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《中国科学技术大学》 2017年
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高性能FTIR光谱仪数据采集与处理方法研究

李妍  
【摘要】:针对高性能的FTIR仪器对高精度采样与处理方法的需求,本文研究了采样误差对干涉图的影响,设计并实现了基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法,在此基础上研究了同步采样方法,最终对基于"Brault"方法改进的数据采样与处理方法进行了测试分析。分析了 FTIR光谱仪中几种典型的采样误差,并基于这几种误差类型,针对入射光源为单色光和复色光的情况,分别建立了理想情况和存在采样误差时干涉图的数学模型,并对其进行了模拟仿真。计算了复色光时不同采样误差下光谱强度的相对误差。利用基于激光触发采样与处理方法的系统,研究了干涉图相位校正过程中数据点数对复原光谱的影响,对比分析了 Mertz相位校正方法中使用65536数据点与1024数据点参与相位校正后仪器信噪比的变化情况。结果表明,使用65536数据点进行相位校正后的光谱在2100~2200cm-1和2500~2600cm-1波段范围的仪器信噪比分别是后者的1.9和3.4倍。由于激光触发采样方法不能通过后期的相位校正改进干涉仪动镜运动不均匀所引起的采样误差。因此高性能FTIR光谱仪的研制需要对数据采样及处理方法进行改进,研究一种环境适应性好,采样频率较高的干涉图重建方法。所以研究并实现了基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法。其可以降低对光路稳定性、准直性的要求,简化光路调节过程,增大测量范围。研究了等时间同步采样方法,其对激光与红外信号的采样和插值操作都是同步的,保证了时间上的一致性,简化了激光干涉信号过零点信息的提取,降低了数据处理的复杂度。对比研究了 "Brault"方法改进采样及处理方法和激光触发采样方法的数据处理时间及仪器信噪比。实验结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法该方法得到的信噪比更高,是后者的1.4倍。以空气中CO2、CO、CH4气体为例,比较了两种方法能够得到的检测限及检测精度。实验结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样方法得到背景空气中的CO2、CO、CH4的检测限分别是基于激光触发采样方法系统的5.8、1.8、4倍,检测精度分别是后者的5.9、2.4、4倍。为了验证"Brault"方法改进的数据采样及处理方法对仪器性能指标的影响,对其进行了连续实验观测。结果表明,基于"Brault"方法改进的数据采样及处理方法可以用于连续监测。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH744.1;TP274.2

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