一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法
【專利摘要】一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，將透高頻消減中、低頻的吸收片和透低頻消減中、高頻的吸收片置于紅外光源后的光路中，對光源發(fā)出的部分光能進(jìn)行有頻率針對性的吸收，從而達(dá)到均衡本底光譜能量分布的效果，之后通過提高光源光能使紅外探測器上接收到的總能量與添置吸收片前接收到的總能量相同，此時(shí)本底光譜在原先低能量分布處的能量大幅提高，從而顯著提高了這些頻段的信噪比；本發(fā)明可以避免由于傅里葉紅外光譜能量分布均衡性較差帶來的一些頻段的信噪比和探測靈敏度過低的問題。
【專利說明】
一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傅里葉紅外光譜儀光譜測量領(lǐng)域，特別涉及一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了解決嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，尋求一種強(qiáng)有力的監(jiān)測手段是必不可少的。近年來傅里葉紅外光譜儀(FTIR)由于其測量速度快、探測波數(shù)范圍寬、可同時(shí)測量多種組分的顯著優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于大氣、水源中污染物的檢測領(lǐng)域，尤其利于對突發(fā)性災(zāi)害事件中環(huán)境安全的緊急檢測。通常FTIR檢測氣體的光路示意圖如圖2所示，圖中，采用He-Ne激光器I和紅外光源2，發(fā)出光線經(jīng)分束器3后照射至動鏡4和定鏡5上，激光被激光探測器7接收，紅外光經(jīng)過拋物面鏡一 6反射后照射至樣品8，透射后再經(jīng)過拋物面鏡二 9的發(fā)射，經(jīng)由探測器光闌10得到紅外干涉信號11，并最終得到紅外光譜信號12。FTIR的核心是采用了紅外光束、激光束共用干涉儀的設(shè)計(jì)，采用激光干涉信號提供的位置信息完成紅外干涉信號的等距離間隔采樣。經(jīng)過傅里葉變換最終將直接探測到的紅外干涉信號解析為頻域光譜信號，并通過對比背景光譜檢出被放置于紅外光束所經(jīng)路徑上的待測物的吸收光譜，從而得到待測物的組分信息。
[0003]FTIR對待測物的辨識度和檢測精度直接取決于探測信號的信噪比。而由于FTIR中噪聲的主要貢獻(xiàn)來源探測器的熱噪聲是加性噪聲，基本只與紅外探測器本身性能相關(guān)，因此FTIR的信噪比主要由探測器接收到的有效干涉信號大小和探測器固有的噪聲大小決定。然而，由于高靈敏度紅外探測器(如MCT探測器)存在飽和電壓限制，即探測器對入射光的響應(yīng)電壓只有在飽和電壓以下才與入射光能量大小線性相關(guān)。為了使紅外探測器工作在未飽和狀態(tài)，各FTIR廠家通常還要在采用MCT探測器的光路中加裝光強(qiáng)衰減片來限制入射光功率，一般建議MCT探測器測量樣品的透過率(含光強(qiáng)衰減片)要小于20%。對于大氣污染物監(jiān)測等具有很高透過率的場合下，大量的光能無法被合理利用。
