迈克尔逊干涉仪在红外遥测领域的应用研究

吴锋明

（杭州谱育科技发展有限公司，浙江 杭州 311305）

迈克尔逊干涉仪作为一种光学仪器，主要是通过光波振幅分割方式，达到干涉的目的，有助于相对论建立的同时[1]，在一定程度上促进了物理学发展。现阶段，按照迈克尔逊干涉仪原理研究出的各种仪器，已经在科研及生产领域被广泛应用，具备较大的发展前景，因此对其在红外遥测领域的应用进行研究意义重大，本文对此进行检验分析，具体如下。

1 迈克尔逊干涉仪工作原理

迈克尔逊干涉仪工作原理为：通过分光镜，将一束射入光分为两束后，经过平面镜进行范围，由于这两束光存在相同的振动方向及频率，同时拥有恒定的相位差，因此可发生干涉。干涉环节，可对干涉臂长度进行调节，或改变介质折射率，对光程进行控制，最终获得不同的干涉图样。干涉条纹属于等光程差的轨迹，所以，若下井对某种干涉图样进行分析，需要通过实际计算，获得相关光程差位置分布函数。如果干涉条纹出现移动情况，说明场点对应的光程差出现了变化，导致这一情况的原因较多，可能是光路中某段机制折射率产生了变化，或者光线长度有所变化，也可能使薄膜厚度出现了变化。迈克尔逊干涉仪原理图如图1 所示。

图1 迈克尔逊干涉仪原理图

经不断发展，迈克尔逊干涉仪逐渐被应用于红外遥测领域，例如傅里叶红外吸收光谱仪，主要是通过迈克尔逊干涉原理开展光谱测量工作，在傅里叶变换下，得到样品拉曼光谱或红外吸收光谱。相比于棱镜光谱仪，测量时间更短，光谱信噪比更高。傅里叶变换光谱仪光源发出的光，属于通过迈克尔逊干涉仪转变成的干涉光。利用干涉光照射样品，进而获得干涉图，随后通过计算机，将干涉图实施傅里叶变换即可获得红外吸收光谱。此外，在干涉成像光谱技术方面，该技术属于可见光红外遥感器的前沿科学，可用于地球科学、天文物理研究等方面，也可用于军事侦察中，获得难以发现的军事目标，对武器型号及种类进行判断。由此可见，迈克尔逊干涉仪在红外遥测领域具备较大的应用价值。

2 基于迈克尔逊干涉仪的光谱测试系统的优势

第二，光谱相应范围宽，测试时间快。干涉调制光谱测试系统中存在的探测器，能够进行光源全部频谱信息测试，不过光栅分光下的光谱测试系统，不具备较宽的测量波束范围，相比而言，干涉光谱测试系统拥有更快的测试时间，若需测量的光谱通道数量为N，T 为测量总时间，光栅分光下的光谱测试系统各通道平均测量时间为T/N，干涉光谱测试系统，能够同时测量所有通道，各通道测量时间均为T，得出该系统的信噪比更高。

第三，分辨率高，扫描速度快。干涉光谱测试系统分辨率受光程差影响，光程差不断增大下，系统分辨率也随之提升，在指定波长范围内，若想达到给定的分辨率，将动镜扫描距离增加即可，分辨率能达到0.1～0.005cm-1。在扫描速度上，干涉光谱测试系统应用环节，迈克尔逊干涉仪中的动镜经过一次移动，即可将所有信息采集到。动镜移动速度决定着扫描速度，为提升信噪比，应实施多次测量，求取平均值，可达到光栅调制光谱测试系统的十倍以上。此外，迈克尔逊干涉仪的光谱测试系统还具备较高的波数精度，能够更加准确的确定出动镜位置，波数精度可达到0.01cm-1。

3 基于迈克尔逊干涉仪的红外光谱测试系统设计

本文提出的迈克尔逊干涉仪的红外光谱测试系统，主要包括三个部分，第一个部分为光学系统、第二个部分为步进扫描控制模块，第三个部分为探测器驱动及干涉信号采集模块。其中第一部分中的光学系统就是迈克尔逊干涉仪，主要的作用就是产生干涉光；第二部分的步进扫描控制模块，主要作用是同步动镜扫描与数据采集模块；第三个部分主要是进行干涉信号采集工作。

3.1 迈克尔逊干涉仪

选择Bruker V80 傅里叶光谱仪中的干涉光路，搭设迈克尔逊干涉仪系统，设备内部存在近红外光源以及中红外光源，能够随意切换，也能实现红外光源外界，同时，存在两个红外光束入口与五个红外光束出口，可进行多种组件与附件连接。表1 为光谱仪相关参数：

表1 光谱仪相关参数

第一，红外光源选择。对于红外光源而言，属于光谱测试系统中较为关键的一个核心器件，主要用于产生红外辐射，理想状态下，红外光源光谱可将整个红外波段覆盖住，无需更换光源，能量较高。通常红外焦平面探测器会在三个“大气窗口”工作，一是1～3μm，二是3～5μm，三是8～14μm，红外光源光谱分布需要与红外焦平面探测器工作光谱范围相匹配。按照不同的光谱范围，可将红外光源分成三个类型，一是近红外光源，二是中红外光源，三是远红外光源，选择光源时，应保证与被探测器工作波段相同，可选择碳化硅光源。

