基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计

为满足在各种谱线分布下对星敏感器探测能力的高准确度标定,提出了一种基于数字微镜器件的光谱可调星模拟器光源光学系统设计方法,以解决星模拟器与星敏感器观星色温不匹配对星敏感器光信号定标准确度产生的问题.首先,根据设计指标选取Czerny-Turner型光学系统为光源光学系统,对Czerny-Turner型光学系统的彗差和象散进行分析,选取消彗差的Czerny-Turner结构;其次利用MATLAB程序求解Czerny-Turner型光学系统初始结构并应用ZEMAX对其进行优化;最后对光学系统进行公差分析.公差分析结果表明,在400~1 100nm的工作谱段范围内,光学系统的光谱分辨率小于2nm,设计结果满足要求,有效降低了光谱不匹配带来的定标误差.     

基于LED的多色温多星等单星模拟器

针对星模拟器与星敏感器观星的色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,设计了一种基于LED的多色温多星等单星模拟器,采用该系统模拟特定色温的星光用于星敏感器光信号定标,大幅降低了色温非匹配带来的定标误差。从理论上分析了色温非匹配影响星敏感器光信号的定标精度的机理;根据设计指标确定了星模拟器的设计方案,主要解决了光源的选型、多色温多星等单星模拟器驱动和控制系统、色温星等匹配算法、多色温多星等单星模拟器软件设计四项关键技术问题;对多色温多星等单星模拟器进行了标定和性能测试:0等星4000K和3等星7000 K星光的光谱匹配误差分别为4.87%和7.83%,星等等级分别为0.03和2.93;光源稳定后,多色温多星等单星模拟器的平行光管出口Φ100 mm口径内的照度非均匀度为6.5%,均满足设计指标。     

一种基于数字微镜星模拟器的衍射校正方法

为解决星模拟器在光谱模拟时存在的衍射问题,提出一种消除数字微镜设备衍射效应的方法。建立标量衍射模型,将数字微镜设备等效为二维闪耀光栅,以光栅衍射理论为基础寻找影响衍射能级的因素,并推导出入射角与衍射效应的耦合关系。当光束沿数字微镜设备对角线入射,高度角为24°时,衍射效率达到最大化提高,衍射效率提高近12%,此时衍射损耗能量最少,数字微镜设备反射时存在衍射效应达到最小,通过ZEMAX优化设计出Czerny-Turner光学结构,校正系统像差。优化结果表明,在500～900 nm谱段内,光谱模拟精度优于5%,全谱段的光谱分辨率优于5 nm,可有效提升星敏感器地面标定精度。     

多色温多星等输出的单星模拟器光机系统设计

阐述了基于CCD技术的星敏感器的工作原理,及其在航天定位中起到的作用,从而引出星敏感器的地面标定技术,这就需要用到恒星模拟器对星敏感器进行标定。针对恒星光源的两个基本参数,分别提出了恒星色温模拟方法和星等模拟方法,研究了星模拟器系统的具体实现,主要设计了电光源、波段光强控制器、星等控制器等。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并得出了实验结果。实验结果表明,本系统具有较高的可靠性,在峰值光谱范围为350 nm~950 nm的情况下,可模拟星等范围0~+6.5MI,可模拟星体等效黑体温度为:2 600 K、3 600 K、4 300 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K、6 800 K、7 600 K、9 800 K,相对强度误差优于0.10。     

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。     

Offner型凸面光栅宽动态范围辐射定标光源设计

为满足在各种谱线分布下对遥感仪器的光谱辐射定标,减小辐射定标光源对空间光学遥感仪器定标系数的影响,解决目前辐射定标光源光谱模拟精度低、光谱动态调节范围小的技术难题,本文从光谱叠加理论出发,根据多光谱合成原理,提出一种凸面光栅的Offner型宽动态范围辐射定标系统的设计方法。通过推导Offner型光谱成像光学结构的消像散条件,设计了一种柱面镜Offner型光谱成像光学系统,实现了宽光谱光束的精确细分,建立了数字微镜与其阵列面空间光谱辐射分布的映射关系。利用数字微镜的空间光调制特性,实现了辐射定标光源光谱分布大动态范围模拟。实验表明,辐射定标光源相邻单位阵列微镜的输出光谱峰值间隔小于0.5 nm,3种典型色温T=3 000 K、T=5 000 K和T=7 000 K光谱模拟精度分别为5.2%、4.1%和3.2%。本文提出的设计方法有效提高了辐射定标光源的光谱模拟精度,减小了光谱不匹配对空间光学遥感仪器定标系数的影响。     

