图2. 3是该系统中等效斜楔干涉具原理示意图,干涉其由两个三角棱镜粘合成,棱镜I 是等腰直角棱镜,M1是其光入射面,M2是其全反射而;棱镜2是非直角棱镜,M3是其个反射面,Ml 是其光出射面,它的一个锐角是45O ,另一个锐角为α-O 45谱仪数据计算量较大,而系统对计算速度要求又较高,因此在数据采集与处理中使用高性能的DSP 处理器,以满足系统对速度的要求。整个系统集成化程度高、响应速度快、抗干扰能力强。下面对系统整体结构及可行性进行阐述。

(α为一小角);两个三角棱镜通过长边粘合在一起,粘合处镀有半透半反膜,形成一个分光面BS。光学天线收集的入射光,经准直后变成平行光,该平行光透过M1照射到BS上,经反射、透射分成光强近似相等的两束,再分别由M2和M3反射后,经过BS透射、反射后,从M4射出干涉具。由于角度α的原因,使得两束激光在干涉具中传播时产生了连续的光程差,从干涉具出射后,出射激光产生双光束干涉,形成干涉条纹[16]。

图2.3等效斜楔干涉具原理

本干涉具中,干涉条纹与其光谱之间满足式2.8,仍是一对傅里叶变换:

⎰∞∞-=dv

(

)

cos(

)

vx

v

B

x

I)

2

式2.9

⎰∞∞-=dx

cos(

)

(

2

)

vx

B)

x

I

v

式2.10 同样对干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到光源的光谱信息。

干涉具产生的干涉条纹是空间分布的周期信号,使用电荷祸合器件(CCD),将这种空间周期信号变换为时域周期信号,再将时域周期信号经过A/D转换后,运用离散傅里叶变换(DFT),可求出入射激光的光谱信息和波长。将得到的数据存为1024.txt。该干涉具,具有非扫描、体积小、结构简单、成本低、光谱检测速度快等优点,可满足高速探测窄脉冲激光信号光谱的要求。

2.3等效斜楔干涉具的设计

由图2.4中(a)中可知,干涉具中角度α的存在是其产生干涉条纹的关键,它可等效为一个斜楔,而又不是一个真正的斜楔,因此我们称其为等效斜楔干涉

具。在该傅里叶变换光谱探测技术中,干涉具是核心部件,系统的光谱分辨率、波长计算误差大小等都与干涉具有直接的关系。

2.3. 1干涉具中的光程差分析

如图2.4中(a)所示,从干涉具出射的两束光传播方向不同,所以发生干涉的两条光线并不是由同一条入射光线分束形成,而是分别由两条入射光线经BS分束形成。

a

b

图2.4等效斜槲干涉具原理

光线1入射到BS 的A 点上,经过BS 反射到达M2上B 点,经M2反射后透过BS 到达柱面镜上C 点;光线2入射到BS 的D 点上,透过BS 照射到M3的E 点上,由于α角的原因,光线不能原路返回,而是会相对于原路线偏转大小为α2的角度,照射到BS 的F 点上,再经BS 反射到达C 点,与光线I 相交,发生干涉。做FG 土AC ,交点为G 点,AC 交DE 于H, EF 交于I ,延长DE 交M2’于J, M2’是M2相对于分光面BS 的镜像面,与M3相交于0点。由光线反射理论及相关三角关系可得

α2=∠=∠=∠EFG DCA DEF

45=∠=∠FAG AFG

α2cos FI FG AG == 式2.11 GC AG AC += 式2.12 α2cos EI HE = 式2.13 α2cos FC GC = 式2.14 EJ HE HJ AB +== 式2.15

从图中可以看出在A 点、H 点 之前两束光传播路经完全相同,光程差产生于此后的传播中。光线1在A 点以后传播的路径总长度为

AC AB I +=21 式2.16 光线2在F 点以后传播的路径总长度为

FC

IF EI HE FC EF HE I +++=++=2 式2.17

将式2.9 2.10 2.12 带入式2.14可得

α2cos )(21FC IF AB I ++= 式2.18

将式2.16减去式2.15,再结合式2.9、2.11、2.13,可以得到在J 点发生干涉的两条光线之间的路径差

)

12)(cos (2)12)(cos ()12(cos 2-++=-++-+=∆αααFC EF EJ FC IF EI EJ l 式2.19

一般α取一个很微小的值,否则干涉条纹太密,无法用CCD 采集。此时,12cos ≈α,因此EJ l 2≈∆,EJ 的值与J 点相对于0点的距离OJ 及α角的大小有关,此时干涉可等效于一个斜楔,如图2.4中(b)所示,并以0为原点建立如图直角坐标系。

αOJtg EJ =

光程差为光线路径差与干涉具材料折射率的乘积,可以求得由等效斜楔干涉具出射两束光之间光程差与角α和'2M 上坐标点之间的关系为

αtg nx l n x '2=∆= 式2.20

其中n 是干涉具材料的折射率,x 表示光程差[17]。 2.3.2干涉条纹的傅里叶变换

当光程差为入射激光波长的整数倍时,即:

αλ

ctg n

x 2'=

如图2.4中(a)所示,柱面镜相当于M2相对于BS 的镜像面,故这两个面之间的点存在一一对应关系。M2上光程差为几的两点间距等于柱面镜上干涉条纹间距d 。

αλ

ctg n

d 2=

式2.21

等效斜楔干涉具出射的两束激光光强为021I I I ==,则探测面上的光强分布为: 其中:

λ

1

=

f 式2.22

表示入射激光的波数,x 表示光程差。由傅里叶变换关系可以求得入射激光的波数光谱分布:

⎰∞

--=dx e x I f E fx π2)()( 式2.23

上式说明只要对线阵CCD 采集到的由干涉条纹进行傅里叶变换就可以得到入射激光的光谱信息[18]。 2.3.3α角的选择

α角是该等效斜楔干涉具最重要的参数,以下研究α角选择的理论依据。由

傅里叶变换理论可知傅里叶光谱仪的光谱分辨率是最大有效光程差的倒数。在设计等效斜楔干涉具时,要提高光谱分辨率,就要尽可能的增加最大有效光程差。由式3.19可知增加光程差的途径有两个,增大α角和增加'x 的值[20]。

