傅里叶变换光谱仪及其在激光 雷达中的应用分析
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主要内容
• 光谱仪简介 • 傅里叶光谱仪的工作原理 • 傅里叶光谱仪的应用 • 傅里叶光谱仪的特点 • 傅里叶光谱仪的发展趋势
光谱仪
第一代：棱镜色散ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光谱仪
分辨率低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。
第二代：光栅色散型光谱仪
傅里叶变换光谱仪装置图
傅里叶光谱仪的工作原理
当光源为单色光时探测器接收到的光强为:
I I0 1 cos I0 1 cos2
相位差： 2 2
光程差： 2x
当光源为复色光时，设其亮度为 B
探测器接收到的光强为:
I
0
B
1
cos2 d
I
0
B
cos2 d
I
I
0
B
cos2 d
可以看出探测器接收到的光强是光源的傅 里叶积分。
记录下干涉图 I
并作傅里叶余弦变换
B
I
cos2
d
就可得到任何波数处的光强。
a.被测光为单色光光源 b.被测光为波数不同的两种单色光
傅里叶光谱仪系统图
傅里叶光谱仪的分类
时间调制型
空间调制型 （三角共路型，双折射型）
关键技术及指标
1.光谱分辨率
系统刚好能够分辨的两条谱线的波数 差Δν,就是仪器的光谱分辨率
切趾就是将主峰两侧的脚趾切除掉。要实现这个目的，就要 用一个切趾函数截取干涉图。
常用窗函数：
-L
Hamming窗 Hanning窗 Rife-Vincent窗 Blackman窗 ……
L a.单色光干涉图三角函数切趾示意图
b. 切趾后光谱图（ sinc2函数）
傅里叶变换光谱仪在激光雷 达中的应用分析
1
L 上式表明，在傅里叶光谱仪中，其分辨 率系统能够产生的最大光程差的倒数。
2.切趾
被测光的光谱图是探测的光强的傅里叶变换
B
0
I
cos2
d
数据处理流程图
理论上，傅里叶变换的积分限为无穷大。但实际仪器中 光程差总是有限的。这就造成输出光谱有较大的旁瓣起伏。
a.单色光干涉图
解决方法
b.单色光变换光谱
采用先进的光栅刻制和复制技术，提高了仪器的 分辨率，拓宽了测量波段，降低了环境要求。
第三代：傅立叶变换光谱仪
具有宽的测量范围、高测量精度、高分辨率以及 快的测量速度。
色散型光谱仪
棱镜光谱仪
光栅光谱仪
傅里叶变换光谱仪
用迈克尔逊双 光束干涉仪记录下 干涉图；再借助于 傅里叶余弦变换获 得光源的辐射功率 谱分布的方法，称 为傅里叶变换光谱 学。相应的仪器称 为傅里叶变换光谱 仪。
发展趋势---- 微型化
为了克服傅里叶光谱仪体积大成本高的 缺陷，很多人都致力于傅里叶光谱仪微小型 化的研究。
微型光谱仪与普通的光谱仪相比具有很 大的优点，它除了具有微小型、低成本、易 于实现模块化，还具有耐用、紧凑、易于校 准、抗震动、抗环境温度压力变化影响等。
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定镜动态准直拉曼光谱仪系统结构示意图
a.天然鸡血石的拉曼光谱 b.仿造鸡血石的拉曼光谱
海洛因的拉曼谱图
罂粟碱的拉曼谱图
奶粉的拉曼谱图
洗衣粉的拉曼谱图
血液在He-Ne 激光诱导下的荧光光谱
傅里叶光谱仪的特点
优点
1.高分辨率，2.高信噪比，3.多通道，4. 宽的光谱范围。
缺点
1.体积庞大，2.价格昂贵，3.机械精度 高，4.需要扫描时间，实时性不好。