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《中国科学技术大学》 2017年
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高性能FTIR光谱仪数据采集与处理方法研究

李妍  
【摘要】:针对高性能的FTIR仪器对高精度采样与处理方法的需求,本文研究了采样误差对干涉图的影响,设计并实现了基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法,在此基础上研究了同步采样方法,最终对基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法进行了测试分析。分析了 FTIR光谱仪中几种典型的采样误差,并基于这几种误差类型,针对入射光源为单色光和复色光的情况,分别建立了理想情况和存在采样误差时干涉图的数学模型,并对其进行了模拟仿真。计算了复色光时不同采样误差下光谱强度的相对误差。利用基于激光触发采样与处理方法的系统,研究了干涉图相位校正过程中数据点数对复原光谱的影响,对比分析了 Mertz相位校正方法中使用65536数据点与1024数据点参与相位校正后仪器信噪比的变化情况。结果表明,使用65536数据点进行相位校正后的光谱在2100~2200cm-1和2500~2600cm-1波段范围的仪器信噪比分别是后者的1.9和3.4倍。由于激光触发采样方法不能通过后期的相位校正改进干涉仪动镜运动不均匀所引起的采样误差。因此高性能FTIR光谱仪的研制需要对数据采样及处理方法进行改进,研究一种环境适应性好,采样频率较高的干涉图重建方法。所以研究并实现了基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法。其可以降低对光路稳定性、准直性的要求,简化光路调节过程,增大测量范围。研究了等时间同步采样方法,其对激光与红外信号的采样和插值操作都是同步的,保证了时间上的一致性,简化了激光干涉信号过零点信息的提取,降低了数据处理的复杂度。对比研究了 "Brault"方法改进采样及处理方法和激光触发采样方法的数据处理时间及仪器信噪比。实验结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法该方法得到的信噪比更高,是后者的1.4倍。以空气中CO2、CO、CH4气体为例,比较了两种方法能够得到的检测限及检测精度。实验结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样方法得到背景空气中的CO2、CO、CH4的检测限分别是基于激光触发采样方法系统的5.8、1.8、4倍,检测精度分别是后者的5.9、2.4、4倍。为了验证"Brault"方法改进的数据采样及处理方法对仪器性能指标的影响,对其进行了连续实验观测。结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法可以用于连续监测。
【关键词】:傅立叶变换光谱仪 数据采样及处理方法 采样误差 激光触发采样方法 基于"Brault"方法改进的采样方法
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH744.1;TP274.2
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第1章 绪论12-18
  • 1.1 研究背景与意义12-14
  • 1.1.1 红外光谱技术12-13
  • 1.1.2 FTIR光谱仪13-14
  • 1.2 国内外研究进展14-15
  • 1.2.1 FTIR光谱仪国外研究现状14-15
  • 1.2.2 FTIR光谱仪国内研究现状15
  • 1.3 论文的主要工作15-18
  • 第2章 傅立叶变换红外光谱技术18-44
  • 2.1 分辨率18-20
  • 2.1.1 分辨率的定义18-20
  • 2.1.2 分辨率的测定方法20
  • 2.2 干涉图采样20-25
  • 2.2.1 单边干涉图采样20-21
  • 2.2.2 双边干涉图采样21
  • 2.2.3 奈奎斯特采样频率21-22
  • 2.2.4 干涉图采样间隔22-23
  • 2.2.5 干涉图采样周期与数据点之间的关系23-25
  • 2.2.6 量化25
  • 2.3 干涉图处理25-36
  • 2.3.1 切趾25-28
  • 2.3.2 相位校正28-32
  • 2.3.3 补零32
  • 2.3.4 傅立叶变换32-36
  • 2.4 仪器信噪比36-37
  • 2.5 动态范围37
  • 2.6 迈克尔逊干涉仪37-42
  • 2.6.1 等倾干涉38-40
  • 2.6.2 等厚干涉40-42
  • 2.7 本章小结42-44
  • 第3章 干涉图采样误差分析44-60
  • 3.1 干涉图的等光程差间隔采样44
  • 3.2 等光程差间隔采样方法研究44-48
  • 3.2.1 激光触发采样方法44-45
  • 3.2.2 Brault相关采样方法45-48
  • 3.3 采样误差概述48-49
  • 3.4 采样误差来源49-50
  • 3.5 单色光干涉图理论分析及模拟仿真50-54
  • 3.5.1 单色光干涉图数学模型50-52
  • 3.5.2 单色光干涉图模拟仿真52-54
  • 3.6 复色光干涉图理论分析及模拟仿真54-58
  • 3.6.1 复色光干涉图数学模型54-55
  • 3.6.2 不同采样误差下的复原光谱55-56
  • 3.6.3 光谱强度相对误差56-58
  • 3.7 本章小结58-60
  • 第4章 基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法研究60-86
  • 4.1 激光触发采样方法60-68
  • 4.1.1 基本原理60
  • 4.1.2 方法的应用研究60-68
  • 4.2 基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法的研究68-79
  • 4.2.1 基本原理68-69
  • 4.2.2 采集卡的选择69-71
  • 4.2.3 过零点检测方法71-74
  • 4.2.4 插值函数74-76
  • 4.2.5 鬼线的来源76
  • 4.2.6 去直流方法76-79
  • 4.3 基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法的软件实现79-85
  • 4.3.1 干涉图采集软件79-80
  • 4.3.2 干涉图采集与处理软件80-85
  • 4.4 本章小结85-86
  • 第5章 同步采样与处理方法研究86-96
  • 5.1 同步采样与处理方法的研究86-91
  • 5.1.1 同步采样基本原理86-87
  • 5.1.2 插值方法87-89
  • 5.1.3 红外干涉信号的插值重建89
  • 5.1.4 模拟仿真89-91
  • 5.2 同步采样与处理方法的实现91-93
  • 5.2.1 实验原理91
  • 5.2.2 实验结果与分析91-93
  • 5.2.3 实验结论93
  • 5.3 干涉图分段变增益采样方法93-95
  • 5.4 本章小结95-96
  • 第6章 基于"Brault"方法改进的采样方法应用及数据分析96-110
  • 6.1 信噪比与处理时间的比较96-100
  • 6.1.1 实验装置96-97
  • 6.1.2 实验结果与分析97-100
  • 6.1.3 结果讨论100
  • 6.2 检测限与检测精度的比较100-103
  • 6.2.1 检测限100-101
  • 6.2.2 检测下限的比较101-103
  • 6.2.3 检测精度的比较103
  • 6.3 气体测量应用103-109
  • 6.3.1 实验装置103-104
  • 6.3.2 实验原理104-105
  • 6.3.3 实验结果105-109
  • 6.4 本章小结109-110
  • 第7章 总结与展望110-112
  • 7.1 论文的工作总结110-111
  • 7.2 后续工作展望111-112
  • 参考文献112-120
  • 致谢120-122
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果122

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