双PEMs差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱测量技术研究

摘要

光谱测量在环境监测、食品监测、航空航天、生物医学以及军事等方面被广泛应用,其中基于弹光调制的傅里叶变换光谱技术具有调制频率高、宽光谱、高灵敏度以及抗震等特点,因此在光谱测量方面具有很好的应用前景。
　　本文在分析弹光调制光谱测量技术的国内外研究现状基础上,以项目为例,针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator,PEM)的调制频率高(几十kHz-几百kHz上),大光程差及短波段的调制干涉信号频率更高,探测器无法有效探测采集。提出了一种基于双PEMs差频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法。该方法将双PEM分别工作在数值略有差异的频率上,以对光进行差频调制,并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2-3个数量级),通过对调制信号中的低频成分进行傅里叶-贝塞尔变换可得到目标光谱。一方面,对双PEMs差频调制光谱测量技术的反演算法进行了研究,针对本文提出的双PEMs差频调制干涉信号的特点,分析了傅里叶-贝塞尔光谱反演算法;另一方面,通过理论对大光程差弹光调制器进行了研究,提出大光程差PEM中弹光晶体和压电晶体的两种结构。
　　最后,针对本文提出光谱反演方法及大光程差PEM进行了仿真和实验验证。复色光反演仿真结果显示,反演复色光谱与模拟入射光谱很好吻合;通过632.8nm激光进行了实验,将使用结果与仿真结果对比显示:在不同的相位延迟下,实验与理论仿真基本吻合;大光程差PEM实验结果显示,在弹光晶体尺寸相同及驱动电压相同情况下,大光程差PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍。综上,仿真及实验验证了双PEMs差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱测量方法的可行性。

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1 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 本论文的主要内容

2 PEM研究

2.1 PEM工作原理

2.2 典型Kemp型PEM分析

2.3 压电晶体的选择

2.4 弹光晶体的选择

2.5 PEM综合性能分析及测试

2.6 本章小结

3 双PEMs差频调制原理及反演算法研究

3.1 单PEM型FTS存在的问题

3.2 双PEMs差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱测量原理

3.3 仿真及误差分析

3.4 本章小结

4 大光程差PEM干涉具研究

4.1 典型的提高PEM光程差的方法

4.2 大光程差PEM干涉具设计方案一

4.3 大光程差PEM仿真及实验分析

4.4 大光程差PEM干涉具设计方案二

4.5 本章小结

5 测试系统设计及实验

5.1 测试系统设计

5.2 实验及结果分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足及展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及专利

致谢