弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术研究

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1、分类号：TN21单位代码：10110学号：b2008043中北大学博士学位论文弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术研究博士研究生张敏娟指导教师王召巴王志斌学科专业光电子技术与仪器2013年12月11日图书分类号TN21密级非密UDC注1681.5博士学位论文弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术研究张敏娟指导教师（姓名、职称）王召巴教授王志斌教授申请学位级别工学博士专业名称光电子技术与仪器论文提交日期2013年12月11日论文答辩日期2013年12月7日学位授予日期2013年月日论文评阅人郝群、颜昌翔、黄国亮、韩焱王云才、张宽收、肖连团答辩委员会主席黄国亮2013年12月

2、11日Ph.D.DissertationTheResearchofHigh-speedDataProcessingTechnologyofthePhoto-elasticModulationFourierTransformSpectralReconstructionByZhangMinjuanSupervisorProf.WangZhaobaProf.WangZhibinNorthUniversityofChinaDecember2013原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集

3、体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术研究

4、摘要弹光调制傅里叶变换光谱技术是一种高速、宽光谱、高灵敏度的傅里叶变换光谱技术，其在宇宙探测、环境监测、生物医学、工业生产等瞬态光谱探测领域具有潜在的应用价值。弹光调制器作为弹光调制傅里叶变换光谱仪的核心技术和部件，其调制频率高、光程差呈非线性，使得弹光调制数据处理技术存在难题。因此，如何实现弹光调制干涉信号的高速采样和存储、准确计算弹光调制傅里叶变换干涉仪的瞬态最大光程差，以及如何快速准确地进行光谱复原、标定，成为弹光调制傅里叶变换光谱仪需要解决的重要科学问题。论文基于傅里叶变换光谱复原数据处理技术和弹光调制傅里叶变换干涉仪的工作机理，对弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术

5、进行研究，开发了弹光调制傅里叶变换高速数据处理平台。首先，研究了傅里叶变换光谱复原数据处理技术。基于傅里叶变换光谱理论，分析了时间调制型傅里叶变换干涉仪的工作机理、光谱分辨率和采样方式；为了抑制频谱泄露、减小相位歪曲，对傅里叶变换干涉图的切趾、相位校正技术进行了研究，基于Forman法和Mertz法的相关特性，提出了对称化相位校正方法。该方法采用高分辨率的干涉图对相移频谱进行估计，在频域内完成复原光谱的相位校正。实验表明，该方法使得复原光谱保持了比较高的准确度，同时降低了算法复杂度。其次，以弹光调制傅里叶变换干涉仪的工作机理为立足点，建立了弹光调制器的动态模型，针对弹光调制干涉信号

6、的高速、相位非线性特性，采用高速等时间方式实现了干涉信号采样；以激光为参考光源，通过激光干涉信号过零计数的方法实现了瞬态最大光程差的检测，完成了光谱复原和波长标定。再次，针对弹光调制干涉信号相位非线性特性，通过分析非均匀离散傅里叶变换算法、D-R算法和基于傅里叶变换矩阵的非均匀快速傅里叶变换算法，提出了加速的非均匀快速傅里叶变换算法。该算法通过核函数卷积运算对傅里叶系数进行估计，实现了均匀数据的插值。实验验证，该算法在合理选择高斯核函数和参数时，能快速准确地复原中北大学学位论文激光光谱和黑体光谱。最后，基于FPGA+DSP架构，设计了弹光调制高速数据处理平台。以高速ADS4245模

7、数转换器和DDR3动态存储器实现了干涉信号的高速采集和存储，基于DSP实现了快数据处理算法，完成了光谱复原。为了验证该平台的性能，搭建了完整的光谱测试系统，以已知频谱的窄带激光和不同温度的红外黑体为辐射源对其光谱进行快速复原，验证了该系统的性能，达到了指标要求。关键词：傅里叶变换光谱仪，弹光调制器，干涉仪，相位校正，非均匀快速傅里叶变换，核函数，FPGA、DSP中北大学学位论文AbstractThetechnologyofthephoto-elasticmodulat