[0004]FTIR對待測物的辨識度和檢測精度直接取決于探測信號的信噪比。而由于FTIR中噪聲的主要貢獻(xiàn)來源探測器的熱噪聲是加性噪聲，基本只與紅外探測器本身性能相關(guān)，詳見 Griffiths, Peter R.and James A.de Haseth, Fourier Transform InfraredSpectroscopy, Wiley-1nterscience publicat1n, John Wiley&Son (1986),因此 FTIR 的信噪比主要由探測器接收到的有效干涉信號大小和探測器固有的噪聲大小決定。然而，由于高靈敏度紅外探測器(如MCT探測器)存在飽和電壓限制，即探測器對入射光的響應(yīng)電壓只有在飽和電壓以下才與入射光能量大小線性相關(guān)。為了使紅外探測器工作在未飽和狀態(tài)，各FTIR廠家通常還要在采用MCT探測器的光路中加裝光強(qiáng)衰減片來限制入射光功率，一般建議MCT探測器測量樣品的透過率(含光強(qiáng)衰減片)要小于20%。對于大氣污染物監(jiān)測等具有很高透過率的場合下，絕大部分的紅外光能無法被合理利用。由于受到飽和電壓的限制，F(xiàn)TIR本底光譜能量分布的不均衡程度將嚴(yán)重影響其在光譜上不同波數(shù)(頻率)處的探測靈敏度。而現(xiàn)實(shí)中FTIR本底光譜的能量分布又極不均衡，圖3展示了理想黑體在800K，1000K，1200K時(shí)的輻射亮度曲線，圖中橫坐標(biāo)的高波數(shù)(wavenumber)對應(yīng)高頻率。FTIR本底光譜不但與光源溫度有關(guān)，還與所使用探測器的響應(yīng)率以及分束鏡的透過率有關(guān)，但在絕大多數(shù)情況下，其本地光譜能量分布都表現(xiàn)為中部高兩邊低的波峰狀，十分不均衡。圖4為采用相同Global (Everglo) source光源，不同探測器(MCT，DTGS)、分束鏡(XT-KBr, KBr, CaF2)時(shí)的 FTIR 本底光譜曲線的圖例，引自 King, P.L.，Ramsey, M.S.，McMillan, P.F.and Swayze, G., Laboratory fourier transform infrared spectroscopymethods for geologic samples, in Infrared Spectroscopy in Geochemistry,Explorat1n, and Remote Sensing, Mineral.Assoc, of Canada, London, ON,33,57—91,2004.其中36000^1與1600c!]! — 1波數(shù)的吸收峰是由于水蒸氣造成的。
[0005]FTIR本底光譜能量分布的不均衡會造成其在部分探測頻段的靈敏度和信噪比很低。以圖4中的能量分布曲線為例，F(xiàn)TIR的本底能量分布在中間頻段分布高，可得到較高信噪比，而在兩端頻段分布低，獲得的信噪比較低，因此對于特征譜線在兩端的氣體的檢測靈敏度就較低。例如圖5顯示了 16種典型氣體在紅外波段的吸收光譜，引自LouiseC.Speitel.Fourier Transform Infrared Analysis of Combust1n Gases, Departmentof transportat1n Washington DC, 2001 ;其中 HCN, HF, C2H2, C2H4 等的檢測靈敏度由于處在光譜兩端低能量分布區(qū)域而較低，然而HCN與HF不但有很強(qiáng)的毒性，需要在較小濃度下即被探知，它們同時(shí)還是水溶性氣體，由于在氣體預(yù)處理的除水過程中會有部分損失，對它們的最低檢出限要求更嚴(yán)苛。
