小型CCD光谱仪波长定标精度控制与影响分析

在光谱仪硬件性能基础上,波长定标是进一步引入误差的关键环节。若在定标方程系数固化过程中引入误差水平等同于像素采样误差,则在实际应用中波长测量误差就是在像素采样和波长定标方程计算环节上叠加引入2次误差,将造成测量误差的成倍扩大。以自主研制的小型光谱仪为基础,旨在通过数据分析研究波长定标环节中的影响因素,进而给出避免扩大误差的有效方法。所用的光谱仪在100μm狭缝下半峰全宽(FHWM)约为5 nm,像素波长间隔约为0. 45 nm,硬件系统的波长误差理论上为半像素波长间隔0. 225 nm。重点分析了测量噪声和峰位判定算法对定标精度的影响,并提出采用多次测量均值降噪结合高斯拟合峰位判定法来提高定标精度。与传统的直接极值法相比(定标方程均采用5次多项式),定标方程拟合残差的2倍标准差约为0. 1 nm,传统直接极值峰位判定法下,定标方程拟合残差的2倍标准差为0. 37 nm。通过研究,波长定标过程中的3个误差控制关键环节分别是测量噪声控制、峰位判定算法及最小二乘平差。通过选择适当的算法参数值,将波长定标拟合残差的标准差控制在约1/10 pixel波长间隔水平,充分体现了高斯拟合峰位判定算法的多像素统计优势。     

基于线阵CCD的光谱仪定标研究

光谱仪是一种基本光谱检测和分析仪器,以线阵CCD为探测核心是设备微型化的重要手段,CCD各光敏像元输出信号与待测光谱波长及光谱辐射通量之间对应关系成为定标的主要内容.研究了常规线性拟合方法,应用校准结果测量发现有时误差较大,利用低压汞灯特征谱线为基准,采用最小二乘法曲线拟合完成波长定标,计算出拟合曲线的3阶校正参数;利用辐射标准灯完成光谱辐射定标,解决了光束经过光学系统传输损耗及线阵CCD光谱响应灵敏度测量的困难,并对定标方案进行了数学推导证明.对大量实验数据进行分析表明,该定标方法是切实可行的,并成功应用到微型光谱仪器的生产过程.     

医用显微成像光谱仪的光谱定标技术

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标,设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法,自主开发了相应的光谱定标系统软件,获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据,完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明:显微成像光谱仪的光谱区大于400~900nm;定标精度高于0.1nm,光谱分辨率高于3nm,各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明,所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单,符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。     

传递辐射计光谱通道的优化设计

鉴于传递辐射计对成像光谱仪定标时其通道选择对成像光谱仪的定标精度具有重要影响,本文使用MATLAB语言编写评价函数,作为对3 000K黑体光谱曲线进行多光谱反演精度的评价标准,最后利用MATLAB遗传算法和模式搜索算法工具箱对评价函数寻找最小值解,即传递辐射计的最优通道选择,并根据评价函数对光谱通道数、中心波长偏移、带宽展宽和测量系统误差对光谱反演精度的影响进行分析。结果表明,为实现0.12%的光谱反演精度,要求传递辐射计中心波长的偏移量不超过0.2nm、带宽展宽不大于0.02nm,测量系统误差小于0.1%。本研究可以指导传递辐射计的设计,对提高地球成像光谱仪的定标精度具有重要意义。     

不同近红外光谱仪在绿茶水分检测应用中的比较研究

分别应用两种不同型号近红外光谱仪对绿茶中水分含量进行定标建模,确定了在改进偏最小二乘法定标技术下的最优光谱数据预处理方式,建立了最优定标模型,并对其进行了检验.结果表明,两种仪器所得到的模型定标效果均良好,预测精度高,都可用于实际检测,但InfraXaet Lab型光谱仪得到的模型稳定性较强.     

