本发明涉及红外信号采集与处理领域，更具体涉及一种傅里叶变换红外光谱处理装置及方法。
背景技术：
傅里叶变换红外光谱法因其实时、连续、在线测量及样品无损检测等特点而广泛应用于工业、环保、医药等领域。在红外光谱测量得到的红外光谱图中除了由样品产生的吸收峰外，还包含由各种因素引起的干扰噪声，当这些噪声较大或者样品吸收峰很弱时，会造成二者混淆，难以区分，最终影响样品的定性及定量分析。
在傅里叶变换光谱仪中有各种各样的噪声源，如光谱仪电子学系统中数据采集系统、运放、数据传输接口、干涉仪光学元件(如分束器/补偿器)、光学窗口、探测器等引起的噪声会降低复原光谱的信噪比，影响样品定性定量分析的精度。
中国专利公开号cn107655845a，公开了一种基于傅里叶变换红外光谱叠加式峰形的红外光谱获取方法，通过一激光红外光源产生红外信号，该红外信号依次经干涉仪、样品室以及检测器后，产生红外干涉谱；经一计算机主机通过采样装置对该红外干涉谱进行采样，获取红外干涉信号；将采样后的红外干涉信号进行傅里叶变换，并通过一叠加函数，对该红外干涉信号进行峰形叠加，进而获取红外百分比透射率谱，通过显示装置进行显示。该发明所提出的一种基于傅里叶变换红外光谱叠加式峰形的红外光谱获取方法，达到了将红外光谱分辨率提高一倍，而且也增强各峰值信号一倍的技术效果。但是该发明提供的方法不能抑制信号的带外干扰噪声。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于如何抑制信号的带外干扰噪声。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种傅里叶变换红外光谱处理装置，包括探测器、运算放大器、巴特沃斯型带通滤波器以及上位机，所述巴特沃斯型带通滤波器包括二阶高通滤波器以及二阶低通滤波器，所述探测器、运算放大器、二阶高通滤波器、二阶低通滤波器以及上位机顺次连接，傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器产生红外干涉信号，运算放大器对红外干涉信号进行初步预处理，经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器滤除低频噪声，再进入二阶低通滤波器滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。
本发明通过利用负反馈原理，设计二阶高通滤波器滤除低频噪声，二阶低通滤波器滤除高频噪声，二阶高通滤波器与二阶低通滤波器相结合的巴特沃斯带通滤波器限制了经运算放大器初步处理的信号的带宽、抑制了带外干扰噪声，同时也防止了采样数据出现混叠的现象，提高了仪器信噪比。
优选的，所述运算放大器的型号为op37。
优选的，所述二阶高通滤波器包括电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4以及运放u1，电容c1的一端接运算放大器的输出端，电容c1的另一端接电容c2的一端以及电阻r1的一端，电容c2的另一端接运放u1的同相端，电阻r1的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的一端接运放u1的同相端，电阻r3的一端接运放u1的反相端，电阻r2的一端接电阻r3的一端，电阻r2的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的另一端以及电阻r3的另一端接地。
优选的，所述二阶低通滤波器包括电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c3、电容c4以及运放u2，所述电阻r5的一端接运放u1的输出端，电阻r5的另一端接电阻r6的一端及电容c3的一端，电阻r6的另一端接运放u2的同相端，电容c3的另一端接运放u2的输出端，电容c4的一端接电阻r6的另一端，电阻r8的一端接运放u2的同相端和反相端，电阻r7的一端接电阻r8的一端，电阻r6的另一端接运放u2的输出端，电容c4的另一端以及电阻r8的另一端接地，运放u2的输出端接上位机。
本发明还提供一种傅里叶变换红外光谱处理方法，所述方法应用于上述任一项所述的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，所述方法包括：傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器产生红外干涉信号，运算放大器对红外干涉信号进行初步预处理，经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器滤除低频噪声，然后再进入二阶低通滤波器滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。
优选的，傅里叶变换红外光谱仪中红外干涉信号的采集过程中使用激光信号作为参考，采用he-ne激光器，波长为632.8nm，输出功率为2mw，输出功率稳定性≤±5％/1000h；he-ne激光器的调制频率为5khz，光谱测量波段范围为400～7000cm-1，频率范围为126.4hz～2.2khz。