对干涉具而言,'x 的最大值应该是干涉具的边长,但是只有照射到线阵CCD 光敏面上的光才有效,所以'x 的最大值应该是CCD 光敏面的有效长度。所以在选

定线阵CCD 的后,只能通过增加α角的值来增大最大有效光程差,但是由式3.20可看出,增大α角会导致干涉条纹间距的减小。由于线阵CCD 像元尺寸的限制,条纹间距不可能无限减小。根据香农抽样定理,在一个周期至少要采样两次,才可能准确地恢复信号,即最少需要两个像元才能检测一条干涉条纹,干涉条纹间距要大于等于两倍像元的宽度[21]。

研究中我们选用ATMEL 公司的CamraLink 相机采集干涉条纹,该相机共有2048个像元,像元尺寸为14 x 14m μ,有效探测面总长度为

cm m L 6872.21414=⨯=μ 式2.24

使用时只能使用奇数像元或者偶数像元,故最小条纹间距少大于等于4倍相元宽度,即m d μ56m in =等效斜楔干涉具材料为BK7光学玻璃,其折射率为1. 4581。代入式3. 20 可得α角最大为

min

min 2nd arctg

λ

α= 式3. 25

在最小干涉条纹间距和干涉据材料确定后,确定α的大小还与入射激光的波长有关,由式2.20可以看出,激光波长与条纹间距成正比,波长越小干涉条纹间距越小。

3干涉条纹的高速采集与处理

光电转换是傅里叶光谱测量的重要环节,数字信号处理方法是得到光谱信息得必需手段。由于激光告警接收机的特殊条件,必须采集随时到来的激光信号,并且后续处理系统也要在处理当前数据的同时接收下一帧数据,这就要求在系统设计时要考虑到高速信号的处理能力。由于DSP具有高速的运算能力,使系统实时高速成为可能。本章主要围绕干涉条纹的高速采集与处理,在理论结合试验的基础上,详细介绍干涉具条纹的采集存储、光谱快速获取等方法[22]。

3. 1光电探测器

空间调制型静态傅里叶变换光谱仪的光电信号转换通常由CCD阵列探测器完成。CCD探测器由于集成度高,光谱响应范围宽,光谱分辨率高而得到广泛的应用,是现代光电子学与测试技术中应用最广的光电传感器。

3. 1. 1 CCD相机的选取

1)阵列类型的选择

CCD可分为一维(线阵)的和二维(面阵)两种,其功能是把光学图像信号转变为电信号输出。由于本装置中干涉条纹是一系列分布方向固定的条纹,在垂直条纹方向上的某一行数据进行运算即可获得足够信息,因此选用线阵CCD作探测器,这样既保证了足够的信息量,又有有效降低了数据量,提高处理运算速度。

2)性能要求

根据要求光谱探测范围为nm

400-,故应选取光谱响应范围包含此频

nm1100

段的Si线阵CCD相机作为探测器。另外,系统中相机探测的激光信号具有光谱范围宽、激光能量低、持续时间短的特点,因此CCD相机应具有光谱响应范围宽、动态范围大、噪声小、暗电流小、灵敏度高等特点。

3. 1. 2 CCD相机性能

本系统中选用的法国Atmel公司的AV i i VA M2 CL型线阵CCD相机(见图3.

1 a),其主要特性及参数如下:

1.光谱响应范围宽,可达nm

nm1100

250-;

2.像元数为1024或2048个(可通过相机设置来选择);

3.分辨率8bit, lObit, 12bit可选;

4.光敏感面积为m μ1414*;

5.线阵长30mm;

6.积分时m m μμ135-;

7.数据读出率可达60Mpixel/s

相机采用 Cameralink 接口,是目前工业相机普遍采用的接口格式。采用低压差分信号(LVDS )形式传输数据,数据稳定性高、传输速度快。图3.1b 为AViiVA M2 CL 型线阵CCD 相机的光谱响应曲线[23]。

a

b

图3. 1 AViiVA h12 CL 型相机及其光谱响应曲线 3.2干涉条纹的采集

光电探测器(CCD )将采集到的光信号转化为电信号后,需要送入处理系统进行处理。因此如何快速、实时地与处理系统进行通信是装置的关键技术之一。

数据采集是指从CCD相机输出的串行LVDS电平信号到单片机接收模块之间的过程。数据的采集、传输和处理要协调进行,并且要满足以下条件:(1)数据的采集速度不能低于数据的输出速度;(2)在相机的积分时间内必须要将上一帧的数据处理并输出完毕。如果上述条件不满足,就会导致数据丢失,失去实时性的要求[24]。

4. MATLAB与VC++实验结果对比

4.1用MATLAB进行实验

图4.1读入采集数据得到的源图像

运行程序

plot(A);

axis([0 1024 0 4096]);

xlabel('探测单元数');

ylabel('灰度值');

fA=fft(A,1024);

fAA=abs(fA);

fAA(1:19)=0;

fAA(1005:1024)=0;

n=1:241;

n=n+28;

此段程序将得到的光谱数据读入,然后转化为以探测单元数为横坐标,以灰度值为纵坐标的时域光谱图。

图4.2运行福利叶变换程序后得到的频谱图

运行程序

figure;plot(n,fAA(10:250));

M=max(fAA);find(fAA>=M)

xlabel('波长 \lambda(nm)');

ylabel('强度值');

fB=fAA(10:250);

fC=[];

for i=1:241

j=242-i;

fC(j)=fB(i);

end

m=269:-1:29;

figure;plot(m,fC)

%M=max(fB);find(fB>=M)

xlabel('波长 \lambda(nm)');

ylabel('强度值');

axis([29 269 0 140000]);

此段程序是将上面的时域光谱图通过福利叶变换将其转化为图。以波长为横坐标,以强度为纵坐标。

4.2 用VC++进行实验

运行下面的程序使窗口初始化

BOOL CReadWord1Dlg::OnInitDialog()

{

CDialog::OnInitDialog();

// Add "About..." menu item to system menu.

