2.4　干涉圖數(shù)據(jù)的采集

2.4.1　干涉圖數(shù)據(jù)點間隔

2.3節(jié)中的傅里葉變換光譜學(xué)基本方程（2-8）表明，在干涉儀動鏡從-∞到+∞移動的過程中，每增加無限小的光程差都要采集數(shù)據(jù)，才能得到方程（2-8）干涉圖。對方程（2-8）干涉圖的所有數(shù)據(jù)按照式（2-9）進(jìn)行傅里葉逆變換，才能得到一張-∞～+∞cm-1完整的紅外光譜。顯然，這是絕對不可能的。

采集無數(shù)個數(shù)據(jù)要耗盡計算機(jī)的存儲空間。即使這無數(shù)個數(shù)據(jù)能夠采集，實施傅里葉變換也需要無限長時間。因此，只能在干涉儀動鏡移動過程中，在一定的長度范圍內(nèi)，在距離相等的位置采集數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)點組成干涉圖。然后對這個干涉圖進(jìn)行傅里葉逆變換，得到一定范圍內(nèi)的紅外光譜圖。

這里所說的距離相等，指的是光程差相等，在相等的光程差間隔位置采集數(shù)據(jù)點，而不能在動鏡連續(xù)移動的情況下，在相等時間間隔采集數(shù)據(jù)點。因為動鏡移動速度的微小變化都會改變數(shù)據(jù)點采集的位置，因而影響計算得到的光譜。

在實驗中，數(shù)據(jù)的采集是用He-Ne激光器控制的。在干涉儀動鏡移動過程中，He-Ne激光光束和紅外光光束一起通過分束器，有一個獨立的檢測器檢測從分束器出來的激光干涉信號。He-Ne激光的光譜帶寬非常窄，有非常好的相干性。He-Ne激光干涉圖在動鏡移動過程中是一個不斷伸延的余弦波，波長為0.6329μm。干涉圖數(shù)據(jù)信號的采集是用激光干涉信號觸發(fā)的。

在測量中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜時，每經(jīng)過一個He-Ne激光干涉圖余弦波采集一個數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點間隔的光程差Δx為0.6329μm，即動鏡每移動0.31645μm采集一個數(shù)據(jù)點。如圖2-9（a）所示。

在測量近紅外光譜時，每經(jīng)過半個He-Ne激光干涉圖余弦波采集一個數(shù)據(jù)點，即在余弦波的每個零值處采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)點間隔的光程差Δx為0.31645μm，即動鏡每移動0.158225μm采集一個數(shù)據(jù)點。如圖2-9（b）所示。近紅外光譜的測試，數(shù)據(jù)點之間的間隔只有中紅外和遠(yuǎn)紅外的1/2。

為什么在采集數(shù)據(jù)時采用He-Ne激光干涉信號余弦波作為觸發(fā)信號？為什么測試近紅外光譜時采集數(shù)據(jù)點之間的光程差只有中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜的1/2？因為采樣間隔與測得的光譜范圍有關(guān)。本節(jié)開頭已經(jīng)提到，干涉圖采樣間隔無限?。o限小的光程差）時，能得到-∞～+∞cm-1光譜。也就是說，采樣間隔越小，測得的光譜區(qū)間越大。

干涉圖采樣間隔Δx必須符合下列式子：

　　 （2-11） 　　

式中，νmax為所測光譜區(qū)間的最高波數(shù)。如果干涉圖采樣間隔Δx大于1/（2νmax），從干涉圖計算得到的光譜會出現(xiàn)疊加而發(fā)生畸變。那么，干涉圖采樣間隔Δx是不是越小越好呢？不是的。Δx遠(yuǎn)小于1/（2νmax）是不必要的，因為這意味著進(jìn)行傅里葉變換計算的數(shù)據(jù)點數(shù)量增多，計算時間增長。

現(xiàn)在計算一下中紅外和遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)間的干涉圖采樣間隔。中紅外光譜范圍為4000～400cm-1，最高波數(shù)為4000cm-1。根據(jù)式（2-11）得

即在中紅外區(qū)，干涉圖采樣間隔Δx必須小于或等于1.25μm。實際的采樣間隔Δx為0.6329μm，符合采樣條件。如果采樣間隔為兩個He-Ne激光干涉信號余弦波，則采樣間隔就大于1.25μm。不符合干涉圖采樣條件。

如果遠(yuǎn)紅外區(qū)光譜范圍為650～30cm-1，根據(jù)計算，Δx≤7.7μm。有些紅外光譜儀的遠(yuǎn)紅外采樣間隔是可選的，間隔可以比中紅外長一倍。如果不選，儀器將按中紅外的采樣間隔采集數(shù)據(jù)。

至于近紅外區(qū)，如果最高波數(shù)νmax為12000cm-1，由式（2-11）計算得到Δx≤0.417μm。如果也和中紅外的采樣間隔相同（Δx為0.6329μm），就不符合干涉圖采樣間隔的條件。因此必須縮短干涉圖采樣間隔，實際的采樣間隔為0.3164μm。

