一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统及测量方法与流程

1.本发明涉及红外辐射测量领域，特别涉及一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统及测量方法。


背景技术：

2.傅里叶光谱测量技术具有高光谱分辨率、高光通量、多通道、宽光谱覆盖等优点，是一类非常重要的高分辨率光谱分析技术。特别是宽波段红外光谱辐射测量，目前已广泛应用于空间遥感、目标特性研究、大气探测、物质分析、安防防化、计量、实验室、环境、医疗等多个领域。随着红外隐身技术、高超音速技术等的迅猛发展，对于低辐射、快速闪过目标等的高灵敏度实时红外光谱辐射参数测量提出了迫切需求。
3.传统的棱镜、光栅分光型、滤光型等原理的红外光谱辐射测量系统，虽然能够实现较快的测量速度，但是存在探测灵敏度差、光谱分辨率差、宽波段覆盖能力不足等缺点。现有的傅立叶原理的红外光谱辐射测量系统虽然具备很好的光谱分辨率和探测灵敏度，但是存在测量速度慢等缺点。虽然针对生化等领域的瞬态特性研究需求，出现了时间分辨傅里叶光谱分析仪，但它采用的重复触发-采样原理，虽然能够实现微秒乃至更好的时间分辨率，即分辨微秒乃至更短时间间隔的瞬态状态变化，但它完成单次宽波段光谱参数测量极为耗时耗力，显然，该方案不适用于低辐射、快速闪过目标等场合的红外光谱辐射参数测量。
4.另外，环境背景以及仪器自身辐射等外界因素，对于目标的红外光谱辐射特性测量影响显著，特别是对于低辐射目标等的测试场合，影响更为大。因此，如何实现外界因素剔除，也是低辐射目标的高灵敏度红外光谱辐射参数测量的难题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统及测量方法，实现了高灵敏度、宽波段、高分辨率的实时红外光谱辐射参数获取，并实现了环境背景以及仪器自身辐射等外界干扰因素的剔除。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统，包括望远观瞄模块、光学模块、电机驱动模块、探测与采集模块、数据处理模块、主控模块；
8.所述望远观瞄模块，用于收集目标红外辐射；
9.所述光学模块，连接望远观瞄模块，用于对目标红外辐射进行干涉调制分光，产生干涉信号光；
10.所述电机驱动模块，连接光学模块，用于驱动光学模块中快速扫描干涉仪单元的角镜摆动，引入干涉调制分光所需的光程差；
11.所述探测与采集模块，连接光学模块，用于对光学模块产生的干涉信号光进行探测，实现光电转化及采集，获取数字化干涉数据；
12.所述数据处理模块，连接探测与采集模块，用于实现数字化干涉数据的实时光谱反演；
13.所述主控模块，与上述所有模块连接，用于控制实时傅立叶红外光谱辐射测量系统工作，并完成参数设置及后续数据处理，显示获取的目标红外光谱辐射信息。
14.上述方案中，所述望远观瞄模块包括：采用一体化设计的不同视场角的望远镜单元和观瞄镜单元，以实现目标瞄准及其红外辐射的收集。
15.上述方案中，所述光学模块包括前光路单元、快速扫描干涉仪单元、参考激光干涉仪单元、冷屏单元、后光路单元；
16.所述前光路单元连接望远观瞄模块，用于将目标红外辐射调成均匀平行光；
17.所述快速扫描干涉仪单元连接前光路单元，采用4倍光程差和角镜设计，用于对目标红外辐射进行干涉调制产生目标干涉分光信号；
18.所述参考激光干涉仪单元连接快速扫描干涉仪单元，用于产生电机驱动模块的控制反馈信息，以及产生参考激光干涉分光信号，用作目标辐射干涉分光信号的采样触发信号；
19.所述冷屏单元连接快速扫描干涉仪单元，提供77k低温辐射进入快速扫描干涉仪单元，实现测量系统工作环境背景及仪器自身辐射的背景干扰抵扣；
20.所述后光路单元连接快速扫描干涉仪单元，将目标干涉分光信号和参考激光干涉分光信号分别会聚到对应的探测与采集模块。
21.上述方案中，所述探测与采集模块包括红外探测与采集单元和参考激光探测与采集单元，所述红外探测与采集单元用于实现目标红外辐射产生的干涉光的探测与数据采集，所述参考激光探测与采集单元用于实现参考激光产生的干涉光的探测与数据采集。
22.上述方案中，所述数据处理模块包括fpga和dsp处理单元，实现干涉数据的实时光谱反演。
23.上述方案中，所述fpga和dsp处理单元用于实现干涉数据重采样、非线性校正、快速傅立叶变换、相位对齐、复数辐射定标的实时光谱反演处理流程。
24.一种实时傅立叶红外光谱辐射测量方法，采用如上所述的测量系统，包括如下过程：