// IDM_ABOUTBOX must be in the system command range.

ASSERT((IDM_ABOUTBOX & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX);

ASSERT(IDM_ABOUTBOX < 0xF000);

CMenu* pSysMenu = GetSystemMenu(FALSE);

if (pSysMenu != NULL)

{

CString strAboutMenu;

strAboutMenu.LoadString(IDS_ABOUTBOX);

if (!strAboutMenu.IsEmpty())

{

pSysMenu->AppendMenu(MF_SEPARATOR);

pSysMenu->AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu);

}

}

// Set the icon for this dialog. The framework does this automatically

// when the application's main window is not a dialog

SetIcon(m_hIcon, TRUE); // Set big icon

SetIcon(m_hIcon, FALSE); // Set small icon

// TODO: Add extra initialization here

return TRUE; // return TRUE unless you set the focus to a control

}

图4.3窗口初始化

运行下面的程序实现读入得到的光谱数据,光谱数据储存在1024.txt文件夹内。void CReadWord1Dlg::OnInput() //读数

{

// TODO: Add your control notification handler code here

CFileDialog dlg(TRUE, NULL,NULL,OFN_ALLOWMULTISELECT);

if (dlg.DoModal()!=IDOK)

{

EndDialog(IDCANCEL); //取消则退出程序

}

CString strLine, strEdit;

int i=0;

m_File.Open(dlg.GetPathName(),CFile::modeRead);

for(int m=0; m<=1023; m++)

{

m_File.ReadString( strLine );

m_Data = (double)atof((char *)(LPTSTR)(LPCTSTR)strLine);

m_flt[m] = m_Data;

m_Edit1.GetWindowText(strEdit);

m_Edit1.SetSel(strEdit.GetLength(), strEdit.GetLength());

strLine += "\r\n";

m_Edit1.ReplaceSel(strLine);

}

傅里叶变换红外光谱法

傅里叶变换红外光谱法 傅里叶变换红外光谱法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 简称FTIR)是一种用于分析和鉴定化合物的重要手段。它基于傅里叶 变换原理,通过将样品吸收或散射的红外光信号转化为频谱图,提供 非常详细的化学信息,从而实现对样品的定性和定量分析。 一、傅里叶变换原理 傅里叶变换原理是FTIR技术的基础,它描述了信号在频域和时域 之间的转换关系。根据这一原理,任何连续的函数信号都可以通过傅 里叶变换转换为频谱形式,而频谱图中的每一个峰对应一个特定的振 动模式或结构信息。 二、红外光谱的基本原理 红外光谱是利用物质在红外光区(波长范围:2.5-25 μm)的吸收行为,来分析样品的一种方法。当物质中的化学键发生振动或键角发生 变化时,它们会吸收红外光的能量,而产生特定波数的吸收峰。根据 这些吸收峰的位置、强度和形状,可以对物质的结构和组成进行准确 的鉴定。 三、傅里叶变换红外光谱仪的结构 傅里叶变换红外光谱仪主要由光源、样品室、光谱仪和检测器组成。光源产生红外辐射,经过样品室时发生与样品的相互作用,然后通过 光谱仪进行解析,最后由检测器接收并转化为电信号。这些信号经过 傅里叶变换后,最终得到样品的红外光谱图。

四、傅里叶变换红外光谱法的应用领域 傅里叶变换红外光谱法是一种非常广泛应用的分析技术,被广泛应 用于化学、材料、生物、制药、食品等领域。具体应用包括但不限于: 1. 化学物质鉴定:通过比较样品与数据库中的标准谱图,可以准确 鉴定出物质的化学组成和结构。 2. 反应动力学研究:红外光谱可以实时监测反应物与产物之间的变化,从而研究反应速率、反应机理等。 3. 质量控制与检测:对于药品、食品等生产过程中的原料、中间体 和成品进行质量控制和检测,确保产品的安全和合格。 4. 生物医学研究:对于蛋白质、核酸等生物大分子的结构解析、疾 病的诊断等方面具有重要意义。 五、傅里叶变换红外光谱法的优势和局限 傅里叶变换红外光谱法的优势在于其非破坏性、高分辨率、快速分 析的特点,可以对物质进行快速、准确的鉴定和分析。然而,由于红 外光谱在某些情况下受到水汽和二氧化碳等气体的干扰,需要进行红 外透射或反射的样品制备,以减小干扰的影响。 六、结语 傅里叶变换红外光谱法作为一种重要的分析手段,在科学研究和工 业领域中具有广泛应用。它的出现为我们提供了一种非常强大的工具,使我们能够更深入地了解物质的结构和性质。随着仪器性能的不断提

傅里叶变换光谱实验原理

傅里叶变换光谱实验原理 中括号主题:傅里叶变换光谱实验原理 傅里叶变换光谱实验是一项重要的光谱分析技术,能够将时间域中的信号转换成频域中的频谱信息,从而得到样品的光谱信息。本文将以中括号为主题,分为以下步骤详细介绍傅里叶变换光谱实验的原理。 [步骤一:介绍傅里叶变换] 傅里叶变换是一种数学方法,能够将一个函数表示成若干正弦函数和余弦函数的和。它的原理是根据函数的周期性,通过积分运算将函数分解成多个频率的正弦和余弦函数的叠加,从而解析函数在不同频率下的振幅和相位信息。傅里叶变换在信号处理、图像处理以及光谱分析等领域有广泛应用。 [步骤二:光谱分析的基本原理] 光谱分析是通过测量目标物质在一定波长范围内的光强变化,从而获得目标物质的光谱信息。光谱分析可以用于确定物质的组成、结构和各种化学过程的动力学等。常见的光谱分析方法包括紫外可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱等。 [步骤三:傅里叶变换光谱仪的工作原理] 傅里叶变换光谱仪主要由光源、样品室、光路系统、探测器和信号处理电路等组成。其基本原理是通过光源发出连续谱或单色光,经过样品室与待测样品相互作