干涉圖數(shù)據(jù)的采集是如何實施的？數(shù)據(jù)采集的方式有好幾種，根據(jù)不同的分辨率或不同的需要，儀器會自動選用不同的采集方式。有些紅外儀器也可以人為設(shè)定不同的采集方式。

2.4.2　單向采集數(shù)據(jù)

干涉儀動鏡前進(jìn)時，采集數(shù)據(jù)；動鏡返回時，不采集數(shù)據(jù)，這種采集方式叫做干涉圖單向采集數(shù)據(jù)方式。

在單向采集數(shù)據(jù)方式中又分為單邊采集數(shù)據(jù)和雙邊采集數(shù)據(jù)。所謂單邊采集數(shù)據(jù)是指在干涉圖零光程差的一側(cè)采集數(shù)據(jù)，雙邊采集數(shù)據(jù)是指在干涉圖零光程差的兩側(cè)都采集數(shù)據(jù)。

2.4.2.1　單邊采集數(shù)據(jù)

在用高分辨率采集數(shù)據(jù)時，采用單邊采集數(shù)據(jù)方式。因為在高分辨率采集數(shù)據(jù)時，采集的數(shù)據(jù)點多，動鏡移動的距離長，需要的時間多。

方程（2-10）中的I（δ）是一個偶函數(shù)，在理想狀態(tài)下，零光程差兩側(cè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點是相同的，因此，只需要對零光程差一側(cè)的數(shù)據(jù)點進(jìn)行傅里葉變換。那么，在單邊采集數(shù)據(jù)方法中，是不是從零光程差這一點開始采集數(shù)據(jù)點呢？不是的。

在零光程差的另一側(cè)也要采集一些數(shù)據(jù)點。不同的傅里葉變換紅外光譜儀在零光程差的另一側(cè)采集的數(shù)據(jù)點數(shù)目可能不同。有些儀器在零光程差另一側(cè)采集1024個數(shù)據(jù)點。這1024個數(shù)據(jù)點不參與所得光譜的傅里葉變換，它的作用在本章2.6節(jié)中將加以說明。單邊采集數(shù)據(jù)的背景干涉圖如圖2-10（a）所示。

2.4.2.2　雙邊采集數(shù)據(jù)

在用低分辨率采集數(shù)據(jù)時，采用雙邊采集數(shù)據(jù)方式。雙邊采集數(shù)據(jù)是在零光程差兩側(cè)都采集數(shù)據(jù)，而且兩側(cè)采集的數(shù)據(jù)點數(shù)目相同。也就是說，動鏡在零光程差兩側(cè)移動的距離相等。方程（2-10）中的I（δ）是一個偶函數(shù)，零光程差兩側(cè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點是相同的，為什么還要采用雙邊采集數(shù)據(jù)方式呢？這是因為商用紅外光譜儀的干涉儀并非在理想狀態(tài)下工作，零光程差兩側(cè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點不是完全相同的。雙邊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換后可以加和平均。這樣，用雙邊采集數(shù)據(jù)方式得到的光譜信噪比（信噪比的定義在本章2.8節(jié)中將加以說明）比單邊采集數(shù)據(jù)得到的光譜信噪比高。在低分辨率采集數(shù)據(jù)時，采集的數(shù)據(jù)點少，動鏡移動的距離短，需要的時間少。所以，用雙邊采集數(shù)據(jù)方式采集數(shù)據(jù)不需要增加很多時間，卻能得到較高的信噪比。雙邊采集數(shù)據(jù)的背景干涉圖如圖2-10（b）所示。

2.4.3　雙向采集數(shù)據(jù)

雙向采集數(shù)據(jù)是動鏡前進(jìn)和返回時都采集數(shù)據(jù)。在快速掃描（rapid scan）模式中采用雙向采集數(shù)據(jù)方式。當(dāng)體系中樣品的成分變化速度非?？鞎r，采用快速掃描模式采集數(shù)據(jù)，動鏡前進(jìn)和返回時得到的樣品干涉圖是不相同的。有些儀器雙向采集數(shù)據(jù)采用的是單邊采集數(shù)據(jù)方式，這樣可以得到兩張不同的光譜。而有些儀器雙向采集數(shù)據(jù)采用的是雙邊采集數(shù)據(jù)方式，這樣可以得到四張不同的光譜。

2.4.4　動鏡的移動速度

干涉儀的動鏡是按一定的速度移動的。移動的速度取決于所使用的檢測器。檢測器響應(yīng)的速度快，動鏡的移動速度就可以加快（如MCT/A檢測器）。檢測器響應(yīng)的速度慢，動鏡的移動速度就應(yīng)減慢（如DTGS檢測器）。

在單向采集數(shù)據(jù)時，動鏡按設(shè)定的速度前進(jìn)。采集數(shù)據(jù)結(jié)束后，動鏡會快速返回?？焖俜祷貢r不采集數(shù)據(jù)，這樣可以節(jié)省掃描時間。在單向采集數(shù)據(jù)時，動鏡前進(jìn)和返回時所用的時間是不相同的。

在雙向采集數(shù)據(jù)時，動鏡前進(jìn)和返回都要采集數(shù)據(jù)，所以，動鏡前進(jìn)和返回所用的時間相同。