优选的，所述巴特沃斯型带通滤波器中，选择电阻值的容差为1％，电容值的容差为5％，截止频率为实际截止频率的40％，误差为75.84hz～3.08khz。
优选的，所述二阶高通滤波器的电压传递函数为：
其中，电阻r2的阻值为r8，电阻r3的阻值为r7，aup(s)＝1 r8/r7，电容c1、电容c2的容值均为ch，电阻r1、电阻r4的阻值均为rh，s为复频域变量。
优选的，所述二阶低通滤波器的电压传递函数为：
其中，电阻r7的阻值为r11，电阻r8的阻值为r12，aup(s)＝1 r11/r12，电阻r5、电阻r6的阻值均为rl，电容c3、电容c4的容值均为cl，s为复频域变量。
优选的，所述aup(s)的值大于3。
本发明的优点在于：本发明通过利用负反馈原理，设计二阶高通滤波器滤除低频噪声，二阶低通滤波器滤除高频噪声，二阶高通滤波器与二阶低通滤波器相结合的巴特沃斯带通滤波器限制了经运算放大器初步处理的信号的带宽、抑制了带外干扰噪声，同时也防止了采样数据出现混叠的现象，提高了仪器信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种傅里叶变换红外光谱处理装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种傅里叶变换红外光谱处理装置的巴特沃斯型带通滤波器的原理图；
图3为本发明实施例提供的一种傅里叶变换红外光谱处理方法中巴特沃斯型带通滤波器的幅频曲线；
图4为本发明实施例提供的一种傅里叶变换红外光谱处理方法中巴特沃斯型带通滤波器的相频曲线；
图5为传统傅里叶变换红外光谱处理方法与本发明傅里叶变换红外光谱处理方法得到的测量光谱对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
由于傅里叶变换红外光谱中电子学系统、光学元件、机械振动等因素会在采样得到的干涉图中引入噪声，这些噪声会降低复原光谱的信噪比，影响样品定性定量分析的精度，因此需要研究一种降低干扰噪声，提高仪器信噪比的方法。如图1所示，一种傅里叶变换红外光谱处理装置，包括探测器1、运算放大器2、巴特沃斯型带通滤波器5以及上位机6，所述巴特沃斯型带通滤波器5包括二阶高通滤波器3以及二阶低通滤波器4，所述探测器1、运算放大器2、二阶高通滤波器3、二阶低通滤波器4以及上位机6顺次连接。所述运算放大器2的型号为op37。傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器1产生红外干涉信号，运算放大器2对红外干涉信号进行初步预处理，对于运算放大器2，选用低噪声、低温漂的op37，非常适合检测微弱信号。经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器3滤除低频噪声，然后再进入二阶低通滤波器4滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机6，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。
如图2所示，所述二阶高通滤波器3包括电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4以及运放u1，电容c1的一端接运算放大器2的输出端，电容c1的另一端接电容c2的一端以及电阻r1的一端，电容c2的另一端接运放u1的同相端，电阻r1的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的一端接运放u1的同相端，电阻r3的一端接运放u1的反相端，电阻r2的一端接电阻r3的一端，电阻r2的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的另一端以及电阻r3的另一端接地。电容c1、电容c2，电阻r1、电阻r4主要构成了高通滤波，滤除低频噪声；电阻r2、电阻r3和运放u1形成了负反馈形式。
所述二阶低通滤波器4包括电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c3、电容c4以及运放u2，所述电阻r5的一端接运放u1的输出端，电阻r5的另一端接电阻r6的一端及电容c3的一端，电阻r6的另一端接运放u2的同相端，电容c3的另一端接运放u2的输出端，电容c4的一端接电阻r6的另一端，电阻r8的一端接运放u2的同相端和反相端，电阻r7的一端接电阻r8的一端，电阻r6的另一端接运放u2的输出端，电容c4的另一端以及电阻r8的另一端接地，运放u2的输出端接上位机6。电阻r5、电阻r6，电容c3、电容c4，主要构成了低通滤波，滤除高频噪声；电阻r7、电阻r8和运放u2形成了负反馈形式。
通过以上技术方案，本发明提供的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，通过利用负反馈原理，设计二阶高通滤波器3滤除低频噪声，二阶低通滤波器4滤除高频噪声，二阶高通滤波器3与二阶低通滤波器4相结合的巴特沃斯带通滤波器限制了经运算放大器2初步处理的信号的带宽、抑制了带外干扰噪声，同时也防止了采样数据出现混叠的现象，提高了仪器信噪比。
实施例2
