空间外差光谱仪定标方法研究

空间外差光谱仪(SHS)是近年来迅速发展起来的新型超光谱分析技术,但针对该项技术的定标研究方法还不成熟。本文在分析空间外差仪原理的基础上,探讨了SHS实验室定标方法,内容包括光谱定标和辐射定标。利用可调谐激光器与元素光谱灯,根据光谱带宽内的发射谱线所对应的波长,以及探测器尺寸与系统带宽之间的关系,设计了光谱定标方案。定标结果显示仪器光谱分辨率和光谱范围与理论设计值一致,通过多次光谱稳定性测试,光谱漂移较小。在辐射定标中,利用积分球系统进行了稳定性定标,利用标准灯和漫反射板完成了响应度定标,并利用定标系数进行了实例验证。定标结果显示该方法能够满足空间外差光谱仪定标要求,为获取的光谱数据进行定量反演奠定了基础。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。     

空间外差光谱仪干涉图数据处理

空间外差光谱技术是一种新型的超分辨光谱技术。介绍了空间外差光谱仪的基本原理,并针对其特点提出了干涉图数据处理的方法。首先通过一阶差分对干涉图进行去基线处理,然后使用三角函数作为切趾函数对干涉图进行切趾,并对傅里叶变换光谱进行相位校正,最后采用已知双线光源对空间外差光谱仪原理试验装置进行波长定标。文章以Na双线与Hg谱线进行波长定标,得到了波长定标曲线。通过以上的方法对空间外差光谱仪干涉图数据进行处理,能有效地提高干涉图反演光谱的精度。     

空间外差光谱仪干涉条纹调制度影响分析

空间外差光谱仪(SHS)所获取的干涉图像需经过傅里叶变换才能得到光谱信息.频域光谱的信噪比和光谱信号的质量很大程度上取决于干涉条纹调制度.针对干涉条纹调制度的影响因素进行了定量理论分析,包含分束器分束特性、光学系统像差(干涉组件面形误差、准直镜头输出面形误差及成像镜头调制传递函数曲线)、扩展光源及像元大小等.实验证明,空间外差光谱仪样机复原光谱实测结果与理论计算一致性较好,对干涉条纹调制度的定量分析为干涉型光谱仪各功能组件的设计提供了理论依据.     

空间外差光谱仪基频波长的定标

基于空间外差光谱仪的工作原理和干涉图的产生机制,提出了一种空间外差光谱仪的基频波长定标方法。沿干涉条纹法线方向求取像元相位,通过对法线方向的像元相位进行线性拟合求取相位直线的斜率,该相位斜率与干涉条纹法线方向的空间频率具有对应关系,在获取两种已知波长的激光干涉图的相位斜率后即可确定该空间外差光谱仪的基频波长。四组波长数据的测试结果显示,用该方法定标的基频波长具有很好的一致性,标准差为0.044 nm。定标结果仿真的光谱与实测光谱完全一致,证明了该方法的可行性。     

空间调制干涉光谱成像仪的星上定标系统

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

非对称空间外差光谱技术研究

传统空间外差光谱技术存在光谱分辨率、光谱范围与探测器象元数之间的制约关系。非对称空间外差光谱技术相比传统空间外差光谱技术主要区别在于增加单臂光栅到分束器的距离,能够在系统参数不变的情况下大大的增加光谱分辨率。首先阐述了非对称空间外差光谱技术的基本原理,并给出相应的系统参数计算公式推导结果,从理论上推导出单臂光栅偏置量增加和光谱分辨率增加之间的关系。偏置量作为非对称空间外差光谱技术的重要参数,受短双边象元数和光谱分辨率需求的制约。根据实验室现有实验平台参数,给出偏置量选择原则及结果。在元器件参数相同的情况下,分别计算了两种形式的理论光学性能参数,并且进行了仿真验证,得出非对称空间外差光谱仪与传统空间外差光谱仪光谱范围相同,但具有更高的光谱分辨率,并且分辨率提高与偏置量增加关系与理论计算相符。最后通过单色光扫描方法对非对称空间外差光谱仪实验室装置进行光谱范围和光谱分辨率的定标,定标结果与理论计算值吻合较好。     

空间调制干涉光谱成像仪星上定标系统研究

经计算推导和实验,研究设计了空间调制干涉光谱仪的星上定标系统,并进行了实验室光谱测试和航天元件的多种环境测试.解决了空间调制干涉光谱仪星上定标技术的关键组件定标光源、光谱滤光片、积分球组件的技术难点.实现了全孔径、部分视场的相对光谱定标,得到了星上定标光谱和干涉图.     

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。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

Correction for phase-shift deviation in a complex Fourier-transform integrated-optic spatial heterodyne spectrometer with an active phase-shift scheme

We report that a spectrum can be retrieved with a planar waveguide spatial heterodyne spectrometer (SHS) incorporating an active phase-shift scheme, where the phase shifts are distributed around π/2. This was confirmed experimentally with an SHS that had 32 interleaved Mach-Zehnder interferometers and whose free spectral range was 625 GHz. The phase shifts ranged from 0.71 to 2.2 rad against the target of π/2 rad.     