25.目标红外辐射经望远观瞄模块会聚收集后，在电机驱动模块作用下，光学模块对其进行干涉调制完成干涉分光，会聚后进入探测与采集模块，完成光电转换及数字化采样，而后经数据处理模块完成实时光谱反演，最后进入主控模块，进行系列处理，完成目标红外辐射参数的实时测量。
26.通过上述技术方案，本发明提供的一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统及测量方法，具有如下有益效果：
27.1、本发明采用角镜扭摆式快速扫描干涉仪、基于复合算法的动镜高速扫描、实时光谱反演算法相结合的方法，能够很好的满足快速闪过目标等的实时红外光谱辐射参数需求，消除了进一步提升时间分辨率等指标时，现有傅立叶红外光谱辐射测量系统的扫描速度限制；
28.2、本发明采用内置的冷屏单元抵扣环境背景辐射方案，能够很好的消除环境背景波动、仪器自身辐射等干扰影响，可实现极佳的探测灵敏度；
29.3、本发明提出的实时傅立叶红外光谱辐射测量方法，可在宽波段的1μm～15μm内实现 ms量级时间分辨率、噪声等效光谱辐射亮度优于10-10
w/(cm2·
sr
·
cm-1
)灵敏度、1cm-1
光谱分辨率等指标的红外光谱辐射测量。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
31.图1为本发明实施例所公开的一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统示意图；
32.图2为本发明实施例所公开的快速扫描干涉仪单元结构图。
33.图中，1、分束镜；2、角镜；3、支承结构；4、电机。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.本发明提供了一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统，如图1所示，包括望远观瞄模块、光学模块、探测与采集模块、电机驱动模块、数据处理模块、主控模块。
36.1、望远观瞄模块
37.望远观瞄模块用于收集目标红外辐射；能够实现目标红外辐射的高效会聚。在本实施例中，望远镜单元和观瞄镜单元采用一体化设计，以便望远镜实现目标的最佳瞄准，从而尽可能多的收集目标红外辐射。5mrad窄视场望远镜采用卡塞格林结构，更宽视场角时则采用牛顿结构，以便实现最佳的目标红外辐射收集效率和视场均匀性。
38.2、光学模块
39.光学模块连接望远观瞄模块，用于对于入射的目标红外辐射进行高分辨率、高速、高灵敏度的干涉调制分光，产生干涉信号光。光学模块包括前光路单元、快速扫描干涉仪单元、参考激光干涉仪单元、冷屏单元、后光路单元。
40.(1)前光路单元，连接望远观瞄模块，用于将目标红外辐射调成均匀平行光；前光路单元采用折转光路及镀膜设计，从而实现微弱目标辐射的高效传输，降低损耗。能够产生满足快速扫描干涉仪单元需求的平行、准直入射辐射。
41.(2)快速扫描干涉仪单元，连接前光路单元，用于对目标红外辐射进行干涉调制产生目标干涉分光信号；快速扫描干涉仪单元采用角镜2扭摆式干涉仪方案，快速扫描干涉仪如图2所示，主要由分束镜1、角镜2、支承结构3、电机4构成。工作原理是：入射的目标红外辐射经分束器分为两束后，分别进入两个角镜2，并经两个角镜2反射后在分束器处会合，存在相位差的两束光会产生干涉，从而实现入射的目标红外辐射的干涉分光，产生目标干涉分光信号。其中，两束光之间的相位差，是电机4通过支承结构3带动两个角镜2做往复摆扫运动而产生的。
42.本发明的快速扫描干涉仪能够产生4倍光程差，电机4运动1cm，对应的会产生4倍的光程差，结合角镜2的自动校准，并且分束镜1与补偿器采用300角放置以实现调制效率最佳，能够很好的实现高速、高分辨率、高灵敏度干涉调制分光，保证实时红外光谱辐射测量的实现。
43.(3)参考激光干涉仪单元，连接快速扫描干涉仪单元，用于产生电机驱动模块的控制反馈信息，以及产生参考激光干涉分光信号，用作目标辐射干涉分光信号的采样触发信号；参考激光干涉仪单元采用高稳频的he-ne激光器或基于兰姆凹陷稳频方法的半导体dfb激光器用作参考光，并与快速扫描干涉仪单元采用一体化设计，结合偏振移相设计，可为探测与采集模块提供高精度的采样参考基准，以及为电机驱动模块提供满足需求的、包含运动速度、运动方向、速度均匀性、运动方向一致性等的高精度运动反馈信息。
44.(4)冷屏单元，连接快速扫描干涉仪单元，提供77k低温辐射进入快速扫描干涉仪单元，实现测量系统工作环境背景及系统自身辐射的背景干扰抵扣；冷屏单元采用液氮杜瓦，产生的低温辐射直接与目标红外辐射合二为一，从而在硬件上实现了工作环境背景及其波动、仪器自身辐射等干扰因素的直接剔除，从而在理论上具备极佳的探测灵敏度，保障了超高速红外光谱辐射测量条件下的噪声等效光谱辐射亮度等灵敏度指标的实现；