用后,经过光路系统将光束引入探测器,再经过信号处理电路将光谱信息转换为频谱信息。 [步骤四:光纤和光栅的作用] 光纤是傅里叶变换光谱仪中重要的光路系统组件之一,其作用是将样品室中接收到的光束引导到探测器进行信号测量。光纤的选择要考虑其传输效率和波长范围等因素。 光栅是光谱仪中另一个关键的光学元件,其作用是将光束分散成不同波长的光,并将不同波长的光线按一定规律进行衍射。光栅的特点是高色散性,能够将不同波长的光分离出来,实现波长的选择和测量。 [步骤五:信号的采集与处理] 在傅里叶变换光谱实验中,探测器接收到的光信号经过放大、滤波等处理后,转换成电信号并传入信号处理电路。信号处理电路中的放大器、低通滤波器等组件可以对信号进行进一步处理,消除噪声并增加信号的质量。随后,经过模数转换器将信号转换为数字信号,利用计算机进行数据采集和存储。 [步骤六:傅里叶变换光谱的实验步骤] 1. 准备样品:根据实验需求选择合适的待测样品,并对其进行预处理,如稀释、溶解等。 2. 光谱仪的调试:根据仪器的使用说明进行仪器的调试和校准,包括光源、光

基于傅立叶变换的光谱数据分析

1绪论 本章介绍课题的研究背景,总结阐述光谱分析技术的发展应用,以及光谱测量仪 器的分类和各自特点,特别是傅里叶光谱仪及应用情况,简要介绍傅里叶变换光谱仪 的研究现状及成果;最后阐述本课题的研究目的、意义以及主要研究内容和技术指标 要求。 1.1选题的背景、目的和意义 在现代高技术战争中,激光武器及其对抗已显得日益重要,面对战场上激光战术 侦察、激光武器和激光制导武器等激光威胁,加速发展激光侦察告警技术己成为激光 对抗的首要任务。准确、可靠、迅速地掌握对方激光的属性己成为交战双方开战的重要前提,因此采用先进技术提高激光告警设备敌我识别的性能、抗干扰能力和反应速度是非常必要的。 激光告警技术是是光电对抗的重要组成部分。研究激光告警技术的目的是快速探测敌方激光威胁的存在,尽可能确定出其方位、波长、强度、脉冲特性(脉宽、重复频率等)等信息,以便我方能及时采取保护或反击措施。激光告警设备硬件通常由激光接收系统、光电传感器、信号处理器、显示与告警装置等部分组成。目前,告警设备在软件上基本都采用解方程组或者查表的方法,求解来袭激光的波长、角度和次数等基本信息。例如,典型相干识别法的迈克尔逊型、法布里一拍罗(F-P)型和光栅衍射型告警机,利用形成的干涉条纹间距确定入射激光的波长,利用干涉图的横向位移量确定入射激光方向等。当激光以一定波长和方向入射时,特定条纹在光电探测器上的位置的不同或者条纹阳间距的不同,制作波长和与入射方向对应的查找表,这样处理器只需计算目标条纹的成像位置和间距,便可通过软件查表实现波长和角度的测定。这种方法原理简单、编程容易;但是无法求出目标激光的光谱特征,从而无法得到威胁激光的时、空特性和类型[1]。 为了实时获取来袭激光的光谱分布和类型,提高告警系统的信噪比和探测率,需 要研究具有高速、准确、性能可靠的新型激光告警系统。 1.2激光光谱探测技术的国内外研究现状 目前,激光信号光谱的探测,主要通过光谱仪来实现,光谱仪从原理上可分为色 散型和干涉型两大类。

傅里叶变换红外光谱分析(第三版)

傅里叶变换红外光谱分析(第三 版) 加入书架 登录 •版权信息 •前言 •第一版前言 •第二版前言 •第1章红外光谱的基本概念 •1.1 红外光谱的产生和红外光谱区间的划分 •1.2 分子的量子化能级 •1.3 分子的转动光谱 •1.4 分子的纯振动光谱 •1.5 分子的振-转光谱 •1.6 振动模式 •1.7 振动频率、基团频率和指纹频率 •1.8 倍频峰 •1.9 合(组)频峰 •1.10 振动耦合

•1.11 费米共振 •1.12 诱导效应 •1.13 共轭效应 •1.14 氢键效应 •1.15 稀释剂效应 •第2章傅里叶变换红外光谱学 •2.1 单色光干涉图和基本方程 •2.2 二色光干涉图和基本方程 •2.3 多色光和连续光源的干涉图及基本方程•2.4 干涉图数据的采集 •2.5 切趾(变迹)函数 •2.6 相位校正 •2.7 红外光谱仪器的分辨率 •2.8 噪声和信噪比 •第3章傅里叶变换红外光谱仪 •3.1 中红外光谱仪 •3.2 近红外光谱仪和近红外光谱 •3.3 远红外光谱仪和远红外光谱 •3.4 红外仪器的安装、保养和维护 •第4章傅里叶变换红外光谱仪附件

•4.1 红外显微镜 •4.2 傅里叶变换拉曼光谱附件 •4.3 气红联用(GC/FTIR)附件 •4.4 衰减全反射附件 •4.5 漫反射附件 •4.6 镜面反射和掠角反射附件 •4.7 变温红外光谱附件 •4.8 红外偏振器附件 •4.9 光声光谱附件 •4.10 高压红外光谱附件 •4.11 样品穿梭器附件 •第5章红外光谱样品制备和测试技术•5.1 固体样品的制备和测试 •5.2 液体样品的制备和测试 •5.3 超薄样品的测试 •第6章红外光谱数据处理技术 •6.1 基线校正 •6.2 光谱差减 •6.3 光谱归一化、乘谱和加谱 •6.4 生成直线