空间外差光谱技术与FTS的比较研究

空间外差光谱技术是一种新型的可实现超分辨的光谱技术,它综合光栅和FTS技术于一体。对空间外差光谱技术与传统的傅里叶变换光谱技术(FTS)进行比较研究,介绍了两种光谱技术的光学原理,围绕着仪器的光谱分辨率和光谱范围进行比较分析,给出了一组系统设计参数的比较例子。分析结果表明,空间外差光谱技术可以充分利用探测器的空间频率,在一窄带光谱范围内,获得超高的光谱分辨率。     

基于多普勒非对称空间外差光谱技术的多普勒测速仿真

阐述了多普勒非对称空间外差光谱仪用于被动式多普勒测速的基本原理,通过综合考虑干涉条纹对比度和仪器测速灵敏度等关键因素,建立了效率函数,分别针对高斯线型和洛伦兹线型发射谱线,从理论上推导了最优单臂偏置量的选择依据,并以高斯线型目标谱线为例进行了仿真验证.同时,提出了一种基于部分干涉条纹反演多普勒速度的数据处理方法,简化了多谱线目标源的数据处理过程.结合自适应频率跟踪算法对单谱线目标源和多谱线目标源进行了仿真比较,仿真结果表明,在不考虑噪声的情况下,该方法针对多谱线目标源的多普勒测速最大绝对误差在0.004 m/s以内,与针对单谱线目标源的处理精度相当,可以满足实际应用的精度要求.     

外差式偏振干涉成像光谱技术研究

提出了一种新型的基于Savart偏光镜的外差式偏振干涉成像光谱技术,该技术在偏振干涉成像光谱仪中引入一对平行偏振光栅对,使其得到的干涉图频率与波数相关,具有了波数外差的特点,降低了干涉图频率,从而可利用较少的采样点数实现很高的光谱分辨率.对外差式偏振干涉成像光谱技术的基本原理进行了研究,详细分析了系统光程差、干涉图表达式、光谱分辨率以及光谱复原方法等.最后给出了外差式偏振干涉成像光谱仪的设计实例并进行了计算机仿真模拟,所复原的光谱与输入光谱曲线相符合,验证了方案的正确性.外差式偏振干涉成像光谱仪具有结构紧凑、光通量高、稳定性强、光谱分辨率高的特点,尤其适合超小型高稳定性、高探测灵敏度的高光谱探测应用.     

空间外差光谱仪干涉图非均匀性校正研究

空间外差光谱仪在研制加工过程中,由于加工误差及胶合误差会使CCD接收到的干涉图存在光强分布不均匀现象,降低了变换光谱的准确性。基于对空间外差光谱仪干涉图光强非均匀性的产生机制与特点分析基础上,提出了一种干涉图非均匀性校正方法,该方法通过对实际干涉图进行单调分解、分段归一化及重新组合过程求解出光强分布函数,然后将变换光谱与光强分布函数倒数的傅里叶变换结果进行卷积来获得非均匀性校正后的光谱,最后将校正光谱进行逆傅里叶变换从而实现干涉图的非均匀性校正。将此方法应用于空间外差试验仪的近红外实测单色光干涉图的非均匀性校正,结果显示,该方法可以有效改善干涉图光强分布的非均匀性,抑制变换光谱的边频信号,通过与仿真的理想光谱对比,1 571和1 572 nm光谱校正前后噪声的减小率分别达到40.7%和24%,提高了光谱信噪比和准确性。     

偏振型干涉成像光谱仪谱线位置定标方法的研究

论述了偏振型干涉成像光谱仪的工作原理, 针对复原光谱谱线位置漂移问题, 提出了原理修正和数据处理两种具有代表性的实验室谱线位置定标方法, 给出了定标结果及对比分析. 原理修正方法从干涉型成像光谱仪的参数选择着手, 分析了产生谱线位置漂移的原因, 针对复原谱线位置随行变化的问题, 给出了修正方案, 使得谱线位置精度明显提高; 对于给定的四组激光器标准波长, 谱线位置均方根误差由定标前的28.3914下降至5.5371, 该方法对干涉型成像光谱仪具有普适性, 且其定标参数对分析仪器指标提供了便利. 数据处理方法弥补了原理修正定标存在的数据量大、短波定标效果弱等弊端, 谱线位置均方根误差下降至0.9178, 该方法实施简单, 对不同的输入波长, 所取不同行的数据用统一的表达式进行修正. 该方法化繁为简、间接定标的思想具有一定的借鉴价值. 该研究为偏振型干涉成像光谱仪的设计、研制、调试和工程化提供了重要的理论依据和实践指导.     

大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪光谱定标

为了对大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪进行全谱段高精度光谱定标，通过分析干涉型光谱仪的工作原理，对光谱漂移因子进行理论推导，发现通过有限光谱位置校正能实现全谱段光谱定标。采用了以波长计为基准，通过连续可调谐激光作为测试光源的光谱定标方法，并以高精度气体池系统进行交叉定标来验证定标精度。试验结果表明，通过测量光谱漂移因子来进行光谱定标的测试精度优于0.004 cm?1，满足高精度光谱仪定标需求，漂移因子能够应用于干涉型光谱仪光谱定标。