一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法及系统

技术领域

本发明涉及红外光谱测量技术领域，特别涉及一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法及系统。

背景技术

傅立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，是一类应用非常广泛的高分辨率光谱分析技术。特别是宽波段红外光谱参数测量，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、刑事侦查等多个领域。

傅立叶红外光谱仪通常包含激光干涉仪，结合内置高精度参考光源产生参考基准，用于干涉数据采集的采样触发基准、干涉仪动镜运动控制、反演光谱数据波长标定等。参考光源的精度直接影响傅立叶红外光谱仪的测量精度和测量光谱数据质量。目前常用的HeNe激光器虽然精度高，但也存在体积大、需要上千伏驱动电压等明显缺陷。半导体DFB激光器是一类很有应用前景的光源，它具有无需高压驱动、体积尺寸小、结构紧凑易集成、可充分借用半导体激光器的发展、价格低等显著优势，但它存在的频率稳定度不高、参考频率不高、中心1550nm波长偏大导致傅立叶光谱仪工作波段受限等问题，限制了它的应用。

因此，如何实现易用、低成本、任意基准频率、高精度的参考光产生，也是傅立叶红外光谱仪研制过程中需要解决的重要问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法及系统，实现了易用、低成本、基准频率随意可变、高精度的参考基准产生。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生系统，包括DFB激光器模块、稳频反馈控制模块、电流驱动模块、温度控制模块、基准信号生成模块；