傅里叶变换红外光谱分析

傅里叶变换红外光谱分析 傅里叶变换红外光谱分析是一种重要的分析技术,可以用来研究化学 物质的结构和成分。它基于傅里叶变换的原理,将复杂的红外光谱信号分 解成一系列简单的单频信号,从而实现对样品的定性和定量分析。本文将 详细介绍傅里叶变换红外光谱分析的原理、仪器和应用。 傅里叶变换的基本思想是,将一个信号分解成一系列单频信号的叠加。在傅里叶变换红外光谱分析中,将一个复杂的光谱信号分解成一系列不同 频率的单频信号,可以得到红外光谱的频谱信息。通过分析这些频谱信息,可以推断样品的结构和成分。 傅里叶变换红外光谱分析的仪器主要是FT-IR光谱仪。FT-IR光谱仪 是一种利用傅里叶变换原理进行光谱分析的仪器。它采用一种干涉仪的原理,将样品辐射的光束与参考光束进行干涉,得到干涉信号。通过改变光 程差,可以得到不同频率的光谱信号。 FT-IR光谱仪的工作原理是,将红外光通过一个干涉仪分成两束光。 一束光通过样品,另一束光直接穿过参考器。两束光再次合并后经过一个 检测器。通过改变干涉仪的光程差,可以得到不同频率的光谱信号。检测 器将这些光谱信号转换成电信号,并经过傅里叶变换,将时域信号转换成 频域信号。 傅里叶变换红外光谱分析在分析化学中有广泛的应用。它可以用来研 究有机和无机化合物的结构和性质。通过对红外光谱的解析,可以确定化 学键的存在和类型,推断功能团的结构和位置。傅里叶变换红外光谱分析 还可以用来鉴定化合物的纯度和标定分析仪器。

除了在实验室中的应用,傅里叶变换红外光谱分析还可以应用于环境监测和工业生产中。例如,可以用来分析水和土壤中的污染物,以及食品和药品中的化学成分。 总之,傅里叶变换红外光谱分析是一种重要的分析技术。它基于傅里叶变换的原理,可以将复杂的红外光谱信号分解成一系列单频信号,从而实现对样品的定性和定量分析。傅里叶变换红外光谱分析在化学和相关领域有广泛的应用,对于研究化学物质的结构和性质具有重要意义。

傅里叶红外数据处理

傅里叶红外数据处理 傅里叶红外数据处理是一种用于分析和处理红外光谱数据的方法,它 基于傅里叶变换原理,将信号从时域转换到频域进行分析。该方法可 以用于分析各种类型的红外光谱数据,包括傅里叶变换红外光谱(FTIR)、近红外光谱(NIR)和拉曼光谱等。 傅里叶变换是一种数学方法,可以将一个信号从时域(即时间轴)转 换到频域(即频率轴)。在傅里叶变换中,信号被表示为一系列正弦 和余弦函数的和。这些正弦和余弦函数称为基本频率或基本波形。通 过将信号表示为这些基本波形的组合,我们可以更好地理解信号的性质,并提取有用的信息。 在红外光谱中,每个化学物质都有其独特的吸收特性。这些吸收特性 表现为在不同波长处出现的吸收峰。通过对这些吸收峰进行分析,我 们可以确定样品中存在哪些化学物质以及它们的浓度等信息。 使用傅里叶变换对红外光谱数据进行处理时,我们首先需要对原始数 据进行预处理。这通常包括去除基线漂移、噪声滤波和归一化等步骤。然后,我们可以将预处理后的数据输入到傅里叶变换算法中进行分析。 在进行傅里叶变换时,我们需要选择一个适当的窗口函数。窗口函数

是一种数学函数,用于限制信号的时间和频率范围。不同的窗口函数 适用于不同类型的信号,因此在选择窗口函数时需要考虑信号类型和 分析目的。 完成傅里叶变换后,我们可以得到一个频谱图。频谱图显示了信号在 不同频率处的强度。通过对频谱图进行分析,我们可以确定样品中存 在哪些化学物质以及它们的浓度等信息。 除了傅里叶变换外,还有许多其他方法可用于红外光谱数据处理。例如,多元回归分析、主成分分析和偏最小二乘回归等方法可以用于建 立样品中不同成分之间的关系模型,并对新样品进行预测。 综上所述,傅里叶红外数据处理是一种重要的红外光谱数据处理方法,它可以帮助我们更好地理解样品中存在哪些化学物质以及它们的浓度 等信息。在进行傅里叶变换时,我们需要对原始数据进行预处理,并 选择适当的窗口函数。通过对频谱图进行分析,我们可以确定样品中 存在哪些化学物质以及它们的浓度等信息。除了傅里叶变换外,还有 许多其他方法可用于红外光谱数据处理。

处理傅里叶红外光谱数据

处理傅里叶红外光谱数据 处理傅里叶红外光谱数据 傅里叶变换是光谱学中经典的分析方法。它通过将时间域的信号变换 为频率域中的信号,进行信号谱分析和滤波处理,得到频域下的信息。在傅里叶红外光谱分析中,经常需要对信号进行处理,提高数据的精 度和准确性。 一、数据导入阶段 在傅里叶红外光谱分析中,首先需要将光谱数据导入到计算机中。一 般情况下,数据来源于光谱仪采集的数据或者网络上下载的数据,需 要将其转换为可识别的数据格式,如txt,csv等。 二、预处理阶段 在将光谱数据导入计算机后,需要进行预处理。预处理包括峰值修正、基线校正、归一化等。峰值修正是通过对样品和参考样品的峰值比较,将样品的光谱峰值进行修正。基线校正是通过去除基线漂移,提高光 谱曲线的信噪比。归一化是将不同样品的吸收峰值进行比较,提高数 据的可比性。 三、信号平滑阶段

