基于MOEMS的微型傅里叶变换光谱仪信号解调研究

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近年来,食品安全问题频发,亟需发展一种微型便携、成本低廉、在线快速的食品安全检测仪器。傅里叶变换光谱仪,作为光谱检测家族中重要一员,具有多通道、辐射通量大、杂散光低、波数准确、精度高等优点,不仅能够获得全波段光谱,而且在红外波段的微弱辐射信号检测优势独显,在食品安全检测领域具有广阔的应用前景。便携微型化是近年来光谱仪发展的趋势,但同时也要控制仪器成本。MOEMS(Micro-opto-electro-mechanical System,微光机电系统)技术为仪器的微型化提供了技术支撑,也使基于MOEMS技术的微型傅里叶变换光谱仪得以发展并成为研究热点。本文提出一种基于可编程微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪,该光谱仪系统采用多级阶梯镜或倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪中的扫描镜,产生连续光程差,获得稳定干涉条纹,摒弃了复杂的扫描镜控制系统,使系统的稳定性更好、结构紧凑;结合微镜阵列翻转和单点探测器采集干涉光强,能降低仪器成本。干涉条纹的生成是无需扫描镜,空间相关;干涉强度是利用单点探测器采集,时间相关。该新型光谱仪结构是空间调制型和时间调制型相结合的。本文首先阐述了新型傅里叶变换光谱仪系统原理,提出了利用多级阶梯镜来替代传统扫描镜的思想,进行了理论演绎;考虑到阶梯镜的加工难度,文中确定倾斜反射镜替代扫描镜,建立对应的理论干涉模型,进而分析了倾斜反射镜替代阶梯镜时的系统结构原理,进行了仿真验证,并对倾斜反射镜的倾角容限范围进行了分析;结果表明,空间调制和时间调制相结合的新型傅里叶变换光谱仪,在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,波长分辨率达到8nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值约0.183°,波长分辨率达到3nm;最后概要介绍了系统主要组成部分和分析了系统性能特点。根据光谱系统原理,实现硬件电路的总体设计,具体包括光电检测放大电路,数据采集电路等;其次对傅里叶变换红外光谱处理技术、定量模型、模型传递算法进行介绍,并进行了实验验证;最后搭建了实验系统,完成程序固化调试,进行了相应的关键电路测试和系统联调实验,验证设计正确性;进行激光光谱探测实验,实现了对干涉图进行了采集和还原。
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