基于中阶梯光栅的光谱定标装置设计方法

针对紫外-可见光波段高光谱成像仪光谱定标装置的设计进行研究,论述了中阶梯光栅的光学原理,根据光谱定标原理,利用中阶梯光栅工作角度大、衍射级次高、光谱分辨率高的优点,建立了基于中阶梯光栅的光谱定标装置,提出了基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计方法。以大气探测卫星Aura 上所搭载的臭氧观测仪为例论述了光谱定标装置的设计过程,仿真分析了光谱定标装置带宽对光谱定标精度的影响,给出了衍射级次、光谱分辨率、平行光管焦距等光谱定标装置主要性能参数的设计计算方法,为基于中阶梯光栅的光谱成像仪光谱定标装置的设计提供了依据。     

基于矩阵的Sagnac干涉仪光谱复原理论研究

传统的干涉光谱仪光谱复原算法是利用傅里叶变换复原光谱,该方法为了消除有限光程差造成的旁瓣对光谱复原精度的影响,进行了干涉图切趾处理,但这会降低复原光谱的光谱分辨率.为了保证光谱分辨率和提高光谱复原精度,文章提出一种光谱复原方法——基于仪器特征矩阵的Sagnac干涉光谱仪光谱复原方法.该方法旨在通过实验室定标及理论推导为每个Sagnac干涉光谱仪系统构建一个仪器特征矩阵,对仪器特征矩阵利用最小二乘法复原光谱.利用多种物质的光谱进行仿真实验,测试两种光谱复原方法的光谱复原精度,结果显示仪器矩阵方法的复原误差稳定在1％～3％,而傅里叶变换法的复原误差在3％～7％的范围内.因此,和傅里叶变换光谱复原方法相比,基于仪器特征矩阵的光谱复原方法的光谱复原精度更高.     

An empirical investigation of the properties of the autoregressive spectral estimator

The autoregressive (AR) spectral estimator is used to make high resolution spectral estimates based on short data records. Measures of a frequency averaged normalized bias and normalized variance of the spectral estimates are introduced. A large number of spectra are generated. Based on the above mentioned measures and visual inspection of the estimates of the generated spectra, the AR and the conventional tapered and transformed (TT) spectral estimates are compared. It is shown that the AR spectral estimator is as stable as that given by its asymptotic variance. It is also shown that the AR spectral estimator is most powerful in estimating narrow spectral peaks with a high signal-to-interference ratio in the signal bandwidth.     

线性啁啾脉冲频谱干涉特性的模拟研究

为了研究宽带脉冲因受外界瞬态扰动而引起的相移随频谱变化的规律,利用啁啾脉冲与扰动在频域上的卷积特性,采取将频谱干涉技术和线性啁啾脉冲相结合,当两束线性啁啾脉冲在频率域相遇时,相同的频谱成分产生干涉,从其干涉图中得到随脉冲频谱变化的相对相移。根据傅里叶变换的频谱干涉技术,对从两束线性啁啾脉冲的频谱干涉图中提取相移进行了数值模拟。结果表明,对假设具有不同类型的相移进行重构,还原出随频谱变化的相位扰动。这一结果对超快光学中的瞬态测量是有帮助的。     

经典谱估计在短突发信号频谱细化中的特性分析

为了比较经典谱估计中的栅栏效应和截断效应对谱估计的影响,利用补零FFT、移位DFT、线性调频Z变换（CZT）和Zoom-FFT等经典谱估计算法,利用Matlab进行了性能仿真,最后得出了它们在短突发信号频谱细化分析中存在的极限问题。尤其是对含有多频率分量的突发信号,当相邻频率间隔小且信号长度短时,即使采用很大的细分倍数也无法区分两个相邻的频率。为减少截断效应带来的能量泄漏和谱间干扰,对有限长数据需要利用现代谱估计算法进行频谱细化分析。实验结果验证了理论推导的正确性。     