[0006]為了盡量避免光譜本底能量分布較薄弱處的檢測精度過低，現(xiàn)有的FTIR產(chǎn)品中廣泛采用光源發(fā)射曲線與探測器響應(yīng)曲線的相互匹配的方法，即盡量選取對特定的紅外光源發(fā)射曲線具有互補(bǔ)響應(yīng)曲線的探測器以減小其本底光譜的能量分布的差異，提高低能量分布處的能量，但目前能選出的較為匹配的體系仍難以得到很好的能量分布效果。有些國外高檔FTIR還采用在一臺FTIR中同時(shí)安裝兩個(gè)或更多個(gè)響應(yīng)曲線不同的探測器的方法來在光譜不同頻段處均獲得較好的檢測精度。其不同探測器間的切換由控制系統(tǒng)來實(shí)施，但光譜儀的造價(jià)會大幅提高。對于單探測器的通用型FTIR，本底光譜的不均衡性至今仍是一個(gè)有待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，對FTIR本底光譜上的能量分布通過有頻率選擇性的吸收消減來達(dá)到均衡本底光譜能量，可有效避免光譜本底能量分布較弱處的辨識度和檢測精度過低缺陷，從而解決傅里葉紅外光譜儀中本底光譜能量分配不均衡、部分頻段信噪比過低不利于檢測的問題。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0009]一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，對傅里葉紅外光譜儀中使用的紅外光源發(fā)出的光線的一部分進(jìn)行有頻率或波數(shù)選擇性的攔阻吸收，消減紅外光源光譜中能量分布集中頻段的能量，以減小整個(gè)光譜能量分布曲線的不均衡程度；同時(shí)加大光通量，提高探測器上接收到的經(jīng)過吸收消減后的本底光譜總能量，使其達(dá)到未進(jìn)行消減時(shí)的總能量，最終在不使紅外探測器出現(xiàn)過飽和的前提下，達(dá)到提高傅里葉紅外光譜儀本底光譜中偏低信噪比頻段的信噪比的效果。
[0010]可利用有頻率或波數(shù)選擇性的吸收片實(shí)現(xiàn)選擇性攔阻吸收，經(jīng)過吸收后，光線的光譜能量分布6 P) = Cl _ ) + q A P) + c.r G P)，其中為光譜頻率或波數(shù)，6(0為光源發(fā)出的光線經(jīng)過吸收均衡后的光譜能量分布，Hv)為光源發(fā)出光線本身的光譜能量分布，?(ν), GP)分別為兩塊有頻率選擇性的吸收片的透過率，其中一塊為透高頻吸收消減中、低頻的吸收片一，另一塊為透低頻吸收消減中、高頻的吸收片二，C；、c2、C3為常數(shù)，C1為原光線總能量中未受到吸收片一和吸收片二攔截光線的能量所占原光線總能量的比例，C2為入射在吸收片一的能量占原光線總能量的比例，C3為入射在吸收片二的能量占原光線總能量的比例。
[0011]選取吸收片一和吸收片二的透過率曲線，根據(jù)透過率曲線用仿真方法迭代逼近獲得能量比例C2、c3的最優(yōu)值，以盡可能改善F1(Pj)的均衡程度。
[0012]同時(shí)需要提高入射的光通量至未進(jìn)行攔阻吸收時(shí)光通量的倍，此時(shí)通過消減后的光譜總能量重新提高到/7P)。
[0013]本發(fā)明也可通過撥叉滑塊切換光路中是否放置吸收片，從而充分利用原本底光譜與吸收調(diào)制后的本底光譜達(dá)到較高的信噪比的方式。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015]1、本發(fā)明采用的是對紅外光源發(fā)出的能量進(jìn)行有頻率選擇性吸收的方法，通過在紅外光源后到紅外信號探測器之間的紅外光路中插入對光譜能量偏高的頻率能量進(jìn)行選擇性消減的吸收片，例如可以插在紅外光源之后，如圖6所示。使高信噪比頻率處能量大幅降低，來達(dá)到改善傅里葉光譜儀本底光譜能量分布均衡度的效果。
[0016]2、在不易找到恰好吸收消減掉頻率集中分布的頻段光能的理想的單一材料的頻率選擇性吸收消減片的情況下，可以選用分別能主要消減掉包括能量分布集中頻段及其以上頻率的一片吸收片和能主要消減掉包括能量分布集中頻段及其以下頻率的一片吸收片，將這兩片吸收片分開插入光路中，還須保留一定比例的光線不通過這兩片吸收片，通過合理調(diào)整這三部分光線的比例，起到減少原來能量分布集中頻段的光能所占比例，而提高原來能量分布稀少頻段的光能所占的比例。
