傅立叶变换光谱仪的研究现状与光谱信息分析原理

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1、傅立叶变换光谱仪的研宄现状与光谱信息分析原理［摘要］近年来，随着一些高新科学技术领域的出现和发展，如空间探测、资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学、生物工程、现代医学、纳米科技等领域的科学研究和工程应用，由于其特殊的应用环境和使用需求，对于傅立叶变换红外光谱仪器提出了迫切的使用需求。本文针对傅立叶变换光谱仪进行了深入的调研并详细分析了傅立叶变换红外光谱仪捕获的研究现状与光谱信息分析原理，为未来科研人员研制新型傅立叶变换红外光谱仪提供原理与技术支持。［关键词］红外光谱仪；光谱信息；信息处理doi:10.3969/j.issn.1

2、673-0194.2017.05.043［中图分类号］0433.1；0438.2［文献标识码］A［文章编号］1673-019405-0079-05红外光谱可以用于定性分析，也可以用于定量分析，还可以对未知物进行剖析。红外光谱的应用范围十分广泛，可以说，对于任何样品，都可以得到一张红外光谱。对固体、液体或气体样品，对单一组分的纯净物和多种组分的混合物都可以用红外光谱进行测定。红外光谱可以用于有机物、无机物、聚合物、配位化合物的分析，也可以用于复合材料、木材、粮食、饰品、土壤、岩石、各种矿物、包裹体等的分析。因此，红外光谱是科研和工

3、程领域必不可少的分析技术，在化工、冶金、地矿、石油、煤炭、医药、环境、农业、海关、宝石鉴定、文物、公检法等领域得到了广泛的应用。光谱信息的采集与分析主要使用光谱仪实现。光谱仪可实现对物质结构及组分进行高精度光谱分析，是现代化科技至关重要的基本检测工具和精密分析手段。光谱仪基于光的空间色散原理或调制干涉原理，将光按一定的规律进行不同频率的分解，通过对光的各个波长进行能量测定，即辐射波长能量分布特性，将不同波长或频率的光强度分布记录为光谱图。根据工作原理不同，可将光谱仪分为三类：色散型光谱仪，滤光片型光谱仪和傅里叶变换光谱仪。滤光片

4、型光谱仪不能获得足够宽的光谱范围，其实际应用范围也非常有限，相比于色散型光谱仪，傅里叶变换光谱仪具有高通量和多通道的近年来，随着一些高新科学技术领域的出现和发展，如空间探测、资源勘探、环境监控、气象监测、生命科学、生物工程、现代医学、纳米科技等领域的科学研宄和工程应用，由于其特殊的应用环境和使用需求，对于光谱仪提出了迫切的使用需求。本文针对傅立叶变换光谱仪进行了深入的调研并详细分析了傅立分〜变换红外光谱仪捕获的研宄现状与光谱信息分析原理，为未来科研人员研制新型傅立叶变换红外光谱仪提供原理与技术支持。1傅立叶变换光谱仪光谱仪是用于

5、测定被研究的光辐射的频率特性、强度特性及其变化规律的光学仪器。光谱仪器应用光学空间色散原理或光学调制干涉原理，将被研宄的不同频率成分的光辐射按照一定的规律分解，通过测定各个波长的光辐射所具有的能量，即辐射能量按波长的分布特性，把分解的光辐射强度按照波长或频率的分布记录和显示为光谱图。1.1光谱仪器的分类与组成光谱仪器按照其光谱分解的工作原理的不同，可以将其分为空间色散光谱仪和调制干涉光谱仪。空间色散光谱仪是基于空间色散原理实现光谱分离的，而调制干涉光谱仪是建立在调制干涉原理上实现光谱分离的。空间色散光谱仪根据分光元件的不同，又可

6、以分为棱镜色散光谱仪、光栅色散光谱仪和多光束干涉色散光谱仪；调制干涉光谱仪根据调制方式的不同，又可以分为时间调制干涉光谱仪和空间调制干涉光谱仪。以上几种类型光谱仪器的典型结构如图1所示。1.2傅里叶变换光谱仪傅里叶变换光谱仪是光谱仪重要的分支，其工作过程主要分为两步：第一步是将目标物体的辐射光经干涉系统进行频率域的调制，产生干涉图；第二步是通过对干涉图进行傅里叶变换得到目标物体的光谱。干涉图和复原光谱之间的傅里叶变换关系也是傅里叶变换光谱仪这一名称的由来。干涉图通过扫描动静和定镜反射的具有一定光程差的两束光发生干涉获得，入射光信

7、号被一个与扫描动静位置有关的函数所调制。2傅立叶变换光谱仪的发展现状傅立叶变换光谱技术在其出现的一百多年间得到了迅猛的发展，特别是20世纪60年代以后，随着计算机技术的不断进步和快速傅里叶变换算法的发现和传播，让傅里叶变换光谱仪完成了从实验室到实际工程应用的完美转身。传统拉曼光谱仪中使用的光电倍增管或硅光电二极管在1OOOnm波长处效率为零。而傅里叶变换光谱仪能够有效的对中波红外的拉曼光谱进行测量，有效的弥了补这一空缺，充分的体现了傅里叶变换光谱仪在弱辐射探测领域的巨大优势和应用潜质。傅立叶变换光谱仪按调制原理可以分为时间调制型

8、和空间调制型两种。其具有多通道、高通量、波数示数精度高和杂散光低等优点，既可以检测固体、液体或气体样品，也可以对无机物、有机物、聚合物、配位化合物等进行定性或定量分析，可以对未知物进行检测，并能对弱辐射光谱目标物体实施有效探测，使得其在监视全球污染与灾害、探测中