新型宽带匹配网络在双路宽光谱AOTF成像技术中的应用

基于双路AOTF的宽光谱成像技术在偏振成像光谱仪中得到应用,其成像质量受AOTF衍射效率、光谱带宽等影响。其核心部件超声换能器阻抗失配时导致驱动功率无法最大限度的传递给换能器,使AOTF光谱衍射效率降低,3dB光谱带宽变窄,影响光谱图像有用信息的获取。采用压缩回波损耗技术,设计了一种基于LC拓扑结构及组合臂的宽频带、光谱衍射效率高的新型匹配网络。最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达94％,光谱带宽小于5nm,提高了在420~1150nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率,实测目标的成像质量得到明显改善。     

The total variance of a periodogram-based spectral estimate of a stochastic process with spectral uncertainty and its application to classifier design

The variance of a spectral estimate of a stochastic process is essential to the formulation and performance of a spectral classifier. The overall variance of a spectral estimate originates from two sources: the within-class spectral uncertainty and the variance introduced in the spectral estimation procedure. In this paper, we derive the total variance of a periodogram-based spectral estimate under some assumptions. Using this result, we formulate a linear spectral classifier based on Fisher's separability metric. The classifier is used to classify two oceanographic processes: ocean convection versus internal waves.     

展宽器中非对称光谱剪切对输出脉冲对比度的影响

在展宽器中,光谱的剪切情况非常重要,它直接影响输出脉冲的质量.以Offner展宽器为例,参照以往建立的光线追迹模型,建立了分析展宽器中光谱剪切的模型.发现当展宽器的参数确定好后,光栅放置的位置对激光脉冲光谱剪切有非常重要的影响.当光栅相对于光轴中心对称放置时,展宽器容许通过的光谱相对于激光中心波长将是非对称分布的,即此时在展宽器中发生的光谱剪切为非对称光谱剪切,在神光II第9路拍瓦激光装置中,这种非对称光谱剪切将使输出脉冲对比度下降一个数量级.为了使展宽器中通过的光谱相对于激光中心波长对称分布,需要将光栅相对于光轴非中心对称放置.     

光纤激光频谱组束技术的研究进展

光纤激光频谱组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段。综述了光纤激光频谱组束技术的最新进展情况,介绍了光栅外腔频谱组束、MOPA结构频谱组束、PTR布拉格光栅频谱组束以及二维阵列的相干和谱组束等方案的基本原理和研究现状,比较分析了各种组束方案的优缺点,最后对频谱组束发展中存在的问题进行了探讨。     

基于天宫一号高光谱成像仪的替代光谱定标方法精度对比分析

基于天宫一号高光谱成像仪2012年3月6日获取的可见近红外谱段数据,分别进行了氧气吸收通道的同步和非同步替代光谱定标,为了提高非同步替代光谱定标结果的可靠性,利用与同步实验日期相近的另外两景图像进行了多次非同步替代光谱定标.结果表明:基于三景图像的非同步替代光谱定标结果相近,差异小于0.2 nm,标准差小于0.11;同步和非同步两种替代光谱定标结果差异小于0.3 nm;以星上定标结果为基准,两种替代光谱定标方法的误差分别为0.384 nm和0.489 nm,二者差异较小.可见,可采用非同步替代光谱定标方法对高光谱成像仪进行高频次的光谱定标.     

Demonstration of Bias-Controlled Algorithmic Tuning of Quantum Dots in a Well (DWELL) MidIR Detectors

The quantum-confined Stark effect in intersublevel transitions present in quantum-dots-in-a-well (DWELL) detectors gives rise to a midIR spectral response that is dependent upon the detector's operational bias. The spectral responses resulting from different biases exhibit spectral shifts, albeit with significant spectral overlap. A postprocessing algorithm was developed by SakoĞlu that exploited this bias-dependent spectral diversity to predict the continuous and arbitrary tunability of the DWELL detector within certain limits. This paper focuses on the experimental demonstration of the DWELL-based spectral tuning algorithm. It is shown experimentally that it is possible to reconstruct the spectral content of a target electronically without using any dispersive optical elements for tuning, thereby demonstrating a DWELL-based algorithmic spectrometer. The effects of dark current, detector temperature, and bias selection on the tuning capability are also investigated experimentally.      

