Innovative sampling and data processing techniques for Fourier transform spectrometers

The Fourier Transform spectrometer (FTS) is an instrument that can be used in space-borne applications to study the chemical composition of the atmosphere or the surface of astronomical objects from the measurement of the emission or reflection spectra. This kind of instrument is very sensitive to mechanical disturbances that generates fake spectral components in the resulting spectra: one of the main cause of this error is that the vibration generates fluctuations of the speed of the interferometer moving mirrors. In FTS for space-borne applications it is usually not possible to provide a tight speed control to remove the disturbances in a wide range of frequency mostly because of mass constraints. The spectral ghosts deriving from speed errors can be corrected with the implementation of algorithms that recognize this error and allow to compute the correct spectra even when disturbances are present. Processes of this kind have been proposed in literature and in some of them the whole process is performed starting from the time-based sampling of both the reference laser and source interferograms. Some of the methods proposed in literature are less appealing for space applications because they require specialized hardware to work, while others are limited in the range of frequency and amplitude of the mechanical speed disturbance they can correct. In this work various methods are compared and an algorithm that allows correcting the mechanical speed disturbances based on the computation of the optical path difference through the arccosine function has been implemented. The proposed methods have been compared by performing phase demodulation through numerical simulation and experimental activity on a FTS laboratory mock-up. All analyzed procedure share the problem of resampling the computed optical path difference(OPD) before the spectra computation. This aspect has been investigated, with the aim to find a method to resample the OPD fast and with low approximation Results of the experimental activity provided agreement with the numerical simulations: the arccosine methods can correct speed disturbances with amplitudes and frequencies for which the other methods fail. The proposed method therefore has proved effective in evaluating the spectra using the time based sampling technique even in case of error in the speed of the mirrors generated by vibration disturbances. With this configuration it’s not necessary to use additional hardware to implement it, so any interferometer equipped with the reference channel can become a FTS through data processing.

Lo spettrometro a trasformata di Fourier(FTS) è uno strumento che può essere usato in applicazioni per lo spazio per studiare la composizione chimica dell’atmosfera o la superficie di oggetti astronomici dalla misura dello spettro di emissione o riflessione. Questo tipo di strumenti è molto sensibile a disturbi meccanici che generano linee spettrali fasulle nello spettro calcolato: una delle cause principali di questo errore è che la vibrazione genera variazioni di velocità nella velocità dello specchio mobile dell’interferometro Negli FTS per applicazioni spaziali di solito non è possibile attuare un controllo di velocità preciso per rimuovere i disturbi in un ampio range di frequenze soprattutto a causa di vincoli di massa. I ghost nello spettro causati da errori di velocità possono essere corretti implementando algoritmi che riconoscono questi errori e permettono di calcolare lo spettro corretto anche quando sono presenti disturbi. Alcuni metodi di questo tipo sono stati proposti in letteratura e in alcuni di questi la procedura è realizzata partendo dall’interferogramma del laser di riferimento e della sorgente campionati nel tempo. Alcuni metodi proposti in letteratura sono meno adatti ad applicazioni per lo spazio perché richiedono hardware specifico per funzionare, mentre altri sono limitati nel range di frequenza e ampiezza del disturbo meccanico di velocità che possono correggere. In questo lavoro alcuni metodi sono stati confrontati e un algoritmo che permette la correzione di disturbi meccanici di velocità basato sul calcolo diretto della fase con la funzione arcocoseno è stato implementato. Il metodo proposto è stato confrontato con altre procedure che effettuano la demodulazione di fase attraverso simulazioni numeriche e attività sperimentali su un mock-up di laboratorio di un FTS. Tutte le procedure analizzate condividono il problema di ricampionare la differenza di cammino ottico(OPD) prima del calcolo dello spettro. Questo aspetto è stato investigato, con lo scopo di trovare di ricampionare l’OPD velocemente e con bassa approssimazione. Risultati dell’attività sperimentale hanno mostrato concordanza con le simulazioni numeriche: il metodo arcocoseno può correggere disturbi di velocità con ampiezza e frequenza per cui gli altri metodi falliscono. Il metodo proposto quindi si è mostrato efficiente nella valutazione di spettri utilizzando segnali campionati nel tempo anche in casi di errore di velocità degli specchi generato da vibrazioni. Con questa configurazione non è necessario usare hardware aggiuntivo per implementarlo, quindi qualsiasi interferometro equipaggiato con un canale di riferimento può diventare un FTS attraverso l’elaborazione dei dati.