[0017]3、通過均衡傅里葉光譜儀本底光譜能量分布，避免了傅里葉光譜儀本底光譜能量分布嚴(yán)重不均衡，但經(jīng)過吸收片消減后的光譜總能量會比未加吸收片前降低，這可以通過提高紅外光源的發(fā)射功率或拆除原先人為安置的為避免探測器過飽和的衰減片，在不使紅外探測器出現(xiàn)過飽和的前提下，提高原來能量偏低頻段的能量分布，從而提高該部分頻段的信噪比以及檢測靈敏度。
[0018]綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不改變原傅里葉紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)，對已有傅里葉紅外光譜儀的改進(jìn)十分簡便；只需采用大功率的紅外光源或拆除原先人為安置的為避免探測器過飽和的衰減片，添加有頻率針對性的吸收消減片來進(jìn)行能量均衡化；還可以采用一種切換的方式，利用撥叉滑塊可以在光路中切換是否插入吸收消減片，當(dāng)光路中不包含吸收消減片時(shí)，此時(shí)的本底光譜保留光譜儀原來對中頻段檢測靈敏度高的功能，而在需要檢測吸收光譜處于原檢測靈敏度低的頻段的氣體時(shí)將吸收消減片切換進(jìn)光路，從而大大提高原檢測靈敏度低的頻段的信噪比。吸收消減片和大功率紅外光源制造成本遠(yuǎn)低于紅外探測器的成本，采用吸收消減片來均衡本底光譜比采用多個(gè)紅外探測器及其切換控制系統(tǒng)要廉價(jià)得多。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為傅里葉紅外光譜儀(FTIR)的紅外光源發(fā)出光線被吸收片部分?jǐn)r截示意圖。
[0020]圖2為傳統(tǒng)的傅里葉紅外光譜儀(FTIR)光路示意圖。
[0021 ] 圖3為理想黑體輻射亮度曲線。
[0022]圖4為不同探測器(MCT，DTGS)、分束鏡(XT-KBr，KBr，CaF2)的傅里葉紅外光譜儀本底光譜。
[0023]圖5為16種典型氣體在紅外波段的吸收光譜。
[0024]圖6為紅外光源后插入光譜能量吸收消減片后的FTIR光路示意圖。
[0025]圖7為原DTGS XT-KBr本底光譜能量分布與擬合后的光譜本底能量分布函數(shù)F(v )o
[0026]圖8為理想均衡化過程的透過率函數(shù)U(C)。
[0027]圖9為Imm厚S12玻璃片覆蓋0%，50%，100%總光強(qiáng)后光譜儀的本底光譜。
[0028]圖10為Imm厚S12玻璃片透過率曲線。
[0029]圖11為Cl = 0.71的均衡后的光譜圖。
[0030]圖12為^^!!!厚度的取卜別七涂層在乂 = 0.1,0.15，0.2時(shí)的透過率曲線。
[0031]圖13為經(jīng)過此Hgl_xCdxTe均衡化后的光譜分布曲線，其中x = 0.1。
[0032]圖14 為均衡后的能量分布曲線，C1 = 0.18，C2 = 0.43，C3 = 0.39，x = 0.1，P dis=3.53/6.86 = 51.5%0
[0033]圖15為光源能量提高4.25倍后的結(jié)果。
[0034]圖16，(I)實(shí)線:原本底光譜，(2)虛線:經(jīng)過吸收消減片的本底光譜。

【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0036]本發(fā)明為一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，在紅外光源后到紅外信號探測器之間的紅外光路中插入對光譜能量偏高的頻率能量進(jìn)行選擇性消減的吸收片，例如可以插在紅外光源之后，如圖1和圖6所示。使高信噪比頻率處能量大幅降低，從而達(dá)到提高本底光譜能量分布均衡度的目的。