棱镜色散成像光谱仪光谱辐射采集特性

棱镜色散成像光谱仪对景物光谱的采样不是等间隔的.为了研究非线性色散对成像光谱仪采集景物辐射能量的影响,首先推导出相应的计算表达式,据此,在可见近红外光谱范围内(VNIR)分析了以单棱镜或复合棱镜为色散元件时成像光谱仪辐射能量采集特性.结果表明:与等间隔光谱采样相比,对于采用单棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在光谱范围的短波(0.4～0.6 μm)部分较低,在中长波(0.6～1.0μm)部分较高;对于采用复合棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在整个光谱范围都比较均衡;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来.     

Rate of Convergence in Approximating the Spectral Factor of Regular Stochastic Sequences

Common methods for the calculation of the spectral factorization rely on an approximation of the given spectral density by a polynomial and a subsequent factorization of this polynomial. It is known that the regularity of the stochastic sequence determines the achievable approximation rate of its spectrum. However, since the approximative polynomial should be factorized, it has to be positive. It is shown that this restriction on the approximation polynomial implies a limitation on the approximation rate for linear methods whereas for nonlinear methods the optimal approximation rate can still be achieved. This has also consequences for the rate of convergence of the spectral factor, which is investigated in the second part. There, a lower and an upper bound for the error in the spectral factor is derived, which shows the dependency on the approximation degree and on the regularity of the stochastic sequence. Finally, if the spectral density is given only on a finite set of sampling points, no linear approximation method exists such that the error in the spectral factor can be controlled by the approximation degree.      

星载EMI在轨光谱定标方法研究

于 2018 年 5 月 9 日搭载高分五号卫星发射的大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 为紫外可见波段高分辨率 成像光谱仪。为考察其在轨光谱性能, 首先采用波长寻峰法即以太阳 Fraunhofer 线作为特征峰以快速获取载荷的光谱 范围, 然后采用谱线匹配法获取载荷空间维度的光谱弯曲值, 最后采用光谱拟合法获取光谱分辨率的变化。寻峰法通 过与标准 Fraunhofer 线进行比对找寻特征峰, 得到其标准波长及对应像元, 经二阶多项式拟合可得到像元-波长对应关 系。谱线匹配法通过 Pearson 相关系数法作为判据, 即利用两谱线之间相关系数作为匹配结果的判断条件, 得到测量 谱线与标准谱线间的偏移值, 定标结果满足定标精度高于 0.05 nm 的要求。光谱拟合法通过求解将测量谱与高分辨率 太阳参考谱拟合, 可以分析光谱分辨率变化。对 2019 年 1 月 7 日全天 15 轨数据的分析结果表明, 光谱分辨率在一天 内的变化一致, 其单行标准差不超过 0.01, 因此在之后仪器长时间运作或受到干扰情况下, 利用此方法对其性能衰变 进行分析具有重要意义。     

多碱光电阴极膜厚对阴极灵敏度的影响研究

叙述了多碱光电阴极光谱反射的特点,测量了超二代微光像增强器多碱光电阴极的光谱反射曲线,分析了光谱响应曲线产生干涉加强峰和干涉减弱峰的原因,比较了不同膜层厚度多碱阴极光谱反射曲线的区别。根据能量守恒定律,利用实测的多碱光电阴极光谱反射率和光谱透过率,计算出多碱光电阴极的光谱吸收曲线,通过研究不同厚度多碱阴极的光谱吸收,发现多碱光电阴极膜层厚度加厚并不会提高其对所有波段光吸收率的特点。厚度增加只会增加短波和长波的光吸收率,但中波的光吸收率不会增加反而下降,这是由于受到光谱反射的影响。阴极膜层的厚度既影响光谱反射和光谱透过,又会影响光谱吸收,因此也影响多碱阴极的光谱响应,所以多碱光电阴极的膜层厚度是影响多碱光电阴极灵敏度的一个关键参数。实践证明,转移式技术制作的多碱光电阴极膜层厚度也存在一个最佳值,超过这一最佳厚度,阴极的灵敏度不增反降,这是因为红外光谱响应增加不多,但中波光谱响应下降很多。所以对转移式多碱光电阴极而言,实践证明当膜层厚度达到最佳厚度时,膜层呈现淡红色,在制作过程中要控制好阴极膜层的厚度,这样才可能获得较高的阴极灵敏度。     

