一种傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描系统的设计

    引言

    近年来，光学遥感技术尤其是傅立叶变换红外（FT-IR）技术在大气环境监测中得到了广泛研究和发展，它克服了气相色谱等传统方法的不足^[1]，能够实现快速连续在线监测，以及多组分的同时监测，因此逐渐成为大气环境监测的一个主要手段^[2]。同时，大气监测应用也给 FT-IR 光谱仪提出了新的要求，比如外场监测、车载平台、机载平台，要求仪器具有良好便携性、抗震性以及稳定性^[3]，但是大部分的 FT-IR分析仪器主要面向实验室应用，因此有必要研制适用于大气环境监测需求的 FT-IR 光谱仪。

    FT-IR 光谱仪的核心部件为 Michelson 干涉仪，光的干涉来源于干涉仪动镜和定镜间相对运动所产生的光程差，动镜扫描系统是光谱仪的一个重要组成部分，动镜的扫描距离决定了光谱的最大分辨率，动镜的位置误差和扫描匀速性决定了干涉效果和光谱质量^[4]。因此动镜扫描控制系统的设计，要求能够控制动镜作高精度的匀速运动，速度波动要严格控制在一定范围内，研究表明，当动镜相对速度误差在 2%以内时，动镜速度波动对光谱质量的影响可以忽略不计^[5]。动镜扫描系统的设计与干涉仪的结构以及驱动形式有关，根据不同需求，干涉仪的结构和驱动形式多种多样，因此需要针对实际系统，设计实现能够满足性能要求的控制系统^[6,7]。而如何建立起系统的准确模型，并根据系统指标要求设计出合理的控制系统，是其中的一项关键技术。

    本文针对一种倾斜补偿摆动式干涉仪，利用旋转式音圈电机作为驱动单元，设计出一套扫描速度自动控制反馈系统。为了使控制系统的性能指标达到要求，首先建立了控制系统的数学模型，分析了系统的性能参数，在此基础上，将 PID 控制应用于反馈控制设计，提高了系统的稳态性能和动态性能。实验结果表明，该控制系统的性能指标达到了要求，在应用过程中表现出良好的稳定性和可靠性，满足了 FT-IR 光谱仪的性能要求。

    1 原理与组成

    FT-IR 光谱仪系统主要由 Michelson 干涉仪、红外光源、动镜扫描控制系统、红外探测器、数据采集与处理系统组成。其中，光的干涉过程由 Michelson干涉仪实现^[8]，其基本原理如图 1 所示。可知，若有一束波数为  的单色光，强度为I ( )   ，经过干涉仪之后，在探测器处检测到的强度为：

    根据干涉仪的不同结构，动镜的运动形式主要有直线式和摆动式，直线运动形式要求动镜在整个扫描运动过程中，动镜所在平面保持精确对齐，不能发生倾斜和旋转，对机械系统和控制系统要求很高；摆动式结构设计可以使运动过程中反射镜之间的相对位置不变，而作为一个整体进行运动，因此光路对倾斜不敏感，另外还可以在物理扫描距离不变的情况下，增大光程差的距离。