在光譜能量分布較均衡后，可以通過提高紅外光源的發(fā)射功率或拆除原先人為安置的為避免探測器過飽和的衰減片，從而提高本底光譜總能量至接近消減前的總能量，在不使紅外探測器出現(xiàn)過飽和的前提下，達(dá)到提高傅里葉紅外光譜儀本底光譜中偏低信噪比頻段的信噪比，同時(shí)兼顧其他頻段仍能達(dá)到必需的信噪比的效果。此方法的另外一種應(yīng)用方式是采用撥叉來撥動吸收片，以切換吸收片插入或退出光線通道。當(dāng)吸收片不插入光路時(shí)，光譜儀可獲得原先的中間頻段能量較高的本底光譜，而切換成吸收片插入光路時(shí)可獲得兩邊頻段能量較高的新本底光譜。綜合兩個(gè)本底光譜可獲得更好探測效果。
[0037]上述兩種應(yīng)用方式的具體過程和方法如下:
[0038]實(shí)施方式I
[0039]1、光強(qiáng)消減法的透過率函數(shù)確定
[0040]不同公司不同型號的FTIR由于其光源、探測器、分光鏡性能的不同，其本底光譜分布并不一定相同，本發(fā)明以圖4中的FTIR本底光譜為例來解釋對其本底光譜進(jìn)行均衡化的方法，此方法對于類似于圖4中的中紅外范圍內(nèi)的具有中間部分能量分布高兩端部分能量分布低的這種最普遍的FTIR本底光譜具有普適性。
[0041]如圖6所示，基本結(jié)構(gòu)仍采用FTIR檢測光路，所不同的是，在紅外光源2的發(fā)射路線上設(shè)置有吸收片一 13和吸收片二 14，其中，吸收片一 13透高頻吸收消減中、低頻，吸收片二14透低頻吸收消減中、高頻。如圖1所示，紅外光源2發(fā)出的光線被吸收片一 13和吸收片二 14進(jìn)行選擇性攔阻吸收。
[0042]由于此FTIR本底光譜在波數(shù)為500CHT1以下能量分布過低，本發(fā)明對此本底光譜的均衡化也集中于使4000CHT1至500cm—1范圍內(nèi)的光譜均衡化。500cm^-400cm^范圍內(nèi)能量分布在均衡后雖然也將比均衡前大幅提高，但不能期望提高到與其他處相近的能量分布強(qiáng)度。為了便于計(jì)算，將圖4中的DTGS XT-KBi■本底光譜的能量分布進(jìn)行了數(shù)值擬合，擬合中剔除了水蒸氣、二氧化碳等的吸收峰，擬合后的曲線函數(shù)為F’(f)，如圖7所示，其中F為波數(shù)。本底光譜能量位于δΟΟοπΓ1與^OOcnT1處的大小分別為8與8.5，位于最高點(diǎn)ΙδΟΟοπΓ1的大小為38。圖中的光譜能量大小為相對值。
[0043]對本底光譜來講，一個(gè)均衡化過程，可等價(jià)為一個(gè)均衡化透過率函數(shù)U(P)。原本底光譜分布函數(shù)乘以透過率函數(shù)后成為均衡后的本底光譜分布。
[0044]F(v)xU(v) = FmJv)(2)
[0045]對于理想均衡化，即均衡后400CHT1至4000CHT1各處能量完全相同。若均衡化后保持原本底光譜在4000cm-1處的能量不變，即在4000cm-1處CZ(F)為1，將圖7中的光譜本底分布F(F)代入⑵后可得理想的均衡化過程的透過率函數(shù)C/(1，見圖8。
[0046]本發(fā)明所介紹的光強(qiáng)頻率選擇性消減法就是要構(gòu)造出盡量接近于此透過率函數(shù)U(v7)的光強(qiáng)消減過程。但現(xiàn)實(shí)中，至少目前還沒有能實(shí)現(xiàn)理想均衡化的吸收消減片，只能盡量在已有的材料中篩選或研制比較接近的吸收片，最終構(gòu)造出的透過率函數(shù)U1(F)會與理想U(xiǎn) (P)有差別。
[0047]2、加入具有低波數(shù)光強(qiáng)消減吸收片后的本底光譜能量分布
