山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心 李 珊 陳媛媛 王志斌

切趾函數(shù)對(duì)PEM-FTS復(fù)原光譜的影響

山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心 李 珊 陳媛媛 王志斌

在彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀（PEM-FTS）中，切趾函數(shù)處理是彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀光譜復(fù)原過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)復(fù)原光譜的精度有重要影響。本文分析了對(duì)PEM-FTS干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行切趾的原因，以671nm激光器為光源通過PEM-FTS系統(tǒng)產(chǎn)生單色光干涉數(shù)據(jù)，并分析了不同切趾函數(shù)對(duì)該干涉數(shù)據(jù)復(fù)原光譜的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Blackman窗是其中最為有效、穩(wěn)定的切趾函數(shù)。采用TMS320C6713DSP芯片對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行切趾與光譜復(fù)原，可保證PEM-FTS對(duì)數(shù)據(jù)處理的高速性要求。

PEM-FTS；切趾函數(shù)；復(fù)原光譜；Blackman窗；DSP

1.引言

彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀（PEM-FTS）核心器件是由彈光調(diào)制器組成的干涉儀，其在高速光譜探測(cè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［1］。在實(shí)際應(yīng)用中，由于光程差的限制得到的干涉信號(hào)是被儀器函數(shù)截?cái)嗟母缮嫘盘?hào)，這樣的干涉信號(hào)經(jīng)過光譜反演會(huì)造成光譜圖主瓣寬度加大，降低光譜分辨率。為了提高PEM-FTS的光譜分辨率，本文研究了經(jīng)典的加窗切趾函數(shù)對(duì)于復(fù)原光譜的影響。以波長(zhǎng)為671nm的激光器作為入射光源產(chǎn)生干涉信號(hào)，分別經(jīng)過五種窗函數(shù)切趾處理，做NUFFT運(yùn)算后得到復(fù)原光譜。PEM-FTS具有調(diào)制速度快的特點(diǎn)，這就要求有較高的數(shù)據(jù)處理速度與其相匹配，而DSP芯片以其特殊的芯片結(jié)構(gòu)在高速數(shù)據(jù)處理方面有著廣泛的應(yīng)用，本文選用TI公司C6000系列的TMS320C6713DSP芯片實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)數(shù)據(jù)切趾與光譜復(fù)原算法，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)于高速性與實(shí)時(shí)性的要求。

2.切趾原理

PEM-FTS的基本方程是：

圖1 矩形窗截取單色光干涉信號(hào)得到的光譜

3.切趾函數(shù)及其對(duì)復(fù)原光譜影響分析

由于彈光調(diào)制干涉信號(hào)在零光程差處光強(qiáng)最強(qiáng)，因此切趾函數(shù)必須滿足在零光程差處有極大值，在零光程差兩側(cè)函數(shù)值逐漸減小，最大光程差處函數(shù)值近似趨于零，滿足這種條件的加窗切趾函數(shù)有三角窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗和Kaiser窗［2］。這五種窗的幅頻特性曲線如圖2所示。

圖2 五種窗函數(shù)幅頻特性曲線

圖3 671nm干涉信號(hào)

圖4 不同窗切趾處理后光譜圖

圖5 DSP中經(jīng)Blackman窗切趾后671nm干涉信號(hào)

4.DSP實(shí)現(xiàn)光譜復(fù)原

在PEM-FTS中，彈光調(diào)制器調(diào)制頻率為50KHz，每秒可產(chǎn)生大量的干涉數(shù)據(jù)，干涉信號(hào)的高調(diào)制頻率對(duì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有較高的要求。DSP芯片是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的專用芯片，且其專用的乘累加器及哈佛結(jié)構(gòu)和流水線操作，使其處理速度非常快，易于實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速處理的要求。實(shí)驗(yàn)中選用TI公司生產(chǎn)的TMS320C6713DSP芯片，該芯片是一種32位浮點(diǎn)型芯片，最高工作主頻可達(dá)300MHz，可同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算速度可高達(dá)1350MFLOPS。

TMS320C6713DSP含有32位的EMIF總線，可與外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)無縫連接。通過配置EMIF接口寄存器，F(xiàn)PGA將采集到干涉數(shù)據(jù)傳輸給DSP，在DSP中編寫數(shù)據(jù)切趾與NUFFT算法實(shí)現(xiàn)反演光譜，可滿足PEM-FTS對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性、高速性。圖5所示為DSP接收到的波長(zhǎng)為671nm經(jīng)Blackman窗切趾處理后的干涉信號(hào)，圖6所示為復(fù)原光譜。

圖6 DSP中經(jīng)Blackman窗切趾后671nm復(fù)原光譜

5.結(jié)論

本文對(duì)彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀數(shù)據(jù)處理中的干涉信號(hào)切趾進(jìn)行了研究，根據(jù)彈光調(diào)制干涉信號(hào)的特點(diǎn)，選擇5種不同的切趾函數(shù)對(duì)波長(zhǎng)為671nm的單色光干涉信號(hào)進(jìn)行切趾處理，并采用NUFFT算法對(duì)切趾后的干涉信號(hào)做光譜反演，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Blackman窗可使復(fù)原光譜主瓣寬度減小，提高了光譜分辨率。同時(shí)，采用DSP芯片提高了彈光調(diào)制傅里葉變換光譜儀的數(shù)據(jù)處理速度。

［1］陳友華，王召巴，王志斌，王艷超，李永帥，張宇寒.彈光調(diào)制傅里葉變換光譜技術(shù)研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2014，34（6）：1502-1505.

［2］張文娟，張兵，張霞，高連知，張維.干涉成像光譜儀切趾函數(shù)對(duì)復(fù)原光譜的影響分析［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2008，27（3）：227-232.

［3］張敏娟，王召巴，王志斌，李曉，王明艷，李晉華.PEM-FTS非線性干涉信號(hào)的快速光譜反演算法［J］.中國激光，2013，40（5）：241-246.

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2013DFR10150）；國家青年基金項(xiàng)目（61505180）；山西省青年基金（2015021084、2013021028-1）。

李珊（1991—），山西運(yùn)城人，碩士，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院。

陳媛媛【通訊作者】（1980—），山西交城人，博士，副教授，主要研究方向：光譜信號(hào)處理。