本发明涉及一种吸收光谱测量方法及系统，特别是一种基于光束折叠技术的可见光傅里叶变换吸收光谱测量所能达到的分辨率和精度，在低成本前提下实现较高光谱分辨率和精度的吸收光谱测量方法及系统。
背景技术：
由于傅里叶变换红外光谱仪(ftir)固有的高通量、多通道优点及高光谱定标精度、宽光谱范围等优点,使其在红外和近红外波段逐渐取代分光式光谱仪广泛应用于原子与分子物理学、分析化学、光谱学等各个学科领域。在紫外及可见光波段，难以获取高分辨率、高精度的干涉图光程差定位采样间隔，这是傅里叶变换光谱测量方法很难获得较高光谱测量分辨率和精度的主要原因之一，另一原因是短波长测量对扫描过程动镜平稳性要求更高。虽然许多光程差间隔定位方法被尝试使用，但仅限于低分辨率测量。为获得高精度光程差定位间隔的被测光干涉图采样结果，需要高精度动镜扫描控制(包括速度和平衡姿态)，因成本昂贵难以商业化推广。
国内期刊有相当数量傅里叶变换红外光谱仪的相关论文发表，由早年的多为关于仪器应用的文章发展为近年相关研究论文。论文分析了干涉成像光谱仪动镜为平面镜时由于倾斜带来的问题，具体分析了由动镜倾斜引起的干涉强度变化和采样误差，得到对平面动镜倾斜角的限制条件和角反射动镜横移量的限制条件；通过建立傅里叶变换光谱仪中动镜、定镜和干涉面的坐标对应关系，在倾斜误差分析的基础上，对动镜的最大倾斜角度和减少误差的方法进行讨论并提出了两种动态校正的思路；对傅里叶变换红外光谱仪中立方反射镜特性进行了分析；进行了傅里叶变换红外光谱仪复数光谱误差分析及辐射定标方法的研究以及利用标准黑体定标。
国内期刊未见紫外及可见光傅里叶变换光谱仪的研究报道。
精确等光程差定位间隔的干涉图采样是傅里叶变换光谱仪获得光谱测量高分辨率和精度的必要条件。傅里叶红外光谱仪的采样脉冲是由迈克尔逊干涉仪动镜扫描产生的hene激光干涉条纹经过过零比较获得。众所周知，hene激光波长非常稳定和精确，因而傅里叶红外光谱仪的光谱定标非常准确且长期稳定远远优于分光式光谱仪。然而对于短波长范围(可见光和近紫外波段)来说，hene激光干涉条纹经过过零比较产生采样光程差间隔的分辨率不足以满足nyquist采样定理，无法得到该波长范围的测量光谱。
为实现可见光和近紫外波段的傅里叶变换光谱测量，许多光程差间隔定位方法被尝试。光谱折叠技术利用频谱混叠能够实现降低光程差采样间隔的分辨率的要求，但测量过程中需要切换滤色片，因而不适合宽光谱范围测量。等时间周期采样方法需要采集大量的数据后进行处理，而且测量精度对扫描速度的稳定性依赖较强。许多其它类型位置传感器，如线性可变差动变压器lvdt、干涉扫描光栅isg都已经用到天文学应用中的fts(傅里叶变换光谱仪)。然而这些位置传感器都需要严格的操作环境如恒温，恒压等。到目前为止，激光干涉方法因其激光波长的稳定性，精确性而成为最好的位置传感技术。将hene激光干涉条纹细化而得到较高光程差分辨率的方法有许多，其中激光干涉条纹的外差细化法是已被研究者广泛认可并应用于可见光和紫外光谱fts系统中。但这种方法必须依靠高稳定性双频激光器(zeeman-split)和能够对信号实时处理的复杂电子学系统，带来的复杂性和高成本问题是阻碍可见光和近紫外光fts发展的主要原因之一。利用立方反射镜(角锥)可以实现光路折叠进而实现光程的倍增，已成熟应用于激光干涉技术中，即特伦逆向系统。利用立方反射镜实现光束多次折叠，获得高分辨率hene激光干涉条纹，从而获得高精度的光程差定位脉冲的方法实现低成本、高精度的近紫外及可见光傅里叶变换辐射光谱测量方法得以尝试。该方法采用光束4次折叠的hene激光干涉仪与被测光迈克尔逊干涉光路背靠背同轴安装，使两者的光程差变化同步，从而获得高分辨率高精度的光程差定位脉冲。方法优点在于在低成本前提下实现较高光谱分辨率和精度的辐射光谱测量，初步实验结果，在可见光范围光谱分辨率为0.28cm-1。
技术实现要素：
针对现有技术存在上述的不足，本发明提供了一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量方法及系统，通过将两干涉仪布局采用光学平移轴对称式设计结构，实现了精确等光程差定位间隔的干涉图采样，最终傅里叶变换吸收光谱仪获得了光谱测量高分辨率和精度。