所述DFB激光器模块用于产生高稳频单波长激光信号；

所述稳频反馈控制模块，连接DFB激光器模块，用于接收DFB激光器模块输出的部分激光信号，进而生成DFB激光器稳频的反馈控制信号；

所述电流驱动模块，连接DFB激光器模块和稳频反馈控制模块，用于接收稳频反馈控制模块输出的稳频反馈控制信号，进而为DFB激光器模块工作提供所需的驱动电流；

所述温度控制模块，连接DFB激光器模块，用于将DFB激光器的工作温度控制在最佳温度；

所述基准信号生成模块，连接DFB激光器模块，用于对DFB激光器模块输出的高稳频单波长激光进行探测接收，产生傅立叶红外光谱仪工作所需的任意频率的高精度参考基准。

上述方案中，所述DFB激光器模块包括DFB激光器、TEC制冷器、分路器；

所述DFB激光器，用于产生单波长的激光信号；

所述TEC制冷器与DFB激光器采用一体化安装，用于将DFB激光器的工作温度控制在最佳温度；

所述分路器连接DFB激光器，用于将DFB激光器的输出光，分别导入到稳频反馈控制模块和基准信号产生模块。

上述方案中，所述稳频反馈控制模块，包括射频本振电路、气室、光电探测器、混频电路和稳频控制单元；

所述射频本振电路连接混频电路和DFB激光器，用于提供混频电路工作所需的射频本振信号，以及对DFB激光器进行频率调制，产生调制激光输出；

所述气室连接分路器，用于提供激光光束锁定频率所需的标准参考频率，对于DFB激光器输出的部分调制激光进行吸收，从而引入特征谱线；

所述光电探测器连接气室，用于将经过气室吸收的调制激光转换为电信号；

所述混频电路连接射频本振电路和光电探测器，用于射频本振电路输出本振信号与光电探测输出电信号的混频，产生激光稳频误差信号；

所述稳频控制单元连接混频电路，用于接收激光稳频误差信号，并提供驱动电流调控信号。

上述方案中，所述电流驱动模块，包括电流控制单元，恒流源电路；

所述电流控制单元连接稳频控制单元，用于恒流源电路工作参数的实时调整；

所述恒流源电路连接电流控制单元，用于提供DFB激光器输出高稳频激光所需的高精度驱动电流。

上述方案中，所述温度控制模块，包括温度传感器、温度调控单元、TEC驱动电路；

所述温度传感器连接DFB激光器，用于实时监控DFB激光器的工作温度；

所述温度调控单元连接温度传感器，用于提供温度调控信息；

所述TEC驱动电路连接温度调控单元，用于TEC工作参数的实时调整；

所述TEC连接TEC驱动电路，用于致冷或加热，以使得DFB激光器工作温度恒定。

上述方案中，所述基准信号生成模块，包括激光干涉仪、光电探测与数据获取单元、FPGA；

所述激光干涉仪连接分路器，对DFB激光器输出的激光进行干涉调制，产生高精度干涉光；

所述光电探测与数据获取单元连接激光干涉仪，用于激光干涉仪输出干涉光的光电转换、模拟电信号调理与整形、数据采集等，输出特定频率的高精度余弦信号；

所述FPGA连接光电探测与数据获取单元，用于采用基于傅立叶红外光谱仪仪器线型函数的倍频技术，产生任意期望频率的高精度参考基准信号，满足傅立叶红外光谱仪工作需求。

本发明还提供一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法，该方法采用所述的系统，基于傅立叶红外光谱仪仪器线型函数倍频技术，产生基准频率随意可变的傅立叶红外光谱仪高精度参考基准信号。

本发明提供的傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法及系统，至少具有如下有益效果：

1、本发明采用基于线性吸收频率调制光谱的半导体DFB激光稳频方法，结合基于傅立叶红外光谱仪仪器线型函数倍频技术的方法，实现了易用、低成本、基准频率随意可变、高精度的参考基准产生，能够很好的满足傅立叶红外光谱仪的干涉数据采样触发、干涉仪动镜运动控制等的仪器应用需求；

2、本发明采用DFB激光器作为光源，具备无需高压驱动、体积尺寸小、结构紧凑易集成、可充分借用半导体激光器的发展、价格低等显著优势，并且有效克服了DFB激光器频率稳定度不高、参考频率不高等问题，具备良好的应用价值；

3、本发明提出的高精度DFB激光稳频方法，能够实现频率稳定度优于10

4、本发明提出的傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法，能够应用到紫外、可见、近红外、红外、太赫兹等不同波段、不同光谱分辨率的傅立叶光谱分析仪，特别是能够满足紫外、可见、近红外等低波长波段的傅立叶光谱仪的应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生系统示意图。

实施方式

为了便于理解本研究，下面结合附图和具体实施例，对本研究进行更详细的说明。但是，本研究可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本研究公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供了一种傅立叶红外光谱仪高精度参考光产生方法及其硬件实现，如图1所示，包括DFB激光器模块、稳频反馈控制模块、电流驱动模块、温度控制模块、基准信号生成模块。

1、DFB激光器模块

DFB激光器模块用于产生高稳频单波长激光信号。DFB激光器模块包括DFB激光器、TEC制冷器、分路器。

（1）DFB激光器用于产生单波长的激光信号；DFB激光器可以选用1550nm商用货架DFB光纤激光器产品；

（2）TEC制冷器与DFB激光器采用一体化安装，TEC制冷器通过致冷或加热，用于将DFB激光器的工作温度控制在最佳温度，维持激光器管芯温度恒定，以确保DFB激光器的工作波长不受温度变化的影响；

（3）分路器连接DFB激光器，用于将DFB激光器的输出光分为功率不同的两路光，其中功率较小的一路光，导入到稳频反馈控制模块，用作DFB激光器的稳频反馈信号光；功率较大的一路光，导入基准信号产生模块，用于产生傅立叶红外光谱仪工作所需的高精度参考基准信号。

2、稳频反馈控制模块

稳频反馈控制模块，连接DFB激光器模块，用于接收DFB激光器模块输出的部分激光信号，进而生成DFB激光器的稳频反馈控制信号。稳频反馈控制模块采用基于线性吸收频率调制光谱的半导体DFB激光稳频方法，实现DFB激光器的稳频反馈控制。稳频反馈控制模块，包括射频本振电路、气室、光电探测器、混频电路和稳频控制单元。

（1）射频本振电路连接混频电路和DFB激光器，它主要有两个作用，一是为混频电路工作提供所需的射频本振信号，二是为DFB激光器的射频调制端口提供射频驱动信号，对DFB激光器进行频率调制，产生调制激光输出；

（2）气室连接分路器，用于提供激光光束锁定频率所需的标准参考频率，对于DFB激光器输出的部分调制激光进行吸收，从而引入特征谱线。对于1550nm的DFB激光器，气室的气体种类可以选择乙炔；