本发明还提供一种傅里叶变换红外光谱处理方法，所述方法应用于实施例1所述的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，所述方法包括：傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器1产生红外干涉信号，运算放大器2对红外干涉信号进行初步预处理，对于运算放大器2，选用低噪声、低温漂的op37，非常适合检测微弱信号。经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器3滤除低频噪声，然后再进入二阶低通滤波器4滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机6，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。其中，对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息属于现有技术，本发明旨在对傅里叶变换红外光谱的信号进行处理以减少带外干扰噪声，对于后期的定量分析不做赘述。fft算法即傅里叶变换，在此不做过多赘述。
傅里叶变换红外光谱仪中红外干涉信号的采集过程中，为了实现高精度等光程差间隔采样，得到高质量光谱图，需要使用单色性好的激光信号作为参考。所以本发明实施例中，傅里叶变换红外光谱仪中红外干涉信号的采集过程中使用激光信号作为参考，采用he-ne激光器，波长为632.8nm，输出功率为2mw，输出功率稳定性≤±5％/1000h；在上位机6进行干涉图数据采集之前，需要根据实际的测量光谱范围，设计相应带宽的带通滤波器进行滤波，故傅里叶变换红外光谱仪中通过干涉仪动镜驱动控制系统使得he-ne激光器的调制频率为5khz，光谱测量波段范围为400～7000cm-1，频率范围为126.4hz～2.2khz。
频率范围的选取过程为：傅里叶变换红外光谱仪中激光调制频率fm为
由于光谱仪中he-ne激光的波长为632.8nm，通过干涉仪动镜驱动控制，使得激光调试频率为5khz，根据公式(1)可知，干涉仪动镜的运动速度v＝0.158cm/s。针对双边采样干涉图的采样方式，光程差速度vopd＝2v＝0.316cm/s。选择的光谱测量波段范围为400～7000cm-1，由公式(2)计算得出频率范围。
由此可知带通滤波器的通带宽度fmin:fmax为126.4hz～2.2khz。
由于巴特沃斯型滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度响应、良好的线性相位，而且性能稳定、易于实现，因此选择巴特沃斯型滤波器形式，同时由于带通滤波器的中心频率易受电子元器件性能参数的影响，一旦滤波器出现频移会直接影响其性能，因此本发明选用高通与低通滤波器相结合的方式，由二阶高通滤波器3和二阶低通滤波器4组成巴特沃斯型带通滤波器5。本发明巴特沃斯型带通滤波器5中，考虑电子元器件数值误差对传递函数的影响，选择电阻值的容差为1％，电容值的容差为5％，由于实际元器件参数值相比较理论计算值会有所偏差，因此为了避免电子元器件导致实际截止频率出现误差，所以设计巴特沃斯型带通滤波器5的截止频率为实际截止频率的40％，误差为75.84hz～3.08khz。
如图2所示，巴特沃斯带通滤波器中，二阶高通滤波器3主要由电容c1、c2，电阻r1、r2、r3、r4以及核心元件运放u1组成，其中电容c1、c2，电阻r1、r4主要构成了高通滤波，滤除低频噪声；电阻r2、r3和运放u1形成了负反馈形式；根据节点电压法可知，所述二阶高通滤波器3的电压传递函数为：
其中，电阻r2的阻值为r8，电阻r3的阻值为r7，aup(s)＝1 r8/r7，电容c1、电容c2的容值均为ch，电阻r1、电阻r4的阻值均为rh，s为复频域变量。
二阶低通滤波器4主要由电阻r5、r6、r7、r8，电容c3、c4，以及核心元件运放u2组成，其中电阻r5、r6，电容c3、c4，主要构成了低通滤波，滤除高频噪声；电阻r7、r8和运放u2形成了负反馈形式；根据节点电压法可知，所述二阶低通滤波器4的电压传递函数为：
其中，电阻r7的阻值为r11，电阻r8的阻值为r12，aup(s)＝1 r11/r12，电阻r5、电阻r6的阻值均为rl，电容c3、电容c4的容值均为cl，s为复频域变量。所述aup(s)的值大于3，即分母中s的一次项系数大于零时，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。
图3和图4分别为基于负反馈的巴特沃斯带通滤波器的幅频曲线与相频曲线。从图中可以得出，基于负反馈的巴特沃斯带通滤波器中通带最大为12.52，低通截止频率2.2khz对应的电压放大倍数为11.13，通带衰减为2.79db。高通截止频率126.4hz对应的电压放大倍数为11.79，因此最大通带衰减为-2.75db设计的巴特沃斯带通滤波器满足要求。