信号平滑可以降低信号噪声,提高光谱峰的稳定性。主要的平滑方法 有一次、二次和三次平滑等。平滑方法的选择需要结合实际需求和信 号特点进行权衡,同时考虑平滑效果和对样品信号特征的影响。 四、数据分析阶段 数据分析是对已处理好的光谱数据进行分析,提取样品的信息和特征。数据分析包括主成分分析、偏最小二乘法、分类等。主成分分析是利 用主成分对原始数据进行降维,并提取其中的有用信息。偏最小二乘 法是先将原始光谱信号与参考数据进行匹配,然后再对样品进行分析。分类是将样品进行分类,通过对不同分类间的光谱特征进行对比,提 高分类的准确性。 处理傅里叶红外光谱数据不仅仅是对数据的预处理和转化,更需要对 信号进行分析和处理。处理好的数据可以提高分析结果的精度和准确性,为后续的实验分析提供可靠的数据支持。

傅里叶变换红外光谱学技术

傅里叶变换红外光谱学技术 傅里叶变换红外光谱学(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,简称FTIR)是一种在红外光谱学领域应用广泛的分析技术,它基于傅里叶变换原理,通过测量样品对红外辐射的吸收或反射来获取样品的结构和组成信息。 技术原理: 1.光源产生红外辐射:一般使用的光源是热辐射源,它会产生包括红外光在内的各种波长的辐射。 2.样品与红外光交互:样品与红外辐射相互作用,因为样品的分子会吸收特定波长的红外辐射。这些吸收波长与样品的分子结构和化学键有关。 3.检测光信号:通过傅里叶变换将样品吸收的光信号转换为频谱图,得到样品对不同波长光的吸收信息。 4.数据解析和分析:由于傅里叶变换将时间域信号转换为频谱图,因此可以获取样品在不同波数下的吸收峰,进而分析样品的成分、结构和化学性质。 主要优势: 1.高分辨率: FTIR技术具有高分辨率的优势,能够准确捕捉样品的微小变化。 2.高灵敏度:对于微量样品,FTIR技术也表现出色,具有高灵敏度。 3.广泛适用性: FTIR可用于液体、固体和气体样品的分析,适用于多种行业,包括化学、生物、医药、食品等领域。 4.实时监测: FTIR技术能够实时监测化学反应和过程,对于反

应动力学等研究具有重要意义。 应用领域: 1.化学分析:用于样品的定性和定量分析,包括物质的结构、功能团、官能团等。 2.药物研发:用于药物成分的鉴定和药物反应过程的研究。 3.生物医学:用于蛋白质、核酸等生物大分子的结构和构象分析。 4.食品安全:用于食品中成分、添加剂、污染物等的检测和分析。 5.环境监测:用于大气、水体和土壤中污染物的检测。 傅里叶变换红外光谱学技术凭借其高效、全面的分析特性,已成为当代科学研究和工业生产中不可或缺的一种先进技术手段。

基于FFT算法的光谱分析技术研究

基于FFT算法的光谱分析技术研究 光谱分析技术是一种测量物质光谱特性的方法,是现代物理学、化学、地球科学等领域内研究材料物性、物理化学过程、地球物 质构成和序列分析等的重要手段之一。基于快速傅里叶变换(FFT)算法的光谱分析技术具有时间分辨能力、频率分辨能力、波形分 析能力和品质保证能力等优点,被广泛应用于光谱解析和数据处 理等方面。本文从基础概念开始,讲述快速傅里叶变换算法原理 及其在光谱分析中的应用。 一、光谱分析基础概念 1. 光谱 光谱是将物质受到的辐射或辐射自身通过光谱仪等光学仪器处 理后,观察到的波长范围内的辐射能量强度随波长的变化关系曲线。 2. 光谱分析 光谱分析是一种研究物质辐射特性的技术,可以通过测量和分 析光谱,获取物质的性质和结构信息。 3. 光谱仪 光谱仪是一种能将物质的光谱信息转化为电信号的仪器,包括 发光源、入射系统、分光装置、检测器等部分。

二、快速傅里叶变换算法原理 傅里叶变换是一种将时域信号转换为频域信号的方法,可以将某个信号分解为不同频率的基本波,从而分析信号的频率成分。而快速傅里叶变换算法是对标准离散傅里叶变换的一种高效实现方式,使用时长远小于标准傅里叶变换。 三、基于FFT的光谱分析技术 基于FFT的光谱分析技术通常从样品辐射信号入手,通过对其信号的FFT分析,得到该样品的光谱信息。主要步骤如下: 1. 采集样品辐射信号。 2. 将采集到的信号进行采样。 3. 对该信号进行FFT分析。 4. 通过对FFT结果的处理还原出该样品的光谱信息。 四、基于FFT的光谱分析技术应用 基于FFT的光谱分析技术具有较高的灵敏度和分辨率,可以应用于各种领域的光谱分析。 1. 光学领域

使用傅里叶变换红外光谱仪进行分析的步骤

使用傅里叶变换红外光谱仪进行分析的步骤 红外光谱技术是一种常用的分析方法,可用于检测和识别物质的结构和成分。其中,傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,简称FT-IR)是一种应用广泛且非常有效的仪器。本文将介绍使用FT-IR进行分析的主要步骤。 1、样品准备 在进行红外光谱分析之前,首先要准备样品。样品可以是液体、固体或气体,根据不同的样品性质和要求选择适当的采集方法。对于固体样品,通常使用压片技术将其制成透明的样品片。而对于液体样品,可以将其滴于红外透明的盘片上。在样品制备时,需要注意样品的纯度和均匀性,确保获得可靠的实验结果。 2、仪器调试 在开始实验之前,需要对FT-IR进行仪器调试。主要包括光源的选择和调节、光路系统的校准和调整、检测器的校准等。通过仪器调试,保证仪器的精确度和灵敏度,提高分析结果的准确性。 3、样品测量 样品准备和仪器调试完成后,进入样品测量阶段。首先,将制备好的样品片或盘片放置在样品台上,并固定好,保证光路不受干扰。接下来,通过仪器控制系统选择合适的测量模式和参数。常见的测量模式包括吸收光谱、透射光谱等。根据具体的需求,可以调节不同的参数,如扫描范围、扫描速度等。 4、数据采集和傅里叶变换 样品测量完成后,系统会自动采集红外光谱信号。采集的数据是一个时间域上的信号,需要通过傅里叶变换将其转换为频域上的光谱图。傅里叶变换的过程是将时间域上的信号分解为一系列不同频率的正弦函数和余弦函数的组合。