高光谱遥感器的光谱定标

高光谱遥感器光谱性能参数的准确定标是高光谱遥感器数据定量应用的基本前提。本文基于单色准直光标定法对高光谱遥感器进行了光谱性能参数定标,通过数据采集软件及数据处理软件对高光谱遥感器光谱性能参数定标数据进行了分析。分析结果显示:定标测试的重复性在1 h内小于0.2 nm,在20 h内小于0.35 nm。光谱定标结果表明:高光谱遥感器的平均光谱分辨率为4.94 nm,且各高光谱遥感器空间维光谱分辨率均小于5 nm,典型谱段的平均带宽均在6 nm左右。     

基于混合光源的星模拟器光谱研究

提出了一种基于氙灯和卤钨灯混合光源的星模拟器光谱模拟方案.采用氙灯和卤钨灯组成宽光谱光源灯阵,并通过色温模拟与控制模块后射入积分球,为星模拟器提供理想光源,模拟出与特定色温3 900K,4 800K,6 500K相近的光谱曲线.通过对标准黑体光谱曲线的仿真,计算出滤光片各个微小波段最优透过率,并对微小波段区间的透过率进行区间合并处理,得到满足设计指标要求的滤光片透过率,实现对特定色温光谱曲线的模拟.仿真结果表明,采用本文方案能够满足微小波段匹配模拟误差在10%以内,用相对面积法验证匹配误差在4%以内,从而为星模拟器模拟特定色温的光谱曲线提供有效的方法.     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760 nm附近的氧气吸收波段与940 nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。     

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。     

一种色度自适应投影标记点的选取方法

近年来,对物体的颜色显现力、光源光谱功率分布和自身表面反射光谱三者的定量关系方面的研究备受大家关注。在三维扫描测量领域,由于颜色特征具有反映物体材料和纹理等丰富信息的优势,提出了一种主要由彩色相机、投点光源和PC机组成的色度自适应投点仪结构,其中数字微镜(DMD)作为投点光源的核心元件用于调制R,G,B 三个LED光源的光谱功率分布。然而主动式标记点的颜色显现力因受未知反射光谱投影接受面的影响,其颜色特征往往难以识别和区分。为了提高投影标记点与不同反射光谱的投影接收面作为背景的分辨力,描述了一种色度自适应投影标记点的选取方法。在高维线性反射光谱建模的基础上,用光谱响应的方法对彩色投点仪设备特征化,以解决三通道彩色相机设备特征化精度低的问题。并通过样本训练为高维线性反射光谱的求解提供条件约束。继而,在CIE1931色度坐标空间下,选取与投影接收面背景色度坐标欧氏矩最大的色度坐标点。根据投点仪设备特征化结果,推导其LED最优设定值。最后,采用24孟塞尔色卡作为被投影对象,主动标记点与色块的色差作为其颜色显现力的评价参数,通过与激光二极管投点仪做对比性实验。实验结果表明对各不同色度的投点接受面,提出的色度自适应投影标记点的选取方法均有较好表现。     

