【核心介紹】1傅立葉變換紅外技術 FTIR光譜學是一種典型的干涉測量技術。它將麥克爾遜干涉儀、調(diào)制技術與計算機技術相結合，通過傅立葉變換的方法，實現(xiàn)由干涉圖到光譜的還原。FTIR技術可專門用于測量物質的紅外吸收、發(fā)射信號的光譜學技術。 2 定量分析方法 　

1傅立葉變換紅外技術

FTIR光譜學是一種典型的干涉測量技術。它將麥克爾遜干涉儀、調(diào)制技術與計算機技術相結合，通過傅立葉變換的方法，實現(xiàn)由干涉圖到光譜的還原。FTIR技術可專門用于測量物質的紅外吸收、發(fā)射信號的光譜學技術。

圖1 典型的傅立葉變換紅外光譜儀的結構簡圖

圖1給出了一臺典型的基于麥克爾遜（Michelson）干涉儀的FTIR 光譜儀的原理簡圖。當一束來自光源S的輻射經(jīng)準直透鏡L₁成為平行光進入干涉儀后，首先被分束器P分成方向相互垂直的兩束，向上反射的一束光在定鏡M₁上反射折回，再透過P并穿過樣品區(qū)A后由L₂會聚于探測器D；透過P的另一束光射向動鏡M₂，并從M₂返回后經(jīng)P反射，也穿過樣品區(qū)A后會聚于探測器D上。顯然，在探測器上將兩個具有一定時間位移的光波將發(fā)生干涉，其總光強依賴于兩束光的光程差。進入麥克爾遜干涉儀后，入射的電磁波將會在分束片上形成干涉圖。對于寬帶光源入射的情況，可將其視作一組頻率連續(xù)、覆蓋一定波段的諧波的迭加。對光譜測量來說，只有相干調(diào)制的交流成份是重要的，通常定義這部分交流信號為干涉圖。只考慮交流成份，得到干涉圖為：

（1）

這樣就建立了光譜分布與B（v） 干涉圖I(x)之間的對應關系。FTIR光譜儀將包含有吸收物質光譜特征的入射光調(diào)制成干涉圖并探測，干涉圖又可以通過下式還原為光譜B（v），即：

（2）

在傅立葉變換光譜學中，通常由測量得到的時域輸出信號獲得光譜信息，然后對含有待測物質信息的光譜進行各種分析。FTIR光譜學是用于測量材料紅外吸收和發(fā)射的主要方法，與傳統(tǒng)方法相比，該方法在信噪比、分辨率、速度和探測極限上具有很多的優(yōu)勢。具體到環(huán)境大氣監(jiān)測的應用中，F(xiàn)TIR光譜技術測量大氣中痕量氣體的組分可獲得數(shù)量級為nmol/mol的探測極限。

主動檢測技術中，光譜儀的光學鏡頭接收來自紅外光源發(fā)射的紅外輻射。因此，輻射的紅外線在開放或密閉的空氣中傳播，光程由紅外源和光譜儀之間的距離和方位決定。光譜儀接收到的紅外輻射后，經(jīng)由干涉儀的調(diào)制被紅外探測器檢測，再由光譜儀的電子學部件和相應數(shù)據(jù)處理模塊完成干涉圖的轉換和存儲，并通過傅立葉變換，將干涉圖轉換成紅外光譜。如果光路中存在紅外活性分子，就可以在其紅外光譜上表現(xiàn)出較強的吸收線形。從透過率譜線可以定性判斷組分的種類，并完成相應的定量分析。主動式檢測技術可以提供較低的檢測下限，因此在所需探測下限較低的情況下，一般都采用該技術。

被動遙測技術在光學結構上和上述主動式檢測系統(tǒng)有些類似，*的不同之處在于前者所探測的紅外輻射來自于周圍環(huán)境，而非后者的主動紅外光源。這樣便帶來了高移動性和可快速操作（人工系統(tǒng)）的優(yōu)勢。遙感距離也增加到數(shù)公里，操控也很簡便。通常，被動FTIR光譜的檢測下限要低于主動式設備，隨著背景和目標組分溫差的減少，其探測下限隨之上升。在輻射溫差較小的情況下，被動FTIR的遙測能力受到限制。研究表明，有效溫差為1K時，被動式FTIR光譜儀的靈敏度比主動式低1000倍。被動式遙測的主要應用包括：地基太陽光譜FTIR測量；熱煙羽和化學蒸氣云團的FTIR被動測量；反恐和應急監(jiān)測，如突發(fā)性化學污染事件，爆炸物檢測；機載、球載、星載FTIR被動測量。雖然被動式測量的精度相對較低，但是若需實現(xiàn)上述遠距離探測的要求，被動遙測技術是目前*可選的探測手段。

2 定量分析方法

由于動鏡的運動距離的限制，通常使用的FTIR光譜儀均為較低分辨率的系統(tǒng)，在FTIR測量大氣吸收時，表觀吸光度與真實吸光度之間的非線性效應會使傳統(tǒng)模型標定引起誤差。這種情況下，采用較高的光譜分辨率，計算合成高分辨率下的氣體吸收系數(shù)，從而得到高分辨率下不同濃度的大氣透過率是非常必要的。以逐線積分為基礎來評價輻射吸收的貢獻可以獲得很高的分辨率。逐線積分的本質是大氣透過率的計算，而大氣透過率的計算中zui耗時的部分是高分辨率吸收系數(shù)的計算。通常，F(xiàn)TIR的光譜分辨率遠低于吸收譜的半高全寬。而FTIR的儀器分辨率由光譜儀干涉臂的動鏡zui大位移決定，另外商用FTIR還利用切趾函數(shù)抑制旁瓣振蕩。因此可以將高分辨率譜進行傅立葉變換，再將其頻域在zui大光程差處截斷，然后再乘以切趾函數(shù)的傅立葉變換，之后作逆變換即可得到儀器分辨率的吸收譜。徐亮和劉建國等人開發(fā)了一套可用于紅外光譜在線分析的校準光譜數(shù)據(jù)庫平臺，對在使用FTIR儀進行實際測量的過程中，影響表觀光譜的儀器因素進行了建模，具體包括儀器分辨率、切趾函數(shù)和入射輻射的立體角等。在此基礎上，實現(xiàn)高分辨率校準光譜的環(huán)境參數(shù)和儀器線型函數(shù)匹配，建立了一套基于HITRAN的紅外光譜定量校準數(shù)據(jù)庫，并給出了基于該數(shù)據(jù)庫的仿真校準光譜實例。該數(shù)據(jù)庫可用于大氣痕量和微量成分的紅外光譜分析研究。