2.4　干涉图数据的采集

2.4.1　干涉图数据点间隔

2.3节中的傅里叶变换光谱学基本方程（2-8）表明，在干涉仪动镜从-∞到+∞移动的过程中，每增加无限小的光程差都要采集数据，才能得到方程（2-8）干涉图。对方程（2-8）干涉图的所有数据按照式（2-9）进行傅里叶逆变换，才能得到一张-∞～+∞cm-1完整的红外光谱。显然，这是绝对不可能的。

采集无数个数据要耗尽计算机的存储空间。即使这无数个数据能够采集，实施傅里叶变换也需要无限长时间。因此，只能在干涉仪动镜移动过程中，在一定的长度范围内，在距离相等的位置采集数据，由这些数据点组成干涉图。然后对这个干涉图进行傅里叶逆变换，得到一定范围内的红外光谱图。

这里所说的距离相等，指的是光程差相等，在相等的光程差间隔位置采集数据点，而不能在动镜连续移动的情况下，在相等时间间隔采集数据点。因为动镜移动速度的微小变化都会改变数据点采集的位置，因而影响计算得到的光谱。

在实验中，数据的采集是用He-Ne激光器控制的。在干涉仪动镜移动过程中，He-Ne激光光束和红外光光束一起通过分束器，有一个独立的检测器检测从分束器出来的激光干涉信号。He-Ne激光的光谱带宽非常窄，有非常好的相干性。He-Ne激光干涉图在动镜移动过程中是一个不断伸延的余弦波，波长为0.6329μm。干涉图数据信号的采集是用激光干涉信号触发的。

在测量中红外和远红外光谱时，每经过一个He-Ne激光干涉图余弦波采集一个数据点。数据点间隔的光程差Δx为0.6329μm，即动镜每移动0.31645μm采集一个数据点。如图2-9（a）所示。

在测量近红外光谱时，每经过半个He-Ne激光干涉图余弦波采集一个数据点，即在余弦波的每个零值处采集数据。数据点间隔的光程差Δx为0.31645μm，即动镜每移动0.158225μm采集一个数据点。如图2-9（b）所示。近红外光谱的测试，数据点之间的间隔只有中红外和远红外的1/2。

为什么在采集数据时采用He-Ne激光干涉信号余弦波作为触发信号？为什么测试近红外光谱时采集数据点之间的光程差只有中红外和远红外光谱的1/2？因为采样间隔与测得的光谱范围有关。本节开头已经提到，干涉图采样间隔无限小（无限小的光程差）时，能得到-∞～+∞cm-1光谱。也就是说，采样间隔越小，测得的光谱区间越大。

干涉图采样间隔Δx必须符合下列式子：

　　 （2-11） 　　

式中，νmax为所测光谱区间的最高波数。如果干涉图采样间隔Δx大于1/（2νmax），从干涉图计算得到的光谱会出现叠加而发生畸变。那么，干涉图采样间隔Δx是不是越小越好呢？不是的。Δx远小于1/（2νmax）是不必要的，因为这意味着进行傅里叶变换计算的数据点数量增多，计算时间增长。

现在计算一下中红外和远红外光谱区间的干涉图采样间隔。中红外光谱范围为4000～400cm-1，最高波数为4000cm-1。根据式（2-11）得

即在中红外区，干涉图采样间隔Δx必须小于或等于1.25μm。实际的采样间隔Δx为0.6329μm，符合采样条件。如果采样间隔为两个He-Ne激光干涉信号余弦波，则采样间隔就大于1.25μm。不符合干涉图采样条件。

如果远红外区光谱范围为650～30cm-1，根据计算，Δx≤7.7μm。有些红外光谱仪的远红外采样间隔是可选的，间隔可以比中红外长一倍。如果不选，仪器将按中红外的采样间隔采集数据。

至于近红外区，如果最高波数νmax为12000cm-1，由式（2-11）计算得到Δx≤0.417μm。如果也和中红外的采样间隔相同（Δx为0.6329μm），就不符合干涉图采样间隔的条件。因此必须缩短干涉图采样间隔，实际的采样间隔为0.3164μm。

干涉图数据的采集是如何实施的？数据采集的方式有好几种，根据不同的分辨率或不同的需要，仪器会自动选用不同的采集方式。有些红外仪器也可以人为设定不同的采集方式。

2.4.2　单向采集数据

干涉仪动镜前进时，采集数据；动镜返回时，不采集数据，这种采集方式叫做干涉图单向采集数据方式。

在单向采集数据方式中又分为单边采集数据和双边采集数据。所谓单边采集数据是指在干涉图零光程差的一侧采集数据，双边采集数据是指在干涉图零光程差的两侧都采集数据。

2.4.2.1　单边采集数据

在用高分辨率采集数据时，采用单边采集数据方式。因为在高分辨率采集数据时，采集的数据点多，动镜移动的距离长，需要的时间多。

方程（2-10）中的I（δ）是一个偶函数，在理想状态下，零光程差两侧对应的数据点是相同的，因此，只需要对零光程差一侧的数据点进行傅里叶变换。那么，在单边采集数据方法中，是不是从零光程差这一点开始采集数据点呢？不是的。

在零光程差的另一侧也要采集一些数据点。不同的傅里叶变换红外光谱仪在零光程差的另一侧采集的数据点数目可能不同。有些仪器在零光程差另一侧采集1024个数据点。这1024个数据点不参与所得光谱的傅里叶变换，它的作用在本章2.6节中将加以说明。单边采集数据的背景干涉图如图2-10（a）所示。

2.4.2.2　双边采集数据

在用低分辨率采集数据时，采用双边采集数据方式。双边采集数据是在零光程差两侧都采集数据，而且两侧采集的数据点数目相同。也就是说，动镜在零光程差两侧移动的距离相等。方程（2-10）中的I（δ）是一个偶函数，零光程差两侧对应的数据点是相同的，为什么还要采用双边采集数据方式呢？这是因为商用红外光谱仪的干涉仪并非在理想状态下工作，零光程差两侧对应的数据点不是完全相同的。双边采集的数据经傅里叶变换后可以加和平均。这样，用双边采集数据方式得到的光谱信噪比（信噪比的定义在本章2.8节中将加以说明）比单边采集数据得到的光谱信噪比高。在低分辨率采集数据时，采集的数据点少，动镜移动的距离短，需要的时间少。所以，用双边采集数据方式采集数据不需要增加很多时间，却能得到较高的信噪比。双边采集数据的背景干涉图如图2-10（b）所示。

2.4.3　双向采集数据

双向采集数据是动镜前进和返回时都采集数据。在快速扫描（rapid scan）模式中采用双向采集数据方式。当体系中样品的成分变化速度非常快时，采用快速扫描模式采集数据，动镜前进和返回时得到的样品干涉图是不相同的。有些仪器双向采集数据采用的是单边采集数据方式，这样可以得到两张不同的光谱。而有些仪器双向采集数据采用的是双边采集数据方式，这样可以得到四张不同的光谱。

2.4.4　动镜的移动速度

干涉仪的动镜是按一定的速度移动的。移动的速度取决于所使用的检测器。检测器响应的速度快，动镜的移动速度就可以加快（如MCT/A检测器）。检测器响应的速度慢，动镜的移动速度就应减慢（如DTGS检测器）。

在单向采集数据时，动镜按设定的速度前进。采集数据结束后，动镜会快速返回。快速返回时不采集数据，这样可以节省扫描时间。在单向采集数据时，动镜前进和返回时所用的时间是不相同的。

在双向采集数据时，动镜前进和返回都要采集数据，所以，动镜前进和返回所用的时间相同。