数字微镜器件反射效率测试方法及装置北大核心CSCD

为了获得数字微镜器件的真实光学特性,提出了其反射特性测试方法,并搭建实验装置对数字微镜器件的相对反射效率进行了测试,搭建了测试光路;利用该光路分别测得数字微镜器件和铝反射镜作为反射元件时相机接收到的光斑能量分布曲线,并对曲线进行积分;将2种测试条件下获得的积分值做除法,得到数字微镜器件的相对反射效率。测试结果表明,在使用632.8 nm波长激光器作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为45.33%,在使用白光LED作为光源时数字微镜器件的相对反射效率为71.75%,经过多次测试发现2种测试模式下的重复精度均为±5%左右。上述测试结果可对今后使用数字微镜器件开发相关仪器时的能量传递效率计算以及器件选择起到一定参考作用。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光谱定标技术研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪用于遥感监测痕量气体的全球分布。该载荷探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射,利用差分吸收光谱算法来解析痕量污染气体成分的分布和变化。光谱定标是仪器遥感数据定量化的前提和基础,定标的精度直接决定了仪器研制和应用水平的高低。针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪视场大、波长宽、空间分辨率和光谱分辨率高的特点,提出了相应的光谱定标方法,建立了定标装置,通过寻峰和回归分析计算光谱定标方程,实现了对载荷的全视场光谱定标工作。并利用太阳光的夫琅禾费线对定标精度进行了检验。     

星等及光谱可调的标定用单星模拟器系统设计

为了实现多色温、多星等并且色温和星等都在系统中实时可调节的功能,提出设计一款新型的星等及光谱可调节的单星模拟器系统。系统采用氙灯及卤钨灯作为光源,将光源分为多束窄带光谱,并且对每一束窄带光谱的光强和光谱进行调节实现对黑体光谱范围及色温的模拟。当具有不同光谱特性和色温的光源进入星等调节器时,采用与波段光强控制器不相互干扰的调节方式,只对光源的光度即整个光源的能量进行衰减控制达到星等调节。在实验室实现了整个系统的组装,搭建了控制和测试平台,并给出标准星等光度与各个色温情况下实测星等光度对照结果。     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪。该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统。理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性。结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1 nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms。适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测。     

干涉型光谱仪高精度光谱定标方法

干涉型光谱仪获取光谱的干涉数据信息,数据处理过程中将干涉信息进行一系列光谱复原,最终得到光谱信息数据。光谱定标处理是干涉型光谱仪光谱反演的重要环节,直接决定了光谱信息的可用性和准确度。介绍了干涉型光谱仪光谱定标的基本思路,并在此基础上提出了一种基于总光程差精确解算的光谱定标方法。由于干涉型光谱仪总光程差难以精确测量,而总光程差解算是光谱定标的核心和关键,基于此情况,提出了遍历总光程差,分析光谱漂移,最终确定干涉型光谱仪总光程差的总体思路。定标处理中将所有总光程差可能值带入光谱复原流程,进行光谱复原与分析,最终得到光谱漂移最小的总光程差,即为总光程差解算值。该方法可以精确解算干涉型光谱仪的总光程差,进而对干涉型光谱仪进行高精度光谱定标。同时介绍了详细、完整的光谱定标流程,最终得到干涉型光谱仪各个波段的中心波长值、波数分辨率等。最后设计了典型的干涉型光谱仪主要参数,并生成了该光谱仪的模拟干涉数据,利用该方法对模拟数据进行光谱定标,并对光谱定标结果进行了精度分析和验证,证明该方法波数分辨率定标精度优于0.000 25 cm-1。     

An improved high-resolution solar reference spectrum for earth's atmosphere measurements in the ultraviolet, visible, and near infrared

We have developed an improved solar reference spectrum for use in the analysis of atmospheric spectra from vacuum wavelengths of 200.07 through 1000.99 nm. The spectrum is developed by combining high spectral resolution ground-based and balloon-based solar measurements with lower spectral resolution but higher accuracy irradiance information. The new reference spectrum replaces our previous reference spectrum, and its derivatives, for use in a number of physical applications for analysis of atmospheric spectra, including: wavelength calibration; determination of instrument transfer (slit) functions; Ring effect (Raman scattering) correction; and correction for spectral undersampling of atmospheric spectra, particularly those that are dilute in absorbers. The applicability includes measurements from the GOME, SCIAMACHY, OMI, and OMPS satellite instruments as well as aircraft-, balloon-, and ground-based measurements.