5、谱图解析与数据处理 得到频域上的光谱图后,需要对其进行解析和分析。利用谱图上吸光度的变化情况,可以得出样品中存在的化学键、官能团、分子结构等信息。不同的峰值位置和强度反映了样品的不同性质。通过与已知标准样品进行比对,可以进一步确定未知物质的成分和结构。 6、结果报告 在分析结束后,需要将结果进行整理并撰写实验报告。报告应包括样品的详细信息、红外光谱图、解析结果和结论等内容。结果的报告要简明扼要、清晰明了,确保其他人可以准确地理解和使用所得到的数据。 总结: 使用傅里叶变换红外光谱仪进行分析的步骤包括样品准备、仪器调试、样品测量、数据采集与傅里叶变换、谱图解析与数据处理以及结果报告。这些步骤的顺序和注意事项的遵守对于获得准确且可靠的实验结果至关重要。通过红外光谱分析,可以进一步了解样品的化学性质和结构,为科学研究和工业应用提供有力的支持。

傅里叶变换红外光谱在表面分析中的应用

傅里叶变换红外光谱在表面分析中的应用近年来,傅里叶变换红外光谱在表面分析领域中得到了广泛的应用。该技术通过检测物体的红外辐射,可以分析物体的表面信息,应用于各种领域的研究,如材料科学、化学、生命科学等。本文将深入阐述傅里叶变换红外光谱在表面分析中的应用及其优势。 一、傅里叶变换红外光谱的基本原理 傅里叶变换红外光谱是一种基于红外辐射的谱学技术,它可以检测物体在不同波段下的吸收率,从而分析物体的表面信息。大多数物质在红外辐射下会吸收一定的光谱区域,这种吸收谱与物质的化学结构、分子运动和分泌状态等密切相关。因此,傅里叶变换红外光谱通过检测物体在红外光谱范围内的吸收率来获取物质的结构和特性。 基本原理可以归纳为以下几点: 1. 红外光谱仪产生可见光谱或红外光谱,物质被照射后产生反射或散射。

2. 在物质表面的吸附层中将其吸附在表面的气体与物质之间发生化学反应。 3. 将反射光分光到检测器中,通过检测器的光电效应,将反射光转化为电信号。 4. 通过傅里叶变换算法对电信号进行分析和处理,得出物质的吸收谱。 二、傅里叶变换红外光谱在表面分析中的应用 作为一种非常有效的分析技术,傅里叶变换红外光谱在表面分析中的应用越来越广泛。其中,主要应用领域如下: 1. 检测物质表面的污染和化学改性:傅里叶变换红外光谱可以检测表面污染和化学改性,用于制备和控制工艺中发现可能存在的问题。

2. 分析纳米材料的结构和组成:傅里叶变换红外光谱可以对纳米材料的结构和组成进行分析,这对于纳米材料的高效制备和控制有着重要的意义。 3. 表面分析中的半定量分析:傅里叶变换红外光谱可以用于半定量化学分析,可以量化表面物质相关特性,如表面结构中各种化学键的相对含量、表面功能基团含量等。 4. 研究物质的化学反应:通过检测反应物和产物之间在红外光谱下的吸收谱,可以分析红外线光谱中的化学反应,有助于深入理解分析过程。 三、傅里叶变换红外光谱在表面分析中的优势 傅里叶变换红外光谱在表面分析中具有以下几个优势: 1. 高分辨率:傅里叶变换红外光谱分辨力高,可以分析各种研究物质的极微量信息。

利用傅里叶变换光谱分析的物理实验教程

利用傅里叶变换光谱分析的物理实验教程 傅里叶变换在光谱分析中起着重要的作用。通过傅里叶变换,我们 可以将时域信号转换为频域信号,从而获得物质的光谱特征。本教程 将介绍如何利用傅里叶变换进行光谱分析的物理实验步骤。 一、实验目的 本实验的目标是学习和掌握傅里叶变换在光谱分析中的应用。具体 而言,我们将通过实验探究如何通过傅里叶变换获取物质的光谱信息,了解不同频率分量对信号的影响,理解光谱分析的原理和意义。 二、实验器材和材料 1. 光源:可以使用白炽灯、气体放电管等光源。 2. 光栅:具有一定刻线数的光栅,用于分散光束。 3. 准直系统:包括准直透镜、衍射光栅等。 4. 接收系统:接收器、滤光片等。 5. 数据采集设备:例如计算机、示波器等。 三、实验步骤 1. 准备实验器材和材料,将光源、准直系统、接收器连接好。 2. 将光束通过准直透镜和衍射光栅进行准直和分散,使不同波长的 光分别出射。

3. 调节接收系统,选择目标波长范围的光通过滤光片进入接收器。 注意调节滤光片的位置和角度,确保只有目标波长的光进入接收器。 4. 利用数据采集设备采集接收到的光信号,并记录下来。 5. 对采集到的光信号进行傅里叶变换,将时域信号转换为频域信号。这一步可以使用计算机上的傅里叶变换软件完成。 6. 分析得到的频域信号,观察不同频率分量的幅度和相位信息。根 据频域信号的特征,可以推断出物质的光谱信息。 7. 重复上述步骤,可以采集不同波长范围的光信号,并进行光谱分析。比较不同波长范围下的光谱特征差异。 8. 完成实验后,整理实验数据,总结并分析实验结果。 四、实验注意事项 1. 在进行实验前,熟悉实验器材的操作方法和使用要求。 2. 操作时应注意光源的强度和稳定性,避免光强过大或过小导致实 验结果的误差。 3. 在进行傅里叶变换时,应选择适当的参数设置,确保获得准确可 靠的频域信号。 4. 针对不同的光谱分析目的,可以选择合适的滤光片和光栅,确保 实验的有效性和可行性。 5. 实验数据的采集和处理过程中,应注意记录和保存数据的准确性 和完整性。

