2.4　干涉圖數據的采集

2.4.1　干涉圖數據點間隔

2.3節中的傅里葉變換光譜學基本方程（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據，才能得到方程（2-8）干涉圖。對方程（2-8）干涉圖的所有數據按照式（2-9）進行傅里葉逆變換，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。

采集無數個數據要耗盡計算機的存儲空間。即使這無數個數據能夠采集，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，在距離相等的位置采集數據，由這些數據點組成干涉圖。然后對這個干涉圖進行傅里葉逆變換，得到一定范圍內的紅外光譜圖。

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據點，而不能在動鏡連續移動的情況下，在相等時間間隔采集數據點。因為動鏡移動速度的微小變化都會改變數據點采集的位置，因而影響計算得到的光譜。

在實驗中，數據的采集是用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。干涉圖數據信號的采集是用激光干涉信號觸發的。

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

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

為什么在采集數據時采用He-Ne激光干涉信號余弦波作為觸發信號？為什么測試近紅外光譜時采集數據點之間的光程差只有中紅外和遠紅外光譜的1/2？因為采樣間隔與測得的光譜范圍有關。本節開頭已經提到，干涉圖采樣間隔無限小（無限小的光程差）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為所測光譜區間的最高波數。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疊加而發生畸變。那么，干涉圖采樣間隔Δx是不是越小越好呢？不是的。Δx遠小于1/（2νmax）是不必要的，因為這意味著進行傅里葉變換計算的數據點數量增多，計算時間增長。

現在計算一下中紅外和遠紅外光譜區間的干涉圖采樣間隔。中紅外光譜范圍為4000～400cm-1，最高波數為4000cm-1。根據式（2-11）得

即在中紅外區，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。

如果遠紅外區光譜范圍為650～30cm-1，根據計算，Δx≤7.7μm。有些紅外光譜儀的遠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據。

至于近紅外區，如果最高波數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。

干涉圖數據的采集是如何實施的？數據采集的方式有好幾種，根據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定不同的采集方式。

2.4.2　單向采集數據

干涉儀動鏡前進時，采集數據；動鏡返回時，不采集數據，這種采集方式叫做干涉圖單向采集數據方式。

在單向采集數據方式中又分為單邊采集數據和雙邊采集數據。所謂單邊采集數據是指在干涉圖零光程差的一側采集數據，雙邊采集數據是指在干涉圖零光程差的兩側都采集數據。

2.4.2.1　單邊采集數據

在用高分辨率采集數據時，采用單邊采集數據方式。因為在高分辨率采集數據時，采集的數據點多，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，在理想狀態下，零光程差兩側對應的數據點是相同的，因此，只需要對零光程差一側的數據點進行傅里葉變換。那么，在單邊采集數據方法中，是不是從零光程差這一點開始采集數據點呢？不是的。

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

2.4.2.2　雙邊采集數據

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

2.4.3　雙向采集數據

雙向采集數據是動鏡前進和返回時都采集數據。在快速掃描（rapid scan）模式中采用雙向采集數據方式。當體系中樣品的成分變化速度非常快時，采用快速掃描模式采集數據，動鏡前進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據采用的是單邊采集數據方式，這樣可以得到兩張不同的光譜。而有些儀器雙向采集數據采用的是雙邊采集數據方式，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）。檢測器響應的速度慢，動鏡的移動速度就應減慢（如DTGS檢測器）。

在單向采集數據時，動鏡按設定的速度前進。采集數據結束后，動鏡會快速返回。快速返回時不采集數據，這樣可以節省掃描時間。在單向采集數據時，動鏡前進和返回時所用的時間是不相同的。

在雙向采集數據時，動鏡前進和返回都要采集數據，所以，動鏡前進和返回所用的時間相同。