第二，光阑。干涉系统中，光阑主要的作用是对光束进行限制，对光阑孔径大小进行调节，能够对入射光的光通量进行控制，孔径越大，入射光就会越多，不过并非孔径越大越好，由于孔径增大下，背景光也会进入其中，所以一般应将其控制在合理范围内。

第三，分束器。分束器主要使将入射光分为两束强度相等的光，通常情况下，分束器会将半透半反膜镀于透明材料上实现，其属于干涉仪较为重要的部分，本文提出的光谱测试系统，其中存在的分束器能够实现射入红外光束的半透半反。选择分束器时，应结合红外探测器与光源情况，光谱测试环节，利用更换分束器及光源，切换光谱范围。本文提出的光谱测试系统，主要进行中波及长波红外范围探测器的光谱响应，以此选择标准KBr 分束器。

第四，激光器。通过He-Ne 激光，对红外干涉信号采样间隔进行确定，He-Ne 激光器实际使用环节，发出的红光波长为632.8nm,额定输出功率为5mW。迈克尔逊干涉仪中激光通过后，会产生干涉光，激光干涉信息会被激光探测器采集到的，因为激光器会产生单色光，所以干涉信号属于标准的余弦曲线，因此可根据激光波长及干涉图对动镜移动距离进行判断，从而获得红外干涉信号的具体采样位置，确定出光程差大小。选择He-Ne 激光器进行采样，精度较高，可获得较好的采样效果。

第五，标准探测器。选择标准热释电探测器，将其作为标准探测器优势较大，一是存在较宽的光谱响应范围，可将红外探测器全部工作波段覆盖住；二是探测器输出不会受到波长影响，存在较为平坦的光谱曲线；三是不仅具备较好的稳定性，还具备较强的抗干扰能力。

3.2 步进扫描控制模块

以迈克尔逊干涉仪为主的光谱测试系统，可通过两种方式采集干涉图，分别是连续扫描以及步进扫描，其中连续扫描表示的是动镜按照一定速度在扫描环节，按照He-Ne 激光干涉图进行红外干涉信号采集，根据相应时间间隔，进行一次干涉信号采集，为实现光谱分辨率进一步提升，应将动镜扫描的距离适当增加，不过光谱分辨率不断增加下，当动镜扫描长度不断增加下，会降低系统时间分辨率，所以，在连续快速扫描模式应用下，会对时间分辨率产生限制，特别是在高光分辨率的情况下。而步进扫描模式下，能够根据不同的手段，得到较高的时间分辨率，步进扫描环节，动镜会步进到固定位置，此时光程差不会发生变化，探测器采集干涉信号，随后，再通过动镜移动，进行下一个位置干涉信号的采集。因为主要是进行红外焦平面探测器光谱响应测试，通常红外焦平面探测器会根据信号情况，对光敏元阵列组成及电路情况进行了解，所以，光敏元阵列应将光信号向电信号进行转换，在积分电路的应用下，存储电信号，利用移位寄存器输出所有信号，因为这一工作环节属于高频动态模式，所以若选择连续扫描模式，会降低时间分辨率。通过光谱仪的外部触发盒，实现步进扫描控制模块功能，利用响应的信号接口，对所需信号进行检测，当XPMTO 信号为高时，开始步进扫描测试，SEQTO 较高时，开始采集相应数据。当动镜步进至新位置时，STPTO 信号会出现一个上升沿，可对其进行检测，对动镜位置进行确定，并利用外部采集卡，采集待测探测器干涉信号。

3.3 红外焦平面探测器驱动与数据采集模块

利用PXIE 高速总线产品框架，进行测试系统搭建，其中主要有PXI 机箱PXIe-1095 及远程控制卡，还包括1 张数据采集卡、1 张时钟驱动卡、8 张源测量单元、驱动板卡及服务器等。电源模块主要是由SMU卡组成，在驱动板卡应用下，使被测探测器获得相应偏压，通过时钟驱动卡，构成时序模块，主要作用是使探测器获得需要的时序信号，当探测器处于正常工作状态时，会在驱动板卡中存在的采集接口的应用下，通过服务器中的采集卡，开展采集工作，服务器中带有的测试系统软件，会利用采集到的数据，计算出相关参数，并进行图像处理等操作。对红外焦平面探测器光谱响应测试时，能够通过数据采集卡，采集干涉信号响应数据，采集卡不仅能够采集干涉信号，还能对信号进行存储，并实时进行信号显示。系统中应用的是M2P-5923 模拟采集卡，能够进行数据的快速传输，存在64 路采集通道，可在响应接口的使用下，以每通道20MHz 的速度，进行数据传输与在线分析，也可将相关数据存储于主机中。各个通道中，均存在放大其以及16 位ADC，具备较广的电压范围，共包括六档，最高可达±500mV，最低为±1V。可通过Spectrum 程序中采集卡的API 采集相关数据，通过DMA 模式采集，向计算机中存储采集到的数据信息。

4 结语

综上所述，迈克尔逊干涉仪在不断发展中，已被广泛应用于各个领域中，并充分发挥出了实际作用。当前，迈克尔逊干涉仪也逐渐应用于红外遥测领域，将其应用于光谱测试系统构建中，具备较大的优势，如具备较高的光通量、分辨率、信噪比，并且扫描速度较快，光谱范围较宽，能够获得较好的信号采集效果。在未来，红外遥测领域，迈克尔逊干涉仪势必会得到更加深入的应用，实现红外遥测水平的不断提升。