高速光谱探测装置 最后

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 10051041 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 光信息科学技术 题 目： 高速光谱探测装置 指导教师： 职称: 2013年 06月 07日 中北大学课程设计任务书 2012/2013 学年第 2 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 光电信息工程 学 生 姓 名： 学 号：10051041 课程设计题目： 高速光谱探测装置 起 迄 日 期： 2013.6 .82013.6.21 课程设计地点： 主楼1318 实验室 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2013 年6 月 7 日课 程 设 计 任 务 书1设计

2、目的：针对光电信息课程要求，对设计者进行实用型光电系统设计、仿真测试等各环节的综合性训练，培养设计者运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。设计者必须独立完成一个选题的设计任务。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容: 高速光谱探测装置，1.技术指标:(1).探测成分发生连续快速变化的物理过程中光谱信息。；(2).波长范围400nm1100nm，分辨率100cm-1；(3).快速记录干涉图，实时或者事后对干涉图处理得到光谱信息；2.设计要求：(1).要求理论论证及计算参数；(2).画出完整的电路图及光路设计图,写出设计总结报告。3设计工作任

3、务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1电路原理图和光路原理图；2器件的工作原理和应用，仿真结果；3 课程设计说明书； 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985 （5篇以上）5设计成果形式及要求：1电路原理图；2课程设计说明书。6工作计划及进度：2013年6月9日 2013年6月12 日：查资料； 2013年6月13日 2013年6月14 日：在指导教师指导下设计方案；2013年6月15日 2013年6月19 日：学生完成实验，指导教

4、师辅导；2013年6月 19 日 2013年6月20 日：撰写课程设计说明书；2013年6月 21 日 ： 答辩。系主任审查意见： 签字： 年 月 日4目录1 课程设计说明书.12 课程设计任务书.23 设计方案简介.64 设计条件及主要参数表75 设计主要参数计算86 设计结果.127 实验中引起误差的原因.128 心得体会.139 参考文献.14一、 设计方案简介1、光谱的定义 光谱是光源所发射的辐射强度随波长（频率）的分布，它反映了光源的构成物质和其他的一些特性。2、干涉型光谱 本设计方案用干涉型测光谱信息，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。

5、得到的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，探测成分发生连续快速变化的物理过程中光谱信息。3、空间相干性 对于干涉型光谱探测，有可根据时间相干性和空间相干性分为：时间调制干涉光谱仪和空间调制干涉光谱仪（静态干涉仪），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。因此本设计采用空间

6、调制干涉光谱。4、光谱测量原理 当一束光垂直照射到干涉具表面时，由于光在上下两个表面的光程差不同，引起不一样的相位差。当两束光再次相遇时会发生干涉现象，产生干涉图样。两束光干涉的强度分布是与光程差有关的函数，而干涉条纹的强度分布与光源的光谱密度函数是一个傅里叶变换对即：式中：；I(x)为双光束干涉强度分布；x为光程差；B（）为光源光谱强度分布；为波数。因此，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，使用电荷耦合器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AD转换后，运用离散傅里叶变换(DFT)，可求出入射光的波谱特征和波

7、长。二、 设计条件及主要参数表 为了方便分析，我们采用等厚干涉（劈尖）来说明问题。它是一种利用空间相干性来进行干涉的静态光谱仪。在计算两束光的相位差时我们没有引入劈尖的夹角，而在实际测量中夹角确实很小，可以忽略。主要参数表如下所示：N ：劈尖内物体的折射率E ：劈尖上下表面的厚度差 ：劈尖的夹角（计算光程差时忽略）X ：两束光的光程差e：相邻明纹或暗纹之间的厚度差 ：入射光波长I2，I1：为两反射光光强I ：干涉光强 ：两束光的相位差E（f）：为干涉光的光谱三 、 设计主要参数计算n1n2neab edh 1、有关等厚干涉的计算 为了方便分析，我们采用等厚干涉（劈尖）的方法来说明问题。如图所示

8、，劈尖的角度很小，一定频率的光垂直入射到薄膜上时，产生反射光a和折射光b。b经过薄膜的下表面反射之后在上表面与a相遇。由于a、b两束光是同一束入射光分为两部分产生的，因而是相干光，相遇时可产生干涉条纹。一束光的强度分成两部分，这种产生干涉的方法称为分振幅法。设劈尖厚度为e，b光比a光多传播了2e的几何路程，多传播的光程为2ne，n为劈尖内的折射率，e为高度差。a光是从光疏媒质入射到光密媒质的表面发生反射的，因而有半波损失。b光是从光密媒质入射到光疏媒质的表面发生反射的，因而没有半波损失。两束光的光程差为x = 2ne + /2。当光程差为入射光波长的整数倍时，即x = 2ne + /2 = k