基于光谱辐射计的航空发动机红外辐射特性测试方法

为体系化地开展地面目标的光谱辐射特性测试,提高光谱辐射计在地面目标红外特性测试中的精度,本文系统地介绍了基于光谱辐射计的地面目标红外辐射特性测试原理、光谱数据定标原理、目标测试及大气透过率测试方法。以基于光谱辐射计的航空发动机红外辐射特性测试为例,详述试验方案设计、试验实施过程、测试结果及分析。试验数据表明了本文所述方法的可行性和正确性,针对航空发动机的红外辐射特性测试方法也可推广应用于其他各类型地面目标的红外特性测试与评估当中,支撑地面目标红外光谱特性及隐身特性的研究。     

光谱域编码的压缩光谱测量技术

光谱测量技术在生物医药、国防、安检、生产监控、地质勘测、物质分析、环境保护和减灾防灾等方面有着广泛的应用。但受制于现有探测器件和应用的技术条件,传统类型光谱仪在上述领域的应用灵活性和适用性的限制较多,光谱系统微型化和可集成化是确定发展的趋势之一。光谱成像系统有着向微型化、芯片化和智能化发展的迫切需求,且伴随相关计算光谱成像理论的成熟完善,计算型光谱仪有望在减少器件或系统重量与尺寸的同时,大幅提升光谱分辨能力。基于压缩感知理论的计算型光谱仪具有实时性好、适用范围广、结构调整灵活、成本低廉等诸多优势。文中参考压缩感知理论的基础框架,详细对比多种分光结构的设计方法,分析光谱域直接编码的压缩光谱测量技术,归纳总结具有压缩感知功能的智能芯片化光谱仪的发展趋势和技术问题。     

基于FPGA的成像光谱仪多通道实时光谱识别设计

实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一,其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中,根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角,通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明,系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行,具有速度快、体积小、便于升级等优点,为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。     

数字微镜Hadamard变换光谱仪光谱反演矩阵标定及实验

国内外对DMD空间光调制的Hadamard变换成像光谱仪做了大量的理论研究和实验验证,但这项技术的研究还不够成熟,很多问题需要进一步的研究。在这种光谱仪中每个像素点色散光谱的编码矩阵互不相同。通过比较激光编码图像灰度值的变化并结合S矩阵元素的变化规律,提出了一种光谱反演矩阵的标定方法。以七阶左移循环S矩阵为例设计编码模板,通过两组成像实验对光谱反演结果进行了验证。在第一组实验中,将一束激光波长为632.8 nm激光导入光谱仪中,光谱仪的光谱响应范围为550~680 nm,632.8 nm在第五个波段范围626~644 nm之内理论上只有波段范围为626~644 nm的第五幅光谱图像是明亮的,其余的图像没有能量分布,实际的实验结果与理论上的分析相吻合。在第二组实验中,让光谱仪对一个彩色蝴蝶模型进行成像,在反演后得到的光谱图像上提取两个测试点的光谱曲线,与用辐射度计提取的光谱特性曲线进行对比分析,实验结果表明反演所得的光谱曲线与辐射度提取的光谱特性曲线基本一致。两组光谱反演的实验结果验证了所提出的光谱反演矩阵标定方法的有效性。     

叶片结构对飞机回波频谱特征影响分析

针对叶片结构参数影响周期性运动部件调制(PMPM)频谱分量分布规律问题,在对旋转叶片组建立电磁散射模型和进行试验测量基础上,分析了叶片长度、倾斜角和扭角等叶片结构参数对PMPM频谱分量分布规律影响.结果表明:叶片长度主要影响PMPM频谱在频率轴上的分布范围;叶片倾斜角使PMPM频谱呈不对称分布;叶片扭角使PMPM频谱不对称分布程度进一步加剧.