绝对光谱辐照度仪的波长定标

为了提高太阳绝对光谱辐照度仪的波长定标精度,提出了用线阵CCD作为位置传感器进行波长定标的方案,完成了0.4～1.0μm波长的定标.根据仪器的安装结构和Fèry棱镜的参数,描述了波长与CCD像元的对应关系,制定了定标与计算方法,并介绍了器件的选型及线阵CCD的时序驱动和输出信号的处理.在室内波长定标中,利用可调谐激光器作为光源,确定了CCD像元与中心波长的对应关系,并通过光谱扫描进行了验证.在室外开展了太阳观测实验,并与可见-短波红外光谱仪做了对比.实验结果表明,波长定位精度优于0.5 nm,测量的光谱曲线吸收峰与大气典型吸收谱线吻合,同时验证了波长定标方案的可行性与CCD电子学设计的合理性.     

单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标

为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度,本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示:单色仪光谱定标精度优于±0.1nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800nm,光谱分辨率优于3nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的实验室定标

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪,该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号,基于痕量气体对不同谱段光信息的“指纹”吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布.针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点,提出了相应的光谱定标和辐射定标方法,建立了定标系统,实现了对载荷的光谱定标和辐射定标,并对其定标的不确定度进行了分析.结果表明,载荷光谱定标不确定度为0.027 nm,辐射定标不确定度为2.96％,满足给定的技术指标要求,为载荷的定量反演提供了保证.     

凸面光栅成像光谱仪的光谱定标

为了对自主研发的凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标,基于单色准直光定标法设计了一套由单色仪和平行光管组成的光谱定标系统.采用自行研制的光谱定标数据采集软件及数据处理软件对凸面光栅成像光谱仪进行了光谱定标及定标数据分析.定标结果显示:该定标系统结构紧凑、通用性强,具有较高的定标精度,其光谱范围大于400～800 nm,光谱分...     

线阵列硅探测器多通道光谱仪性能评价研究

研究和讨论了线阵列硅探测器多通道光谱仪的性能及实验评价。在完成可见一近红外平谱面多色仪调试、线阵列硅探测器的驱动电路及触发电路设计、微机系统接口与软件开发的基础上,进行了以下几方面研究和讨论:对多通道光谱仪各谱带的中心波长、光谱带宽及光谱范围进行了定标,并分析和讨论定标误差、光谱分辨率及辐射响应;光谱辐射定标:以光谱辐照度(或辐亮度)标准建立探测器各元的数字响应与入射辐照度(或辐亮度)的关系,并分析和讨论辐射动态范围,辐射定标误差和线阵列硅探测器各元响应不均匀性;分析和讨论多通道光谱仪的杂散光特性;最后通过数据处理得到了两种材料的光谱分布,并与用分光光度计测得的结果进行了比较。     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。     

基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器光谱定标技术

高光谱传感器的光谱定标是实现高光谱遥感定量化的关键。为了克服传统的基于单色仪扫描的光谱定标方法存在的设备昂贵、耗时等缺点,实现色散型高光谱传感器在野外或飞行中的实时、高精度定标,提出了一种基于特征吸收波长板的色散型高光谱传感器系统级光谱定标方法。分别对特征吸收波长板和漫反射参照体反射信号进行了比对测量,通过优化计算得到了传感器通道的中心波长和带宽。该方法消除了待定标传感器的光谱响应和光源的光谱能量分布带来的影响,能快速准确地实现色散型高光谱传感器的波长定位。运用该技术实现了对野外光谱辐射计FieldSpec(UV/VNIR的光谱定标,并对影响光谱定标精确度的因素进行了分析计算,结果表明,该方法实现的波长准确度0.5 nm,可满足色散型高光谱传感器实时、高精度光谱定标的需要。     

基于干涉条纹的光谱仪光谱标定方法研究

为了在光学相干层析(optical coherence tomography,OCT)系统中实现快速精准标定光谱仪的光谱带宽和确定光谱横坐标的变化规律,提出了用干涉条纹标定光谱带宽和确定波长非线性分布规律,从而实现了光谱仪光谱标定。先用单频激光确定了某一特定波长在CCD中像素点位置,然后根据光程差与干涉光谱周期数之间的关系确定了光谱仪的光谱带宽范围;再运用多项式函数拟合干涉光谱,将光谱强度平滑处理并对干涉条纹的峰值间距做了插值处理。根据峰值间距与波数的比例关系,确定了波长在横坐标的分布规律。两个对照实验结果表明,运用该方法标定的光谱带宽误差在±0.15 nm以内,标定误差优于传统汞灯等标定方法。研究结果表明:光谱横坐标校正后明显提高了系统分辨率和信噪比,因此验证该标定方法是可行的。     