45.(5)后光路单元，连接快速扫描干涉仪单元，将目标干涉分光信号和参考激光干涉分光信号分别会聚到对应的探测与数据采集模块，完成干涉光的探测和数据采集。
46.3、电机驱动模块
47.电机驱动模块连接光学模块，用于驱动角镜2扭摆式快速扫描干涉仪的角镜2摆动，它采用以积分分离pid算法为基础，以及模糊控制，并结合了基于卷积神经网络前馈的复合控制算法，以实现快速扫描干涉仪的高速、准直、匀速运动，从而引入干涉调制分光所需的光程差。
48.4、探测与采集模块
49.探测与采集模块连接光学模块，用于对光学模块产生的干涉信号光进行探测，实现光电转化及采集，获取数字化干涉数据；探测与采集模块包括红外探测与采集单元和参考激光探测与采集单元。
50.(1)红外探测与采集单元，被配置为用于实现目标红外辐射干涉光的探测与数据采集，采用insb mct双探测器方案实现1μm～15μm的宽波段覆盖，采用等时间间隔采样方案，以改善获取干涉数据质量，并满足实时红外光谱辐射测量所需的高采样率。
51.(2)参考激光探测与采集单元，被配置为用于实现参考激光干涉光的探测与数据采集，采用等光时间间隔采样方案，以改善获取干涉数据质量，并满足实时红外光谱辐射测量所需的高采样率。
52.5、数据处理模块
53.数据处理模块连接探测与采集模块，用于实现数字化干涉数据的实时光谱反演；数据处理模块获取待测目标的相对红外光谱辐射参数，包含干涉数据重采样、非线性校正、快速傅立叶变换、相位对齐、复数辐射定标等实时光谱反演处理流程。需要考虑如下因素：
54.(1)采用fpga dsp的硬件方案，结合专门优化的算法，能够保障在ms量级时间内完成一次光谱反演处理；
55.(2)干涉数据重采样环节，基于激光参考干涉数据，采用brault采样方法，将目标入射辐射对应的等时间间隔干涉数据重采样为等光程差间隔采样数据，并保证了干涉数据采样的均匀性，以便采用快速傅立叶算法完成傅立叶变换；
56.(3)非线性校正，采用查找表方案，实现探测器、adc等引入非线性的快速校正；
57.(4)快速傅立叶变换，采用fftw快速傅立叶算法完成干涉数据的光谱复原；
58.(5)相位对齐，将复原光谱数据与用作辐射定标的标准黑体的复原光谱数据进行相位对齐，相位对齐处理可采用最小二乘拟合方法实现，在具备较高精度的同时便于硬件实现；
59.(6)辐射定标，采用复数辐射定标方案，在完成辐射定标的同时可实现复原光谱的相位校正，并且定标结果的实部作为待测目标的相对红外光谱辐射参数。
60.6、主控模块
61.主控模块与上述所有模块连接，用于控制实时傅立叶红外光谱辐射测量系统工作，并完成参数设置及后续数据处理，显示获取的目标的红外光谱辐射信息。主控模块包含嵌入式系统，被配置为用于红外光谱辐射测量过程的控制与工作参数设置，以及完成绝对辐射定标，获取待测目标的绝对红外光谱辐射参数，以及后续处理。
62.本实施例的一种实时傅立叶红外光谱辐射测量系统，采用角镜2扭摆式快速扫描干涉仪、基于复合算法的动镜高速扫描、内置冷屏抵扣环境背景辐射、实时光谱反演算法的测量方法，可在宽波段的1μm～15μm内实现ms量级时间分辨率、噪声等效光谱辐射亮度优于10-10 w/(cm2·
sr
·
cm-1
)灵敏度等指标的红外光谱辐射实时测量。
63.本实施例提出的实时傅立叶红外光谱辐射测量系统的测量方法如下：
64.在主控模块的控制下，目标辐射经望远观瞄模块会聚收集后，在电机驱动模块的作用下，光路模块中的快速扫描干涉仪单元对其进行干涉调制完成光谱分光，并经光路模块的后光路单元会聚后进入探测与采集模块，完成光电转换及数字化采样，而后经数据处理模块完成实时光谱反演，然后进入主控模块，并进行系列处理，完成目标红外光谱辐射参数的实时测量。
65.具体的包括如下步骤：
66.步骤1：将标准黑体设置为高温温度，通过望远观瞄装置进行瞄准并测量多次，并将多次测量结果进行叠加均值，并经光谱反演得到复原光谱数据用作辐射定标高温数据；
67.步骤2：将标准黑体设置为低温温度，通过望远观瞄装置进行瞄准并测量多次，并将多次测量结果进行叠加均值，并经光谱反演得到复原光谱数据用作辐射定标低温数据；
68.步骤3：通过望远观瞄装置瞄准待测目标，获取目标测量数据，并基于事先获取的作辐射定标高温数据和低温数据，在数据处理模块，经过实时光谱反演处理，得到相对红外光谱辐射参数；
69.步骤4：得到的相对红外光谱辐射参数上传到主控模块，经过绝对辐射定标，获取绝对红外光谱辐射参数，并进行后续处理及分析。
70.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。