一种傅里叶变换光谱仪动镜速度测量系统

　　1　引言

　　傅里叶变换光谱仪(FTS)是一种精密的科学仪器,它具有光谱分辨率高、光通量大,以及通道数量多等优点,在农业生产、科学研究、环境监测、航空航天遥感等领域有着广泛的应用。在卫星气象观测领域,傅里叶变换分光探测技术已经成为一种必然的发展趋势。在静止气象卫星上搭载干涉式大气垂直探测仪,利用这种先进的傅里叶变换光谱技术,从卫星上测量地球和大气的红外辐射,通过气象学反演,获取全球大气温度和湿度的三维分布情况,为数值天气预报服务。

　　傅里叶变换光谱技术的原理如图1所示,它是利用迈克尔逊干涉仪(或其它改变后的形式)对入射光进行干涉调制,用探测器把干涉信号转换为电信号,经A/D转换,成为数字化时域干涉图,它与入射光的光谱图之间存在傅里叶变换关系,通过对干涉图实施傅里叶逆变换,就可获得入射光的光谱信息。时域干涉图的形成是依靠动镜的一维平移来实现的。光谱仪要求作扫描运动的动镜必须作高精度的匀速直线运动,理论分析表明动镜速度的波动,会降低光谱品质。因此,研制一套动镜速度测试系统,分析和监控动镜的运动状况,对于风云四号干涉式大气垂直探测仪的研究非常有意义。

　　我们利用光电探测器将激光干涉条纹转换为干涉脉冲电信号,用干涉脉冲计数的方法测量动镜的运动速度,采用FPGA技术实现了干涉脉冲的数字滤波、动镜方向判别、干涉脉冲计数并利用FPGA片内RAM实现数据的实时存储,获得了高精度的动镜速度实测数据。

　　2　系统原理

　　动镜测速系统结构如图2所示,在仪器的主干涉系统中嵌入一套激光参考干涉系统,它与主干涉系统共用动镜、定镜和分束器。线起偏器、λ/8波片、Wollaston棱镜以及两路单元探测器用于动镜判向。两个单元探测器获得两路正交的干涉信号,通过判断两路正交信号的相位关系可以得到动镜运动方向信息。正交干涉信号经测速电路放大、滤波和整形处理,送给FPGA作为速度检测信号。测速系统的CPU获得速度测量数据,通过RS232串口将数据上传至上位机。上位机采用NI公司的LabWindows/CVI编程,显示动镜的速度测量结果。

　　系统采用稳频He2Ne激光作为参考光源,激光波长为0.632 8μm,波长变化为。由迈克尔逊干涉仪原理可知,入射激光束被分束器分成两束,两光束经动镜和定镜的反射后重新经过分束器合束,形成干涉。动镜的一维平动使两反射光束产生光程差,当光程差为λ/2的偶数倍时产生一个干涉亮条纹,所以动镜每运动λ/2,单元探测器就会输出一个干涉脉冲。用高速时钟测量两个相邻干涉脉冲时间间隔,就可以精确测量动镜的运动速度。