本发明的技术方案为，一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量方法，包括以下步骤：
用光纤将hene激光和被测光导入两组迈克尔逊干涉仪的准直透镜；
将所述两组迈克尔逊干涉仪的输出光信号导出至光电检测器件；
基于信号采集与处理系统采样干涉图数据；
将采集的数据传输到计算机并计算吸收光谱。
本发明的另一面，一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量系统，包括两组迈克尔逊干涉仪、光电检测器件和信号采集与处理系统，所述迈克尔逊干涉仪与所述光电检测器件连接后接入信号采集与处理系统，所述两组迈克尔逊干涉仪为第一迈克尔逊干涉仪(参考光干涉仪)和第二迈克尔逊干涉仪(被测光干涉仪)，所述第一迈克尔逊干涉仪与所述第二迈克尔逊干涉仪共有动镜移动平台，所述第一迈克尔逊干涉仪为移动臂光束折叠4次的迈克尔逊干涉仪，所述第二迈克尔逊干涉仪为常规迈克尔逊干涉仪。
上述的测量系统，其中，所述棱镜组由两个棱镜组成，所述棱镜用以平移折叠光束组，使之关于第二迈克尔逊干涉仪的移动臂光轴对称，信号采集与处理系统用以采样干涉图数据并传输数据给计算机计算光谱。
上述的测量系统，其中，用光纤将hene激光和被测光导入两组迈克尔逊干涉仪的准直透镜，两组迈克尔逊干涉仪的输出光信号导出至所述光电检测器件。
上述的测量系统，其中，所述第一迈克尔逊干涉仪设有光束折叠结构。
上述的测量系统，其中，所述第二迈克尔逊干涉仪设有大口径中空回射器及光路，用以对称安排双光束输出干涉图的接收，所述第一迈克尔逊干涉仪与第二迈克尔逊干涉仪的光程差为4倍关系。
上述的测量系统，其中，所述第一迈克尔逊干涉仪为参考光干涉仪，所述第二迈克尔逊干涉仪为被测光干涉仪。
上述的测量系统，所述第一迈克尔逊干涉仪与所述第二迈克尔逊干涉仪对称分布。
本发明提供的一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量方法及系统，具有以下优点：1、两干涉仪的布局采用光学平移轴对称式设计结构，进一步提高两干涉仪光程差变化的同步性，从而提高干涉图采样间隔定位的准确性；2、第二迈克尔逊干涉仪采用中空立方反射镜代替玻璃立方反射镜消除玻璃体引起的误差，同时采用双光束输出同时测量，以实现光谱吸收曲线的计算；3、选用长光程伺服控制式光学移动台，增加动镜扫描长度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明提供的一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量系统的设计框图。
图中：1、氦氖激光器(参考光)；2(a)、反光镜1；2(b)、反光镜2；3、参考光干涉仪分束镜；4(a)、透镜1；4(b)、透镜2；4(c)、透镜3；5(a)、光电检测器件1；5(b)、光电检测器件2；5(c)、光电检测器件3；6、棱镜组；7、角锥组；8、测量样本；9、被测光；10、对称轴；11、移动距离x；12、固定模块；13、移动模块；14(a)、中空立方反射镜1；14(b)、中空立方反射镜2；15(a)、透镜1；15(b)、透镜2；16、反光镜3；17(a)、单模光纤；17(b)、多模光纤；18、信号采集与处理系统；19、计算机；20、被测光干涉仪分束镜。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明的实施并不由本领域技术人员所熟知的细节决定。所以，在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1所示，本发明提供了一种可见光傅里叶变换吸收光谱测量系统，包括两组迈克尔逊干涉仪、光电检测器件和信号采集与处理系统，迈克尔逊干涉仪分别与光电检测器件和信号采集与处理系统相连，所述两组迈克尔逊干涉仪为第一迈克尔逊干涉仪和第二迈克尔逊干涉仪，所述第一迈克尔逊干涉仪与所述第二迈克尔逊干涉仪共用动镜移动平台，所述第一迈克尔逊干涉仪为移动臂光束折叠4次的迈克尔逊干涉仪，所述第二迈克尔逊干涉仪为常规迈克尔逊干涉仪，具体为系统由两个迈克尔逊干涉仪同轴相对安装、拥有共同动镜移动平台的迈克尔逊干涉仪构成，左侧为移动臂光束折叠4次的迈克尔逊干涉仪，用于光程差定位脉冲产生，称为参考光干涉仪；而右侧为常规迈克尔逊干涉仪，用于被测光检测，称为被测光干涉仪。固定模块由一个中空立方反射镜、棱镜组和一个平镜构成，棱镜组被用来平移折叠光束组，使之关于被测光干涉仪的移动臂光轴对称，移动模块随光学平移台由直流电机驱动平移。用光纤将hene激光和被测光导入两干涉仪的准直透镜，两干涉仪的输出光信号导出至光电检测器件。通过信号采集与处理系统来控制系统运行，采样干涉图数据，传输数据给计算机计算光谱。