图5为传统处理方法与增加巴特沃斯带通滤波器之后本发明的处理方法得到的测量光谱，图中虚线为本发明处理方法得到的光谱，通过2500-2600cm-1波段范围空气透过率的100％线计算得到此波段范围的光谱信噪比，其中未加滤波器得到的测量光谱的信噪比为21930:1，而增加基于负反馈的巴特沃斯带通滤波器后得到的测量光谱测信噪比为42918:1.实验结果表明，基于巴特沃斯带通滤波器的红外光谱处理方法可使仪器信噪比增加1.96倍。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种傅里叶变换红外光谱处理装置，其特征在于，包括探测器、运算放大器、巴特沃斯型带通滤波器以及上位机，所述巴特沃斯型带通滤波器包括二阶高通滤波器以及二阶低通滤波器，所述探测器、运算放大器、二阶高通滤波器、二阶低通滤波器以及上位机顺次连接；
傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器产生红外干涉信号，运算放大器对红外干涉信号进行初步预处理，经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器滤除低频噪声，再进入二阶低通滤波器滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。
2.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，其特征在于，所述运算放大器的型号为op37。
3.根据权利要求1所述的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，其特征在于，所述二阶高通滤波器包括电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4以及运放u1，电容c1的一端接运算放大器的输出端，电容c1的另一端接电容c2的一端以及电阻r1的一端，电容c2的另一端接运放u1的同相端，电阻r1的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的一端接运放u1的同相端，电阻r3的一端接运放u1的反相端，电阻r2的一端接电阻r3的一端，电阻r2的另一端接运放u1的输出端，电阻r4的另一端以及电阻r3的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的一种傅里叶变换红外光谱处理装置，其特征在于，所述二阶低通滤波器包括电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电容c3、电容c4以及运放u2，所述电阻r5的一端接运放u1的输出端，电阻r5的另一端接电阻r6的一端及电容c3的一端，电阻r6的另一端接运放u2的同相端，电容c3的另一端接运放u2的输出端，电容c4的一端接电阻r6的另一端，电阻r8的一端接运放u2的同相端和反相端，电阻r7的一端接电阻r8的一端，电阻r6的另一端接运放u2的输出端，电容c4的另一端以及电阻r8的另一端接地，运放u2的输出端接上位机。
5.一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，所述方法包括：傅里叶变换红外光谱仪的信号经迈克尔逊干涉仪进入探测器产生红外干涉信号，运算放大器对红外干涉信号进行初步预处理，经预处理后的红外干涉信号进入二阶高通滤波器滤除低频噪声，然后再进入二阶低通滤波器滤除高频噪声，将最终经过处理后的信号采集并传送至上位机，经过fft算法完成干涉信号到光谱信号的转换，并存储数据，通过对复原光谱图的特征吸收进行定量分析，反演出待测物质的组分及结构信息。
6.根据权利要求5所述的一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，傅里叶变换红外光谱仪中红外干涉信号的采集过程中使用激光信号作为参考，采用he-ne激光器，波长为632.8nm，输出功率为2mw，输出功率稳定性≤±5％/1000h；he-ne激光器的调制频率为5khz，光谱测量波段范围为400～7000cm-1，频率范围为126.4hz～2.2khz。
7.根据权利要求6所述的一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，所述巴特沃斯型带通滤波器中，选择电阻值的容差为1％，电容值的容差为5％，截止频率为实际截止频率的40％，误差为75.84hz～3.08khz。
8.根据权利要求5所述的一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，所述二阶高通滤波器的电压传递函数为：
其中，电阻r2的阻值为r8，电阻r3的阻值为r7，aup(s)＝1 r8/r7，电容c1、电容c2的容值均为ch，电阻r1、电阻r4的阻值均为rh，s为复频域变量。
9.根据权利要求5所述的一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，所述二阶低通滤波器的电压传递函数为：
其中，电阻r7的阻值为r11，电阻r8的阻值为r12，aup(s)＝1 r11/r12，电阻r5、电阻r6的阻值均为rl，电容c3、电容c4的容值均为cl，s为复频域变量。
10.根据权利要求9所述的一种傅里叶变换红外光谱处理方法，其特征在于，所述aup(s)的值大于3。
技术总结