弹光调制傅里叶变换光谱复原高速数据处理技术研究

论文摘要

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,分析了时问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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及研究意义
• 1.2 弹光调制傅里叶变换数据处理技术的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 傅里叶变换光谱仪
• 1.2.2 干涉信号的采样技术
• 1.2.3 非均匀快速傅里叶变换算法的研究现状
• 1.2.4 高速数据处理技术的研究现状
• 1.3 课题来源、主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 傅里叶变换光谱复原数据处理技术的研究
• 2.1 傅里叶变换干涉仪及其采样
• 2.1.1 傅里叶变换干涉仪的工作原理
• 2.1.2 傅里叶变换光谱仪的分辨率
• 2.1.3 干涉图的采样
• 2.1.4 光谱分辨率与傅里叶变换数据量的关系
• 2.2 傅里叶变换光谱复原数据处理技术研究
• 2.2.1 干涉信号的预处理
• 2.2.2 数据切趾
• 2.2.3 相位校正技术
• 2.3 相位校正方法的研究
• 2.3.1 Mertz法相位校正技术
• 2.3.2 Forman法相位校正技术
• 2.4 对称化相位校正方法
• 2.5 光谱复原数据处理算法的仿真与分析
• 2.5.1 实验平台
• 2.5.2 切趾函数分析
• 2.5.3 不同相位校正技术分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 弹光调制傅里叶变换干涉仪特性及数据预处理技术研究
• 3.1 弹光调制傅里叶变换干涉仪
• 3.1.1 弹光调制傅里叶变换干涉仪的组成
• 3.1.2 弹光调制器振动模型及频率漂移
• 3.1.3 弹光调制傅里叶变换干涉仪的工作原理
• 3.1.4 弹光调制傅里叶变换干涉仪的特性
• 3.2 弹光调制干涉信号的预处理技术
• 3.2.1 弹光调制干涉信号的采样方法
• 3.2.2 单周期弹光调制干涉信号的提取技术
• 3.3 弹光调制傅里叶变换干涉仪瞬态最大光程差的测量
• 3.4 本章小结
• 第四章 弹光调制干涉信号快速傅里叶变换算法研究
• 4.1 非均匀离散傅里叶变换（NDFT）算法
• 4.1.1 NDFT问题
• 4.1.2 弹光调制干涉信号的NDFT算法实现
• 4.2 基于插值的非线性信号快速傅里叶变换算法
• 4.2.1 拉格朗日多项式插值算法
• 4.2.2 三次样条插值算法
• 4.3 NUFFT算法
• 4.3.1 NUFFT算法的近似估计理论
• 4.3.2 D-R算法
• 4.3.3 基于规则傅里叶变换矩阵的NUFFT
• 4.4 加速的NUFFT算法
• 4.4.1 加速的NUFFT算法实现机理
• 4.4.2 加速的NUFFT算法特性研究
• 4.5 加速的NUFFT算法误差分析
• 4.5.1 卷积核函数对算法的影响
• 4.5.2 傅里叶系数q对算法的影响
• 4.5.3 插值倍数μ对算法的影响
• 4.5.4 加速的NUFFT算法准确度分析
• 4.6 非均匀傅里叶变换算法的比较分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 弹光调制高速数据处理系统的硬件设计
• 5.1 弹光调制高速数据处理系统的方案设计
• 5.1.1 系统性能分析
• 5.1.2 系统方案
• 5.2 红外探测器的分析与选型
• 5.2.1 红外探测器的分析
• 5.2.2 探测器的选型
• 5.3 高速数据采集电路的研究
• 5.3.1 低压差分（LVDS）信号的分析
• 5.3.2 差分驱动电路的分析与设计
• 5.3.3 时钟电路的分析与设计
• 5.3.4 基于FPGA的模数转换电路设计
• 5.4 高速数据存储电路的研究
• 5.5 FPGA与DSP的高速数据通信
• 5.5.1 DSP的EMIF接口分析
• 5.5.2 FPGA与DSP的EMIF接口电路设计
• 5.6 高速数据处理系统PCB板的设计
• 5.6.1 PCB的设计
• 5.6.2 高速数据处理系统的性能
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统测试与分析
• 6.1 系统测试平台
• 6.1.1 弹光调制干涉仪
• 6.1.2 高速数据处理系统
• 6.2 激光光源的功率谱测量
• 6.3 激光光谱的复原与系统准确度测试
• 6.4 高温黑体的光谱复原
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本论文的主要研究工作
• 7.2 本论文的主要创新点
• 7.3 待拓展的研究工作
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与的项目
• 致谢