傅里叶变换光谱仪原理

傅里叶变换光谱仪原理 光谱分析是一种非常重要的物理分析方法,它可以通过分析物质的光谱图,了解物质的成分、结构和特性等信息。傅里叶变换光谱仪是一种非常常用的光谱分析仪器,它可以对物质的光谱图进行高效准确的分析和处理。那么,傅里叶变换光谱仪是如何实现这一功能的呢?下面我们就来探讨一下傅里叶变换光谱仪的原理。 一、什么是傅里叶变换? 傅里叶变换是一种数学变换方法,它可以将一个函数在时间域中的表示转化为在频率域中的表示。具体来说,傅里叶变换可以将一个连续函数f(x)表示成一组正弦和余弦函数的和,即: f(x) = ∫ F(ω)e^(iωx) dω 其中,F(ω)是f(x)在频率域中的表示,i是虚数单位。 傅里叶变换的基本思想是,将一个信号分解成若干个不同频率的正弦波或余弦波,然后通过这些正弦波或余弦波的幅度、相位等特征来描述原始信号的特性。 二、傅里叶变换光谱仪的原理 傅里叶变换光谱仪的基本原理是利用傅里叶变换的方法对光谱 信号进行分析。光谱信号是指物质在不同波长下的吸收、发射或散射光谱,它可以反映物质的分子结构、化学键、电子态等信息。 傅里叶变换光谱仪的工作流程如下: 1. 光谱信号采集 傅里叶变换光谱仪首先需要采集样品的光谱信号,这可以通过光

源、样品、光路和检测器等部件完成。 光源可以是白炽灯、氙灯、钨丝灯等,样品可以是气体、液体、固体等不同形态的物质,光路可以是反射、透射、散射等不同的测量方式,检测器可以是光电二极管、光电倍增管、CCD等光电探测器。 2. 光谱信号处理 采集到光谱信号后,傅里叶变换光谱仪需要对信号进行处理,以获得光谱信号在频率域中的表示。这可以通过傅里叶变换的方法完成,即将光谱信号在时间域中的表示转化为在频率域中的表示。 3. 光谱信号分析 通过傅里叶变换处理后,光谱信号将被表示成一组正弦和余弦函数的和。傅里叶变换光谱仪可以利用这些正弦波或余弦波的幅度、相位等特征来分析样品的光谱特性。 具体来说,傅里叶变换光谱仪可以对光谱信号进行滤波、拟合、峰位分析、峰形分析等操作,以提取样品的光谱信息。这些信息可以用于分析物质的成分、结构和特性等问题。 三、傅里叶变换光谱仪的优点 傅里叶变换光谱仪具有以下优点: 1. 高精度 傅里叶变换光谱仪可以对光谱信号进行高精度的分析和处理,可以提取出样品的光谱信息,从而了解物质的成分、结构和特性等问题。 2. 高效性 傅里叶变换光谱仪可以对大量的光谱数据进行快速处理,可以在

傅里叶变换光谱解析

傅立叶变换光谱实验报告 姓名:学号:专业:光电子 一、实验目的 (1自组傅里叶变换光谱仪,掌握傅里叶变换光谱的原理; (2丈量常用光源的光谱散布。 二、实验原理 傅里叶变换光谱仪是鉴于迈克尔逊干预仪构造。使两束相关光的光程差发生连续改变,干预光强相应发生变化,记录下光强接收器输出中连续的变化部分,获得干预光强随光程差的变化曲线,即干预图函数。而后计算出干预图的傅里叶余弦变换,即可获得光源的光谱散布。这样获得的光谱就被称为傅里叶变换光谱。 1、干预光强的计算 依据光波叠加原理,如有两束单色光,它们的波数都是σ,拥有的光程差,流传方向和偏振方向同样,光强都是I,’这两束光互相叠加产生干预,获得光强为: I=4I'cos(πσ?=2I'+2I'cos(2πσ?2 从上式看,单色光的干预图像包括一个直流重量和一个余弦函数重量,余 弦函数重量的周期就是单色光的波长。 若光源不是单色光,光强随波长的散布为I(σ在,光谱间隔dσ内光强是(σ)I dσ将此光源发出的光等强分红两束,互相关预后光强 是:dI=2I(σdσ+2I(σdσcos(2πσ? 在整个光谱范围内的干预总光强为:

I=c Iò(sds+cI(scos(2psDòds 00¥¥ 此中为常数,上式右边第一项为常数,与光程差没关;右边第二项是光程 差的函数,将第二项独自写出: I(D=c I(scos(2psDòds 0¥ 两束光干预所得光强是光束光谱散布的傅立叶余弦变换。傅立叶余弦变换是可逆的,则有: ∞ I(σ=c?'I(?cos(2πσ?d? 只需测出相关光束的干预光强随光程差变化的干预图函数曲线I(σ进行傅立叶变换就能够获得相关光束的光谱散布。 2、实质应用的有关议论 将上述公式用于实质还需进行一下议论: 1.公式中要求光程差丈量范围为0到∞,但实质中光程差的丈量范围有限。理论上,光程差丈量范围的大小(最大光程差X)决定了傅里叶变换光谱的光谱分辨率,其波束分辨率为1/(2X,但由实质条件X只好为有限值; 2.公式中要求干预光强随光程差连续变化曲线I(。但实质中采纳间隔必定距离失散采样的方法,光程差的采样间隔的大小决定了傅里叶变换光谱的光谱范围。防止光谱线混杂的条件是采样间隔小于或等于最小波长的二分之一。

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