一.遥感红外光谱仪的基本结构

遥感红外光谱仪的光学系统主要由光源(内置红外光源和外置红外光源)、望远镜、干涉仪、检测器组成，有的仪器还带有常规红外光谱分析用的样品池。遥感FTIR仪与传统的红外光谱仪不同之处在于它带有光学遥感部件，即外置红外光源和望远镜，有的仪器还带有内置黑体校准装置。图16-6为遥感傅里叶变换红外光谱仪的光路图。

1．光源

遥感傅里叶变换红外光谱仪的光源为外置式红外光源，有的仪器兼有结构分析的功能，因此同时配有内置式红外光源。内置式红外光源的结构和功能与一般红外光谱仪相同。外置式的红外光源将仪器的光路移到了仪器外部，因此是开放式的光路(open path)。一般采用发射中红外光的Globar光源或碘钨石英灯，光源带有Dall-Kirkham准直光镜，用于与仪器带有的Dall-Kirkhaan准直光镜的接收望远镜对准。

图16-6遥感傅里叶变换红外光谱仪的光路系统

2．望远镜

用于采集来自于外置红外光源或者红外待侧源的光信号，带有光学准直系统，可以准确接收红外光源发射的红外信号。

3．迈克耳孙干涉仪

干涉仪是FTIR光谱仪中的核心部件。仪器的最高分辨率和其他性能指标主要由干涉仪决定。多数FTIR光谱仪的干涉仪，都使用经典的迈克耳孙干涉仪。它由两个互呈90^o角的定镜、动镜以及一个分束器组成。干涉仪的作用是使来自光源的红外光经过干涉仪后被调制成具有干涉光特性的相干光。

4．分束器

分束器具有半透明性质，位于动镜与定镜之间并和它们呈45^o角放置。假定分束器是一个不吸光的薄膜，它的反射率和透过率各为50％，即它使入射的光线50％透过，50％反射，因而从光源射来的一束光到达分束器时即被它分为两束。
测定不同区间的红外光谱需要使用不同的分束器。测定中红外的分束器目前有三种：普通的KBr/Ge分束器、CsI/Ge分束器、宽带KBr分束器。

1) KBr/Ge分束器。适用范围为7000～375cm^-1。不同公司提供的KBr/Ge分束器适用范围大体相同。高频端最高的可测到8000cm^-1，低频端最低的可测到350cm^-1。这种分束器容易吸潮，因此存放的地方要保持干燥。

2) CsI/Ge分束器：适用范围为4500～240cm^-1，不同公司提供的CsI/Ge分束器适用范围大体相同。高频端最高的可测到6500cm^-1，低频端最低的可测到200cm^-1。

3)宽带KBr分束器：有些公司可以提供宽带KBr分束器。适用范围为11000～370cm^-1。使用这种分束器测定一次，可以得到中红外和近红外区的光谱。

5．检测器

检测器的作用是检测红外干涉光通过红外样品后的能量，因此对使用的检测器有三个要求：具有高的检测灵敏度、快的响应速度和较宽的测量范围。遥感傅里叶变换红外光谱测定中一般采用高分辨率的MCT检测器，它是由宽频带的半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合制成的。目前的MCT检测器的检测范围为5200～700cm^-1。当测量可见到近红外光谱波段18000～5200cm^-1时，分束器换成石英的，检测器换成Si或InSb的。MCT检测器需要在液氮冷却下工作。

二.两种遥感FIIR仪器简介

1．布鲁克EQUINOX55型遥感FTIR光谱仪

如图16-7所示，左图为布鲁克(Bruker) EQUINOX55型遥感FTIR光谱仪^[20]的主机，右图为外置的具有Dall-Kirkham f/4型准直光镜的远距离中红外Globar光源。仪器和光源分别置于一个三脚架上，使仪器和光源可在空间2π立体角范围内自由旋转，并且具有可移动性。外置的中红外光源的上方有一个激光瞄准器，当作双端测量时，可打开激光器，按照激光器射出的红斑使光源瞄准望远镜，接收信号最大。

图16-7EQLTINOX55型遥感FTIR光谱仪的主机及光源

其主要技术参数如下。

信噪比：36000，1(峰、峰值，min测试)；

采样速率：80张谱/s(16cm^-1谱分辨率)；

测量谱区：4000～500cm^-1；

最高分辨率：0.2cm^-1；

波长精度：优于0.01cm^-1；

谱库：约3000张有机化合物的谱库。

主要特点如下：

多机联用：出入光口自由切换、同时连接互不影响；

步进扫描：首创step-scan，获R &D 100金奖；

时间分辨：快速扫描80张/s、步进扫描，5ns;

波段扩展：三光源、多检测器、可见光多谱带转换自如；

极高的稳定性和灵敏度。

仪器的内部光路如图16-8所示。它的光学部分包括一个内置的红外Globar光源、一个直径为150mm的Dall-Kirkham f/4型准直望远镜、一个迈克耳孙干涉器、一个液氮冷却的MCT检测器和一个常温DTGS检测器。样品池用于常规分析时，放置固体、液体或气体样品。在常规的吸光度/透过率侧量中，红外光由内置的中红外Globar光源发出，经过迈克耳孙干涉器和样品池，由常温DTGS检测器检测。在遥感测量中，来自远距离红外源的红外辐射被望远镜收集，经过迈克耳孙干涉器、空的样品室后由低温MCT检测器检测。

图16-8EQUINOX55型遥感FTIR光谱仪的光路结构

2．布鲁克OPAG33型遥感FTIR光谱仪

目前，很多厂家都在生产一种结构紧凑、体积小、质量小，甚至是手提式遥感傅里叶变换红外光谱仪，如布鲁克公司生产的OPAG33^[21](图16-9)也是一种可以进行被动和主动红外测量的便携式FTIR探测系统。OPAG33可以用来在室外远距离探测空气中痕量气体和空气污染物。OPAG33内可装载多达5000种化学物质的谱库，可检测各种有毒工业污染物和化学武器，如丙烯醛、丙烯腈、氨、氢氰酸、甲醇、甲烷、光气、六氟化硫、四氯乙烯、1,1,1-三氯乙烷、氯乙烯、盐酸、氟化氢、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫等。

图16-9OPAG33型遥感FTIR光谱仪外观图

与EQUINOX55相比，OPAG33具有操作简便、设计紧凑、功能强大、质量小(19kg)、耗电量小、测量和分析时间短(小于10s)的特点，特别适合于室外的实时测量。应用范围主要是环境空气检测、废弃物处置设施的监视、过程控制、火山气体监测等。

仪器的主要技术指标如下：

光谱范围：中红外12500～600cm^-1；

分辨率：优于1.0cm^-1；

波数精度：优于0.03cm^-1；

测量视场：30m(接收望远镜为10m)；

采样频率：最大扫描频率为40kHz，模数转换为96kHz;

Bruker气相谱库：5000种气体的红外谱图，可供多种气体成分进行比对。

OPAG33有一个内置校准黑体，温度范围为室温+(5～300℃)。分束器为ZnSe材料，因此防潮能力较好。其光源为He-Ne激光。与普通FTIR相比，其Rock Solid型迈克耳孙干涉仪采用直角面镜，更增强了测试的稳定性，如图16-10所示。

图16-10直角面镜迈克耳孙干涉仪

(a)轻微的转动即能使平面动镜转大改变光线的反射方向；

(b)直角动镜的抖动不会改变光线的反射方向