9、，(k = 1，2，3，)对应的条纹为亮纹，其中k为非负整数，为入射激光波长。暗纹形成条件为x = 2ne + /2 = (2k + 1)/2，(k = 0，1，2，)特殊情况下，当k = 0时，e = 0，可知：劈尖的尖端是暗纹。同一条纹的劈尖厚度是相同的，因此这种干涉称为等厚干涉。干涉级次k越大，对应的厚度e也越大，相邻明纹或暗纹之间的厚度差为e = /2n。可知：相邻明纹或暗纹的厚度差相同。2、干涉光强的密度谱计算当光强分别为I1和I2的两束相干光发生相互干涉时，干涉光强I=I1+I2+2cos（）其中为两束光的相位差。设两束光光强为 I1=I2=I0 则探测面上的光强分布为：其中f=1

10、/表示入射光的波数，x表示光程差。由傅里叶变换关系可以求得入射光的波数光谱分布：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光的光谱信息。 经采样后，图像信息变成离散的实序列记为X(n)，傅里叶积分变换变成了实序列的离散傅里叶变换(DFT)，离散傅里叶变换一般采用快速算法计算(FFT)实现。本文中我们就是利用这种思想计算1024点实序列FFT，从而得到所需要的频谱。得到频谱分布后，通过求X(K)模最大值的方法可以求得中心波长。3、离散实序列的快速傅里叶变换N=8点DIT-FFT运算流图x(0)x(4)x(2)x(6)x(1)x(5)x(3)WN0WN1WN2WN3X

11、(0)X (1)X (2)X (3)X (4)X (5)X (6)WN0WN2WN0WN0WN0WN0x(7)WN2WN0L=1级L=2L=3X (7) 快速傅里叶变换（FFT）是离散傅里叶变换（DFT）的一种快速算法。在这里我们只对信号处理中普遍采用的时域抽取FFT算法进行分析。常用的基-2时域抽取法FFT的基本原理是将一个N点的计算分解为两个N/2的DFT运算，每N/2点的计算再进一步分解为N/4点的计算，以此类推，如上图所示。 将序列x(n)按n为奇、偶数分为x1(n)、x2(n)两组序列；用2个N/2点DFT来完成一个N点DFT的计算。n为偶数时:n为奇数时：因此 以上计算和分析用到了

12、FFT的对称性，周期性和可约性，分别为：可约性:对称性:周期性:这样一个N点的DFl,已分解为两个N2点的DFT,逐级分解便是序列的FFT。作大数据量的实序列傅里叶变换时，若直接进行N点实数FFT会浪费很多资源，占用数竭空间将比实数FFT运算多一信，运算量也多一倍。为了提高运算效率，通常把一个2N点的实序列X(n)中的奇数点作为实部，偶数点作为虚部，形成一个N点的复序列，并按N点的复数FFT予以处理，最后再通过运算求出2N点的实序列的FFT结果。四、设计结果 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

13、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。五、实验中引起误差的原因主要包括以下几方面：L. 光源不稳定。由于所使用光的稳定性较差，以至于在同等条件下不同时刻采集的干涉条纹会有变化，从而造成测量结果的变化。2 对一些参量的忽略估计 ，如劈尖夹角，使用定点DSP信号处理器实现FFT引起舍入误差。3干涉具在制作过程中的加工误差造成的条纹畸变。理论上，激光在干涉具上产生条纹是均匀的，但实际中由于干涉具在加工和粘合时的技术误差、表面光

14、洁度存在的差异，以及经过扩束后输入装置的激光不能够达到远场激光的平行度等因素，都会引起干涉条纹的畸变和疏密不均匀，从而影响测量结果。针对性地对以上各方面加以改进，则可以进一步降低测量误差，提高精度；例如，提高干涉具制作精度、选用浮点型DSP芯片、设计更好的准直透镜组等。六 、 设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会 高光谱探测的设计采用干涉等厚的方法，用一个夹角很小的劈尖实现。当目标光垂直照射时，在反射上下表面形成光程差发生干涉现象，进而求得干涉光光强分布。由于已知光强函数与光谱密度成傅里叶变换关系，故可求得光的频谱分布。然后通过CCD采集信号，分析光的波长与光强关系图。 通过设计我们学到了等厚干涉和等倾干涉的不同，明白了等厚干涉形成明暗相间条纹的原理和方法以及等厚干涉（劈尖）的实际应用。干涉条纹的强度分布与光源的光谱密度函数是一个傅里叶变换对，我们就是基于此原理来设计和分析高光谱探测的。另外对于信号的处理我们采用FFT来提高运算效率。经采样后，图像信息变成离散的实序列记为X(n)，傅里叶积分变换变成了实序列的离散傅里叶变换(DFT)，离散傅里叶变换一般采用快速算法计算(FFT)实现。本文中我们就是利用这种思想计算1024点实序