切趾函數對PEM-FTS復原光譜的影響

山西省光電信息與儀器工程技術研究中心 李 珊 陳媛媛 王志斌

切趾函數對PEM-FTS復原光譜的影響

山西省光電信息與儀器工程技術研究中心 李 珊 陳媛媛 王志斌

在彈光調制傅里葉變換光譜儀（PEM-FTS）中，切趾函數處理是彈光調制傅里葉變換光譜儀光譜復原過程中一個重要環節，對復原光譜的精度有重要影響。本文分析了對PEM-FTS干涉數據進行切趾的原因，以671nm激光器為光源通過PEM-FTS系統產生單色光干涉數據，并分析了不同切趾函數對該干涉數據復原光譜的影響，實驗結果表明，Blackman窗是其中最為有效、穩定的切趾函數。采用TMS320C6713DSP芯片對干涉信號進行切趾與光譜復原，可保證PEM-FTS對數據處理的高速性要求。

PEM-FTS；切趾函數；復原光譜；Blackman窗；DSP

1.引言

彈光調制傅里葉變換光譜儀（PEM-FTS）核心器件是由彈光調制器組成的干涉儀，其在高速光譜探測領域具有潛在的應用優勢［1］。在實際應用中，由于光程差的限制得到的干涉信號是被儀器函數截斷的干涉信號，這樣的干涉信號經過光譜反演會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，本文研究了經典的加窗切趾函數對于復原光譜的影響。以波長為671nm的激光器作為入射光源產生干涉信號，分別經過五種窗函數切趾處理，做NUFFT運算后得到復原光譜。PEM-FTS具有調制速度快的特點，這就要求有較高的數據處理速度與其相匹配，而DSP芯片以其特殊的芯片結構在高速數據處理方面有著廣泛的應用，本文選用TI公司C6000系列的TMS320C6713DSP芯片實現干涉信號數據切趾與光譜復原算法，能夠滿足系統對于高速性與實時性的要求。

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得到的光譜

3.切趾函數及其對復原光譜影響分析

由于彈光調制干涉信號在零光程差處光強最強，因此切趾函數必須滿足在零光程差處有極大值，在零光程差兩側函數值逐漸減小，最大光程差處函數值近似趨于零，滿足這種條件的加窗切趾函數有三角窗、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 五種窗函數幅頻特性曲線

圖3 671nm干涉信號

圖4 不同窗切趾處理后光譜圖

圖5 DSP中經Blackman窗切趾后671nm干涉信號

4.DSP實現光譜復原

在PEM-FTS中，彈光調制器調制頻率為50KHz，每秒可產生大量的干涉數據，干涉信號的高調制頻率對數據處理系統有較高的要求。DSP芯片是對數據進行處理的專用芯片，且其專用的乘累加器及哈佛結構和流水線操作，使其處理速度非常快，易于實現大量數據高速處理的要求。實驗中選用TI公司生產的TMS320C6713DSP芯片，該芯片是一種32位浮點型芯片，最高工作主頻可達300MHz，可同時執行8條指令，運算速度可高達1350MFLOPS。

TMS320C6713DSP含有32位的EMIF總線，可與外部存儲器實現無縫連接。通過配置EMIF接口寄存器，FPGA將采集到干涉數據傳輸給DSP，在DSP中編寫數據切趾與NUFFT算法實現反演光譜，可滿足PEM-FTS對數據處理的實時性、高速性。圖5所示為DSP接收到的波長為671nm經Blackman窗切趾處理后的干涉信號，圖6所示為復原光譜。

圖6 DSP中經Blackman窗切趾后671nm復原光譜

5.結論

本文對彈光調制傅里葉變換光譜儀數據處理中的干涉信號切趾進行了研究，根據彈光調制干涉信號的特點，選擇5種不同的切趾函數對波長為671nm的單色光干涉信號進行切趾處理，并采用NUFFT算法對切趾后的干涉信號做光譜反演，實驗結果表明Blackman窗可使復原光譜主瓣寬度減小，提高了光譜分辨率。同時，采用DSP芯片提高了彈光調制傅里葉變換光譜儀的數據處理速度。

［1］陳友華，王召巴，王志斌，王艷超，李永帥，張宇寒.彈光調制傅里葉變換光譜技術研究［J］.光譜學與光譜分析，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對復原光譜的影響分析［J］.紅外與毫米波學報，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項目（2013DFR10150）；國家青年基金項目（61505180）；山西省青年基金（2015021084、2013021028-1）。

李珊（1991—），山西運城人，碩士，現就讀于中北大學信息與通信工程學院。

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