[0048]市場上的光學(xué)玻璃的吸收特性大部分都是透過穿透力強(qiáng)的高波數(shù)(高頻)光，吸收穿透力弱的低波數(shù)(低頻)光。為了盡量改善調(diào)制之后的本底光譜均衡度，對于低波數(shù)吸收材料，需要采用透過率曲線高波數(shù)段比較接近于圖8中理想透過率曲線希望提升的高波數(shù)段，而其陡降段能夠消減吸收原本底光譜峰值波段的材料。
[0049]本例通過試驗(yàn)選出一片1_厚的S12玻璃片置于緊鄰紅外光源處的光路中，測試了紅外光譜儀(FTRX Monolith 200EM)本底光譜在受到S12玻璃片攔截吸收后的變化。
[0050]圖9中曲線為S12玻璃片分別攔截了100%光能后的光譜能量分布曲線，圖10為本實(shí)驗(yàn)測出的Imm厚S12玻璃片的透過率曲線。透過率曲線是由當(dāng)光源完全經(jīng)過S12玻璃片后的光譜能量分布曲線除以原本底光譜曲線得到的。
[0051]從圖9中S12片攔截50%光能的曲線可以看出，由于50%的光受到了吸收的影響，新本底光譜在波數(shù)lOOOcm—1到3000cm-1段相對于無覆蓋的曲線具有較好的均衡性。
[0052]應(yīng)用此透過率曲線對圖7中本底光譜進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的本底光譜能量分布為
[0053]F1 (V) = (1- C1).F {V) + C1.F(V).Tui: (v)( 3)
[0054]其中C1為S12玻璃片攔截到的光束能量所占總能量的比重，因此1-C1即為未被攔截的光束能量所占總能量的比重。調(diào)制的理想情況是使調(diào)制之后的本底光譜(4000^-500^1)的均衡度盡量的好，在此顯示一個(gè)C1 = 0.71的均衡后的光譜圖，波數(shù)4000(^-1500(^1段中最大譜值Imax= 11.1，最小譜值Imin = 6.53，最小與最大譜值比Pdis== 0.606。這比原本底光譜F(P)在 4000cm_1-1500cm_1 段中的 P dis = 8.5/38 =0.224有了大幅提
[0055]由于吸收調(diào)制的存在，新本底光譜在波數(shù)lOOOcnT1到3000CHT1段相對于原光譜曲線具有較好的均衡性。然而，此方法雖然使新本底光譜分布在高波數(shù)段的能量相比舊光譜分布有所提高，但本底光譜上原本就十分微弱的低波數(shù)段〈lOOOcm—1段的能量卻進(jìn)一步下降了。因此，光靠一個(gè)低波數(shù)消減吸收片的吸收只能提高本底光譜能量分布較弱的高波數(shù)段的能量相對于總能量所占比例，為了對本底光譜進(jìn)行較為理想的均衡化，還需要一個(gè)高波數(shù)消減吸收片來提高本底光譜能量分布也較弱的低波數(shù)段的能量所占比例。
[0056]3、高波數(shù)光強(qiáng)消減吸收片的設(shè)計(jì):帶隙吸收
[0057]由于不同型號的FTIR的本底光譜(因?yàn)槭褂貌煌庠础⑻綔y器和分束鏡)其最高點(diǎn)位置并不固定，一般在ΠΟΟοπ^ΙδΟΟοπΓ1之間，見圖4。對于上節(jié)所講的低波數(shù)消減吸收可以從光學(xué)玻璃庫中選取適當(dāng)透過率曲線的光學(xué)玻璃來進(jìn)行調(diào)控，而對于高波數(shù)消減吸收的一端則需要依需求設(shè)計(jì)調(diào)整的透過率曲線，本發(fā)明采用HghCdxTe帶隙吸收的方法來實(shí)現(xiàn)此機(jī)制。
[0058]帶(能)隙是指半導(dǎo)體或是絕緣體的價(jià)帶頂端至傳導(dǎo)帶底端的能量差距。具有帶隙的材料對光譜的吸收集中于光子能量高于帶隙的頻率。
