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双PEMs差频调制型傅里叶—贝塞尔变换光谱测量技术研究

作　者: 张瑞
导　师: 王志斌
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 双弹光调制 光谱测量 傅里叶-贝塞尔变换 差频
分类号: O433.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


光谱测量在环境监测、食品监测、航空航天、生物医学以及军事等方面被广泛应用，其中基于弹光调制的傅里叶变换光谱技术具有调制频率高、宽光谱、高灵敏度以及抗震等特点，因此在光谱测量方面具有很好的应用前景。本文在分析弹光调制光谱测量技术的国内外研究现状基础上，以项目为例，针对现有弹光调制器（photoelastic-modulator,PEM）的调制频率高（几十kHz-几百kHz上），大光程差及短波段的调制干涉信号频率更高，探测器无法有效探测采集。提出了一种基于双PEMs差频调制和傅里叶-贝塞尔（Fourier-Bessel）变换的光谱测量方法。该方法将双PEM分别工作在数值略有差异的频率上，以对光进行差频调制，并产生载有被测光的低频调制分量（比驱动频率小2-3个数量级），通过对调制信号中的低频成分进行傅里叶-贝塞尔变换可得到目标光谱。一方面，对双PEMs差频调制光谱测量技术的反演算法进行了研究，针对本文提出的双PEMs差频调制干涉信号的特点，分析了傅里叶-贝塞尔光谱反演算法；另一方面，通过理论对大光程差弹光调制器进行了研究，提出大光程差PEM中弹光晶体和压电晶体的两种结构。最后，针对本文提出光谱反演方法及大光程差PEM进行了仿真和实验验证。复色光反演仿真结果显示，反演复色光谱与模拟入射光谱很好吻合；通过632.8nm激光进行了实验，将使用结果与仿真结果对比显示：在不同的相位延迟下，实验与理论仿真基本吻合；大光程差PEM实验结果显示，在弹光晶体尺寸相同及驱动电压相同情况下，大光程差PEM的最大调制光程差是普通PEM的19.25倍。综上，仿真及实验验证了双PEMs差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱测量方法的可行性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-14
  1.1 选题背景及研究意义  9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 傅里叶变换光谱仪国内外现状  10-11
    1.2.2 PEM 型傅里叶变换光谱技术国内外现状  11-13
  1.3 本论文的主要内容及课题来源  13-14
2 PEM 研究  14-30
  2.1 PEM 工作原理  14-15
  2.2 典型 Kemp 型 PEM 分析  15-20
    2.2.1 一维 PEM  16-17
    2.2.2 二维 PEM  17-20
  2.3 压电晶体的选择  20-23
    2.3.1 压电石英理论分析  20-21
    2.3.2 压电石英振动模态分析  21-23
  2.4 弹光晶体的选择  23-25
    2.4.1 硒化锌晶体理论分析  24
    2.4.2 硒化锌晶体振动模态分析  24-25
  2.5 PEM 综合性能分析及测试  25-28
    2.5.1 PEM 结构及尺寸设计  25-27
    2.5.2 PEM 谐振频率实验测试  27-28
  2.6 本章小结  28-30
3 双 PEMs 差频调制原理及反演算法研究  30-40
  3.1 单 PEM 型 FTS 存在的问题  30-31
  3.2 双 PEMs 差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱测量原理  31-33
  3.3 仿真及误差分析  33-39
    3.3.1 双 PEMs 差频调制干涉信号分析  33-36
    3.3.2 双 PEMs 差频调制型傅里叶-贝塞尔变换光谱反演仿真  36-38
    3.3.3 误差分析  38-39
  3.4 本章小结  39-40
4 大光程差 PEM 干涉具研究  40-51
  4.1 典型的提高 PEM 光程差的方法  40-41
  4.2 大光程差 PEM 干涉具设计方案一  41-44
    4.2.1 干涉具整体结构设计  41-42
    4.2.2 调制光程差理论分析  42-44
  4.3 大光程差 PEM 仿真及实验分析  44-49
    4.3.1 振动特性仿真分析  44-45
    4.3.2 最佳入射角选择  45-47
    4.3.3 性能测试实验分析  47-49
  4.4 大光程差 PEM 干涉具设计方案二  49-50
  4.5 本章小结  50-51
5 测试系统设计及实验  51-56
  5.1 测试系统设计  51
  5.2 实验及结果分析  51-55
    5.2.1 测试平台  51-52
    5.2.2 实验结果分析  52-55
  5.3 本章小结  55-56
6 总结与展望  56-58
  6.1 总结  56-57
  6.2 不足及展望  57-58
参考文献  58-63
攻读硕士期间发表的论文及专利  63-65
致谢  65-66

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 光谱学 > 光谱测量
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