（3）光电探测器连接气室，用于将经过气室吸收的调制激光转换为电信号。对于1550nm的DFB激光器，光电探测器可以采用InGaAs探测器；

（4）混频电路连接射频本振电路和光电探测器，用于射频本振电路输出本振信号与光电探测输出电信号的混频，产生激光稳频误差信号；

（5）稳频控制单元连接混频电路，用于接收激光稳频误差信号，并提供驱动电流调控信号；稳频控制单元的反馈控制算法，采用以PID算法为核心，结合模糊思想的复合控制算法，以具备更好的响应性能和控制精度；

（6）稳频控制单元的反馈控制算法，用于实现稳频控制单元的实时反馈控制。反馈控制算法的基本思路是，首先采用模糊思想对于激光稳频误差信号进行分析，剔除小幅波动、瞬态毛刺等异常虚假情况，然后将激光频率偏差信息输入到PID算法中，做出对应的调控策略，从而实现更好响应性能和控制精度的稳频控制响应，实现DFB激光器的稳频。

3、电流驱动模块

电流驱动模块，连接DFB激光器模块和稳频反馈控制模块，用于接收稳频反馈控制模块输出的稳频反馈控制信号，进而为DFB激光器模块工作提供所需的驱动电流；电流驱动模块，包括电流控制单元，恒流源电路。

（1）电流控制单元连接稳频控制单元，根据稳频控制单元给出的驱动电流调控信号，对于恒流源电路的工作参数进行实时调整，从而提升DFB激光器输出激光信号的频率稳定性；

（2）恒流源电路连接电流控制单元，在电流控制单元的控制下，用于提供DFB激光器输出高稳频激光所需的高精度驱动电流。

4、温度控制模块

温度控制模块，连接DFB激光器模块，用于将DFB激光器的工作温度控制在最佳温度。温度控制模块，包括温度传感器、温度调控单元、TEC驱动电路。

（1）温度传感器连接DFB激光器，用于实时监控DFB激光器的工作温度；

（2）温度调控单元连接温度传感器，用于提供温度调控信息。温度调控单元采用以PID算法为核心，结合卡尔曼递归算法的温度控制方案，实现DFB激光器工作温度的高精度、实时稳定控制；

（3）温度调控单元的温度控制算法的基本思路是，接收到DFB激光器的实时工作温度信息后，卡尔曼递归算法对于DFB激光器的工作温度漂移进行分析并给出实时温度变化预测，PID算法根据卡尔曼递归算法给出的DFB工作温度偏差及温度变化预测，给出实时温度调控信息，从而实现高精度的DFB工作温度的实时稳定控制；

（4）TEC驱动电路连接温度调控单元，用于TEC工作参数的实时调整；

（5）TEC连接TEC驱动电路，TEC驱动电路驱动进行致冷或加热，调节激光器的工作温度，维持激光器管芯温度恒定。

5、基准信号生成模块

基准信号生成模块，连接DFB激光器模块，用于对DFB激光器模块输出的高稳频单波长激光进行探测接收，产生傅立叶红外光谱仪工作所需的任意频率的高精度参考基准。基准信号生成模块，包括激光干涉仪、光电探测与数据获取单元、FPGA。

（1）激光干涉仪连接分路器，对DFB激光器输出的激光进行干涉调制，产生高精度干涉光；激光干涉仪通常与傅立叶红外光谱仪的主干涉仪采用共光路设计，以获取最佳的性能；

（2）光电探测与数据获取单元连接激光干涉仪，用于激光干涉仪输出干涉光的光电转换、模拟电信号调理与整形、数据采集等，输出低频余弦信号；

（3）FPGA连接光电探测与数据获取单元，用于采用基于傅立叶红外光谱仪仪器线型函数的倍频技术，对光电探测与数据获取单元产生的低频余弦信号进行倍频处理，产生任意期望频率的高精度参考基准信号，满足傅立叶红外光谱仪工作需求。对于采用迈克尔逊型干涉仪的傅立叶红外光谱仪，仪器线型函数为Sinc函数。

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。