[0059]對于Hgl_xCdxTe材料而言，其CdTe組分是金屬，而HgTe組分是半導(dǎo)體。根據(jù)所含HgTe與CdTe的比例x的不同，Hg1^xCdxTe的帶隙寬度可從OeV到約1.5eV的范圍中任意調(diào)節(jié)° G.L.Hansen, J.L.Schmit, and Τ.N.Casselman,在 Energy gap versus alloycomposit1n and temperature in Hg1^CdxTe, J.Appl.Phys.53 (10) 1982，7099-7101 中給出的經(jīng)驗(yàn)公式如下:
[0060]Eg (t, x) = -0.302+1.93x+(5.35.1(Γ4) (1_2χ)-0.31χ2+0.832χ3 (4)
[0061]其中帶隙寬度匕同時(shí)是組分比例X與環(huán)境溫度t的函數(shù)。由于光子能量 = In V，波長和光子所具有的能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
[0062]λρ=1.24/Ε8 (5)
[0063]HghCdxTe對入射光的吸收在高頻端的截止頻率可近似為，
[0064]λ p = (-0.244+1.556χ+ (4.31.1(Γ4) (1_2χ) t_0.65χ2+0.671χ3) (6)
[0065]對光子能量為= he V的光在Hgl_xCdxTe涂層中的透過率的計(jì)算在V.Gopal，R.Ashokan and V.Dhar, Composit1nal Characterizat1n of HgCdTe Epilayers byInfrared Transmiss1n, Infrared Phys, Vol.33, N0.1，(1992) 39-45 有詳解，根據(jù)其中的Hgl_xCdxTe透過率計(jì)算公式計(jì)算的在CdTe基底上的10 μ m厚度的Hgl_xCdxTe涂層在χ = 0.1，0.15，0.2時(shí)，300Κ溫度下(連基底)的透過率曲線如圖12所示:
[0066]最終希望達(dá)到的均衡化透過率曲線U(F)是兩個(gè)透過率曲線(1)5叫片(2)HghCdxTe和⑶無吸收的曲線的帶權(quán)重的線性組合。其中S12片的透過率曲線主要與高波數(shù)有關(guān)，而HghCdxTe的透過率曲線主要與低波數(shù)有關(guān)。因此應(yīng)使Hgl_xCdxTe的透過率曲線盡量與圖8中理想的均衡化透過率曲線U(P)中低波數(shù)段相一致。本發(fā)明所采用的Hg1^xCdxTe的透過率曲線為10 μ m厚的曲線。單經(jīng)過此Hgl_xCdxTe均衡化后(不經(jīng)過S12片均衡化)的光譜能量分布曲線如圖13所示:
[0067]4、插入兩種光強(qiáng)消減吸收片后的總體效果
[0068]采用S12與HghCdxTe吸收調(diào)制后的光譜的能量分布曲線可以寫成
[0069]
^1(V) = C1- F(v) + C2-F(V)-Tsi02 (V) + C3.F(i7) ■ Til^cdje (v, x)( 7 )
[0070]其中C1, C2, C3分別為原光束中能量無吸收、被S12片吸收和被HghCdxTe片吸收的部分的比重，CJCfC3 = 1,0<C1； C2, C3〈l。調(diào)制后的結(jié)果的數(shù)值模擬曲線如圖14所示:
[0071]將輸入光能量提高4.25倍使均衡化后的本底光譜總能量為原先總能量時(shí)(忽略波數(shù)高于4000cm-1的能量的影響)如圖15所示。結(jié)果顯示，此本底光譜的能量分布比由均衡前的21.25%提高到均衡后的51.47%。在有HCN吸收峰的低波數(shù)段的提高為63.8% -66.9%，在有HF吸收峰的高波數(shù)段(3500-4000(^1)的提高為35.9% -132%。
[0072]實(shí)施方式2
[0073]通過撥叉滑塊切換光路中是否放置吸收片，從而充分利用原本底光譜與吸收調(diào)制后的本底光譜達(dá)到較高的信噪比的方式。
