旋转傅里叶变换光谱仪中杂散光寄生干扰的机制及其抑制方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Mechanism and suppression methods of stray light parasitic interference in rotating Fourier transform spectrometers

R-FTS的高通量、高分辨率特性使其在动态分析中受限，但杂散光导致的光谱干扰尚未解决。本文通过光路差分析建立多束干涉模型，揭示杂散光引起的频率混叠机制，并提出新型光学结构优化方案，实验验证显示光谱信噪比提升32%，为移动式实时光谱检测提供技术路径。

　　

陈建生|张宇杰|王欣|范贤光|刘洪飞

中国福建省厦门市厦门大学航空航天工程学院仪器与电气工程系，邮编361005

摘要

旋转傅里叶变换光谱仪（R-FTS）由于其高通量、高光谱分辨率、高光谱扫描速度以及易于小型化的优点，在动态精细分析领域受到了广泛关注。然而，研究表明，来自其旋转折射镜表面的杂散光可能会引起寄生干扰。这种干扰会导致干涉图中的频率混叠，并在光谱中产生虚假峰，从而扭曲真实的光谱信息，影响定量分析和特征识别的准确性。基于R-FTS的光学系统结构，本文深入分析了杂散光与主光束之间的光程差异。建立了一个包含杂散光影响的多光束干涉强度分布模型，系统地揭示了杂散光寄生干扰的机制。在此基础上，提出了一种针对R-FTS光学系统的优化结构，可以有效抑制这种有害的杂散光。实验结果与理论预测一致。本研究为解决R-FTS中杂散光寄生干扰这一关键问题提供了明确可行的技术途径。

引言

傅里叶变换光谱法（FTS）由于其高通量、高分辨率和宽光谱覆盖范围，在工业[1,2]、环境监测[3,4]和生物医学[5,6]等领域变得不可或缺。为了满足实时性能和准确性的严格要求，开发结合高速、高精度和良好便携性的光谱测量技术已成为仪器和测量领域的重要方向[[7], [8], [9], [10]]。在这一背景下，基于旋转折射镜的傅里叶变换光谱仪（R-FTS）因其高速扫描能力和紧凑设计潜力而受到越来越多的关注[11,12]。

该仪器的基本原理如图1所示。它通过连续旋转平行板玻璃（旋转折射镜）来引入光程差异。由于折射镜的旋转对称性，在每次完整旋转过程中，干涉信号会在0°、90°、180°和270°四个特定角度位置周期性产生[13]，从而实现高效干涉图采集。傅里叶变换红外光谱仪通常根据其扫描机制分为线性镜式、摆镜式和旋转折射镜式三种类型[14]。与线性镜式和摆镜式设计相比，旋转折射镜式配置由于单向旋转而具有更高的扫描速度和更好的机械稳定性[11]。在本研究中采用的单一旋转折射镜方案相比旋转反射镜设计[15]或双旋转镜配置[16]，具有更紧凑的光学布局和更简单的对准程序，特别适用于需要高时间分辨率和稳健现场操作的应用，如燃烧诊断和动态过程监测[17]。

然而，在实际系统中，旋转折射镜表面的非理想透射和反射会产生显著的杂散光。在某些旋转角度下，这些杂散光可能会进入主光路并与主光束发生干涉，产生寄生干扰信号。这种现象会导致干涉图失真，并在恢复的光谱中引入虚假峰，严重降低光谱数据的准确性和可靠性。

在仪器和测量领域，许多研究探讨了杂散光对测量结果的影响。例如，Ben等人[18]分析了用于中红外航空应用的双摆式固体角锥镜FTS中的杂散光，并提出了涉及分束器和补偿片楔角和倾斜角的抑制方法。Wang等人[19]对异频角干涉仪进行了系统误差分析，涵盖了光学非线性、角锥棱镜误差和环境波动等各种杂散干扰源，并通过实验验证了其在动态角度测量中的有效性。Guo等人[20]建立了光纤异频正弦调制干涉仪中寄生干扰的数学模型，并提出了一种基于卡尔曼滤波的动态校正方法，有效消除了正交信号中的时变偏移，提高了系统的准确性和适应性。Zhou等人[21]解决了同轴激光测距望远镜中二次镜中心反射的杂散光问题，并提出了一种使用倾斜镜组件的物理隔离方法，实验表明该方法能有效减少反射杂散光并提高成像对比度。

现有的研究主要集中在由静态光学组件引起的杂散光上。它们的分析模型和抑制策略不能直接应用于R-FTS的独特配置。迄今为止，在仪器和测量技术的公开文献中，仍缺乏对这种动态寄生干扰背后的物理机制的清晰解释、对其影响的系统定量分析框架以及实用的工程化抑制方案。

鉴于这一空白，本文进行了精确的光学分析，开发了一个可计算的数学模型来描述由杂散光引起的寄生干扰。它系统地解释了其背后的机制，并提供了可行的工程实施方案。在本文的第2章中，我们首先根据测量的干涉信号及其恢复的光谱确定了寄生干扰的信号特征，并通过光谱分析阐明了杂散光的负面影响。接下来，基于R-FTS的光学布局，建立了杂散光分析的几何模型，并推导出了光程长度、空间偏移和每个光束的附加光程差异系数等参数的数学表达式。最后，遵循多光束干涉的原理，开发了在杂散光影响下的多光束干涉强度分布模型。在第3章中，通过数值模拟系统地揭示了由杂散光引起的寄生干扰机制，并提出了一种能有效抑制高危害杂散光的优化结构。实验结果表明，这种优化方法的实际性能与理论预测非常吻合。本研究为解决R-FTS中由杂散光引起的寄生干扰这一关键问题提供了明确可行的技术途径。

部分摘录

寄生干扰的特性和影响

图2展示了使用R-FTS对酒精火焰进行实际测量时获得的干涉信号及其对应光谱。实验中，使用了一块厚度为5毫米、透射率约为70%的未涂层硒化锌平行板作为旋转折射镜。折射镜的旋转速度为每秒8转，干涉信号的时间间隔约为1/32秒。R-FTS的工作原理如图1所示

寄生干扰的建模

基于上述建立的寄生干扰定量分析模型，本章的第一步是进行数值模拟。本节重点分析杂散光引起的干涉图失真和虚假光谱峰，从而在机制层面初步验证了该模型。

模拟中使用的旋转干涉仪的核心参数如下：分束器为理想的50:50分束器。

总结与结论

本文系统研究了旋转傅里叶变换光谱仪（R-FTS）中由杂散光引起的寄生干扰问题，包括机制研究、建模分析和结构优化。主要结论如下：（1）通过光程建模和实验验证，明确了旋转折射镜在0°（180°）和90°（270°）位置附近的杂散光传播路径差异，并建立了分析模型

CRediT作者贡献声明

陈建生：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、概念化。张宇杰：撰写——原始草稿、软件开发、数据整理。王欣：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、正式分析、概念化。范贤光：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、资金获取。刘洪飞：监督、资源协调、项目管理、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。