Investigation of spectral resolution in a Czerny Turner spectrograph

This article describes a smiple and low-cost Czerny-Turner spectrograph capable to operate in spectral range from approximately 350–900 nm. A sine drive assembly was used for linearizing the wavelength scale. The wavelength and pixel position calibration problem have been solved using light sources with known wavelength emission lines, and a polynomial fitting method to find the relationship between diffraction wave-lengths and pixel numbers. The pixel resolution ∼0.015 nm/pixels and FWHM ∼0.1 nm at 170 μm entrance slit width are sophisticated enough to serve well in a research laboratory, yet is simple and inexpensive enough to be affordable for educational use.     

Characterization of the effective atomic number for first row transition elements by the ratio of coherent to compton scattering intensities obtained by wavelength dispersive X-ray fluorescence

The effective atomic numbers of compounds of the first row transition elements were determined experimentally by a scattering method using wavelength dispersive X-ray fluorescence spectrometer. A calibration curve was created by using the intensity ratios of coherent to Compton scattered peaks of pure elements from atomic number 13–48. This relationship was employed to determine the effective atomic numbers of the compounds. The effective atomic numbers were also calculated by using empirical formulas from the literature. Mass attenuation coefficients were calculated using software. The experimentally measured values of the effective atomic numbers with the calculated values by empirical formulas were comparable.     

测绘一号卫星相机的光谱和辐射定标

对测绘一号卫星相机的各个光谱通道进行了光谱定标和辐射定标以验证其光谱辐射性能是否达到设计指标要求。进行光谱定标时,利用单色仪分光谱扫描波长提供准直单色辐射照明,同时同步采集定标图像数据;然后将图像灰度值与已经过校准的参考标准探测器的输出进行比对和数据处理,得到相机各个谱段的相对光谱响应函数曲线,从而进一步获得各项光谱特性参量。辐射定标时,采用近距离面源法充满相机的孔径和视场进行端对端的绝对和相对辐射定标。星上内定标则采用经老炼和筛选过的发光二极管(LED)作为星上定标光源,对焦平面阵列探测器及其成像电路的状态和辐射响应性能变化进行在轨监测,在必要的情况下予以校正。定标结果显示:测绘一号卫星相机的各项光谱和辐射性能均达到了设计指标要求,经过相对辐射校正后响应非均匀性由1.93%下降到0.22%,相机全色谱段信噪比超过90倍,多光谱各通道信噪比优于180倍;发射后在轨星上内定标数据与发射前实验室测试结果的比对显示相机的辐射响应性能未发生明显变化,暂时无须校正。     

光纤色散法测量闪烁体脉冲光谱

提出了一种利用光纤波长色散测量脉冲光谱的方法.由于具有较宽光谱的脉冲光在一定长度的光纤中传播时会发生波形展宽,需要根据测量和标定结果校正展宽的波形才能得到光源的实际光谱曲线.标定时首先利用ps级脉冲光源对测量系统进行时间响应标定,得到系统的时间响应函数;接着测量不同波长光的走时,得到不同波长的群折射率;最后测量光纤中的光谱衰减,得到各种波长的相对衰减或传输效率.利用以上3个标定结果,对波形进行数字逆卷积,并进行走时校正和衰减系数校正,即可对所得到的波形进行恢复.经实验测量和数据处理,得到了一种红光闪烁体的发光光谱曲线,其中心波长与用其他方法测到的中心波长的差小于2 nm,谱线形状基本一致.研究显示,在脉冲光的脉冲宽度远小于其色散展宽时,可以利用光纤的波长色散对脉冲光的光谱进行测量.