光纤傅里叶变换光谱仪采样系统

　　1　引　言

　　光纤傅里叶变换光谱仪(FFTS)是利用光纤干涉仪将各种不同频率的光调制成余弦信号,这些余弦信号迭加后形成的干涉图经过傅里叶逆变换得到光谱。与传统的傅里叶变换光谱仪不同的是,FFTS采用全光纤器件组成。由于计算机只能对数字化的干涉图进行傅里叶变换。因此,需要对实测的干涉图进行控制测量和数据采集。经典的傅里叶变换光谱仪通常用主干涉仪和辅助干涉仪完成复杂的数据采集工作。数据采集过程既要保证等间隔采样,又要保证各次扫描的干涉图都从同一起点开始采集。一方面为了提高测量数据的重复度和精度;另一方面,在弱信号探测中,由于信号很弱,信噪比很低,可以通过严格地控制光程采样周期,进行多周期的平均,提高信噪比[1,2]。白光干涉仪是最早使用的一种方法。一般的干涉仪都是单向扫描收集数据,扫描一次后动镜回到原处再开始第二次扫描,为了准确地定出采样起始点,需要白光干涉仪,以便使每次采样都从同一起点开始,多次重复扫描累加时,各次数据能吻合。白光是一复合光,只有在干涉仪零光程差处才出现尖锐的干涉图,为了保证红外干涉仪和白光干涉仪具有同一零光程差点,干涉仪系统的装配和调整都须十分精确。灵敏的白光干涉信号一旦漂移,调整起来十分困难。此外,一个白光干涉仪仅仅能给定一个确定的零光程差位置,限制了干涉仪系统的灵活使用。同时这套白光干涉仪系统使仪器复杂,造价增高,并给使用带来很多麻烦。故近年各厂家都采用其它技术代替白光干涉仪,其中比较成熟的方法是激光回相扫描法和可逆计数法[3]。

　　1989年日本NTT光电实验室的KazumasaTakada等人提出了一种方法。该方法把激光的干涉条纹用偏振分束镜产生两路相位差为90°的信号,经过复杂的电路处理,完成了λ/8的硬件过零触发采样,并且利用可逆计数器实现了光程差位置确定和扫描方向鉴别,实现了对大规模集成电路动态随机内存垂直电容器存贮器单元深度测量[4]。1990年该方法成功应用于光纤傅里叶变换光谱仪中确定干涉图扫描光程的初始位置,实现了多次扫描干涉图对应位置的多次平均,提高了FFTS的信噪比[5,6]。

　　在连续扫描FFTS系统中,实现单向的扫描过程的采样,需要复杂的电路设计。本文设计了一种FFTS数据采样系统,不仅实现了等间隔采样,而且确定了光程扫描的采样起始点。在采样系统中使用了以下新方法:(1)只用一路激光干涉信号采用Hilbert变换产生和原信号相位相差为90°的信号,形成两路正交的信号;(2)采用改进型的Brault算法[8]实现了等间隔采样。和其它方法相比,这种方法简化了光路,减少了采样通道数,将原来需要由光路和电路完成的部分功能改用算法实现,便于DSP芯片的快速处理,降低了电路设计的难度。