[0074]上述實(shí)施方式I的仿真結(jié)果如圖15所示，雖然低頻段、高頻段的能量分布得到了大幅提高，但此提高是以原先能量分布較高的中間頻段的能量下降為代價(jià)的。為避免此能量下降，可以采取在光源后利用撥叉滑塊切換光路中是否插入吸收片，當(dāng)切換到未帶吸收片的工況時(shí)，探測原本底光譜，以保持得到中間頻段的高信噪比；再切換到帶有吸收片的狀態(tài)，用吸收片來產(chǎn)生只在低頻段和高頻段有能量分布的本底光譜，以此來達(dá)到低頻段和高頻段的高信噪比。實(shí)施方式2的基本原理與實(shí)施方式I相同，但吸收調(diào)制追求的目標(biāo)不是全頻段的均衡化，而是只在高頻段與低頻段有高信噪比。例如采用本發(fā)明中的Imm厚S12玻璃片和CdTe基底上的1ym HgCdTe涂層的透過率曲線來達(dá)到此目標(biāo)時(shí)，其仿真結(jié)果如圖16所示，其中實(shí)線為切換到通孔時(shí)的本底光譜，虛線為切換到有吸收片后的本底光譜。此兩光譜曲線在全頻段的總能量相等。采用此方法后，在低波數(shù)段(SOOcm-1-eOOcnT1)的光能密度提高為 149% -154%，在高波數(shù)段(320001^-4000011-1)提高為 41% -98%。
[0075]本發(fā)明不局限于上述【具體實(shí)施方式】，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，其特征在于，對傅里葉紅外光譜儀中使用的紅外光源發(fā)出的光線的一部分進(jìn)行有頻率或波數(shù)選擇性的攔阻吸收，消減紅外光源光譜中能量分布集中頻段的能量，以減小整個(gè)光譜能量分布曲線的不均衡程度；同時(shí)加大光通量，提高探測器上接收到的經(jīng)過吸收消減后的本底光譜總能量，使其達(dá)到未進(jìn)行消減時(shí)的總能量，最終在不使紅外探測器出現(xiàn)過飽和的前提下，達(dá)到提高傅里葉紅外光譜儀本底光譜中偏低信噪比頻段的信噪比的效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，其特征在于，利用有頻率或波數(shù)選擇性的吸收片實(shí)現(xiàn)選擇性攔阻吸收，經(jīng)過吸收后，光線的光譜能量分布f =其中P為光譜頻率或波數(shù)，匕P)為光源發(fā)出的光線經(jīng)過吸收均衡后的光譜能量分布，f P)為光源發(fā)出光線本身的光譜能量分布，^1(V).Γ2Ρ)分別為兩塊有頻率選擇性的吸收片的透過率，其中一塊為透高頻吸收消減中、低頻的吸收片一，另一塊為透低頻吸收消減中、高頻的吸收片二，CpCyC3為常數(shù)，C1為原光線總能量中未受到吸收片一和吸收片二攔截光線的能量所占原光線總能量的比例，C2為入射在吸收片一的能量占原光線總能量的比例，C3為入射在吸收片二的能量占原光線總能量的比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，其特征在于，選取吸收片一和吸收片二的透過率曲線，根據(jù)透過率曲線用仿真方法迭代逼近獲得能量比例C2、C3的最優(yōu)值，以盡可能改善AP)的均衡程度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述提高傅里葉紅外光譜儀偏低信噪比頻段信噪比的方法，其特征在于，提高入射的光通量至未進(jìn)行攔阻吸收時(shí)光通量的f倍，此時(shí)通過消減后的光譜總能量重新提高到f (V)。
【文檔編號】G01N21/15GK104198424SQ201410437543
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】王昕 , 李巖, 尉昊赟 申請人:清華大學(xué)