在本发明一优选但非限制的实施例中，如图1所示，左侧参考光干涉仪采用光束折叠结构，右侧被测光干涉仪拟采用大口径中空立方反射镜及光路的实现对称安排双光束输出干涉图接收。由于参考光干涉仪移动臂光束折叠4次，所以当动镜平移台平移时，参考干涉仪光程差变化是右侧被测光干涉仪的4倍。当移动模块从零光程差位置(zpd)移动距离x，则参考干涉仪光程差变化是8x。两干涉仪的光程差变化仍然为4倍关系，且具有光程差变化的高同步性。
辐射光谱曲线为b(σ)的被测光源为宽带光源，波数σ的取值覆盖可见光范围。由于能量守恒原因，在忽略分束镜吸收且假定分束膜透射和反射在入射光谱波段均各为50％的情况下，光电检测器件2和光电检测器件3测量结果的和恒等于输入光强i0。光电检测器件2检测到的干涉图强度为：
则光电检测器件3干涉图强度为：
吸收谱为a(σ)的测量样本加入测量光路中，两光电检测器件测量结果的交流成分为：
两光电检测器件测量结果和的交流成分为：
首先对itac(x)和itac(x)+irac(x)分别进行等光程差间隔采样，然后进行fft计算获得b(σ)和b(σ)a(σ)，从而推出光谱吸收曲线a(σ)。参考光(632.8nm)干涉产生的光程差定位脉冲间隔为79.1nm光程差。按nyquist采样定理，理论最短可检测波长为158.2nm(63209.5cm-1)，实际测量值受所用光电器件的光谱带宽限制，主要在可见光波段。实测中，需首先对放置样本前两干涉输出值校正。选用典型吸收材料对本实验系统进行实验检测分析。
在本发明一优选但非限制的实施例中，该系统关键在于研究基于光束折叠技术的高分辨率hene激光干涉条纹产生干涉图采样光程差间隔方法的可行性，因而没考虑光谱仪扫描过程中保证动镜平稳性的动态控制措施，而是采用中空立方反射镜代替平面镜保证光束平行性，从而保证干涉图较好调制度的简单方案，降低系统的复杂性。同时参考干涉仪折叠光束与被测光干涉仪移动臂光束的平行性保证，使得两干涉仪的光程差变化的同步性得到保证(4倍关系)，使其对平移台的移动速度不敏感，保证了被测光干涉图的光程差采样间隔的精度。
在本发明一优选但非限制的实施例中，两干涉仪采用同光轴的对称式结构布局，将大幅度减小平移台移动过程中的摆动引起的参考干涉仪和被测光干涉仪的光程差同步误差；用中空立方反射镜代替玻璃立方反射镜可以消除平移台摆动中玻璃体折射引起两干涉仪光程差变化的同步误差，从而将大幅提高被测光干涉图采样定位间隔精度，而选用长工作距离平移台，增加动镜扫描可以实现提高光谱测量的分辨率和精度的目的。
在本发明一优选但非限制的实施例中，由于干涉图采样方式为动态扫描采样，且采样光程差间隔定位脉冲是由扫描过程中，参考光干涉仪输出的高分辨率hene激光干涉条纹信号经过零比较电路产生的，因此，测量系统对平移台伺服系统本身的伺服定位分辨率和精度没有要求，仅要求平移台较匀速运行即可。但对平移台平移尽可能平稳，也即平移中，台面偏摆、俯仰要小，运行直线度和平行度要高。目前高精密电控平移台偏摆、俯仰角小于30秒，运行直线度和平行度为10-15μm，可以满足本方案中对平移台直线度和平行度的要求。
本发明的方法具体实现过程如下：基于光束折叠技术的可见光傅里叶变换吸收光谱测量所能达到的分辨率和精度，在低成本前提下实现较高光谱分辨率和精度的吸收光谱测量的技术。参考光干涉仪和被测光干涉仪布局采用光学平移轴对称式结构,利用中空回射器形成光束折叠,用光纤将hene激光和被测光导入两干涉仪的准直透镜，两干涉仪的输出光信号导出至光电检测器件。选用的长光程伺服控制式光学移动台增加扫描距离,用一信号采集与处理系统来控制系统运行，采样干涉图数据，传输数据给计算机计算光谱。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。