风云三号红外高光谱探测仪的光谱定标

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,是我国第二代极轨气象卫星,其上搭载了红外高光谱大气探测仪(HIRAS),实现了地气系统的高光谱分辨率红外高精度观测,由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器必须进行逐通道的光谱定标。首先对干涉图数据进行傅里叶变换获得粗定标结果,再基于仪器参数计算仪器线型函数,进行光谱精校正,开发了风云三号D星HIRAS的光谱定标技术,并用发射前和在轨数据进行了精度验证。光谱定标方法能有效订正由于仪器离轴探元设计引起的光谱位置偏差,基于地面单色激光测量数据验证,长波4个探元20×10~(-6)左右的偏差可订正到0.5×10~(-6)(1和2探元)和7×10~(-6)(3和4探元)以内;中波1四个探元50×10~(-6)左右的偏差可分别订正到6×10~(-6)(1和3探元)、8×10~(-6)(2探元)和13×10~(-6)(4探元)以内;基于在轨数据验证三个波段光谱订正后光谱精度偏差和标准差均可达到5×10~(-6)以内。三个波段光谱定标结果均满足卫星使用技术指标10×10~(-6)的要求,有效保证了辐射精度评估和后端遥感产品开发应用的要求。     

FY-3D星红外高光谱大气探测仪的在轨光谱精度评估

风云三号D星(FY-3D)于2017年11月15日成功发射,搭载了国内第一颗自主研制的极轨红外高光谱大气探测仪(High-spectral Resolution Infrared Atmospheric Sounder,HIRAS),数据将在数值天气预报、大气温/湿廓线反演、大气成分探测等方面得到广泛应用。为满足高精度的探测能力需求,HIRAS的光谱分辨率达到0.625cm-1,辐射定标精度要求达到1.0K,光谱定标精度要求达到10×10~(-6),均为目前国内星载红外仪器最高精度指标。由于光谱频率的精确性会直接影响辐射精度,红外干涉仪器在数据应用之前必须进行光谱定标精度的精确评估和监测。以晴空视场下的高精度逐线辐射传输模拟光谱作为参考基准,利用互相关法计算光谱频率偏差,对发射后的HIRAS在轨数据的光谱定标精度进行了全面评估和验证研究。HIRAS在长波、中波1和中波2的光谱精度达到3×10~(-6),其中长波和中波1光谱偏差标准差小于2×10~(-6),远优于仪器设计指标要求;长期的光谱精度稳定性显示HIRAS中波1和中波2的光谱定标精度较稳定,在半年时间内频率变化小于5×10~(-6),长波波段在半年的时间内有往负频率偏差变化的趋势,变化量约为7×10~(-6),需要进行持续监测。HIRAS在轨光谱精度可满足后端产品反演和同化用户的使用需求。     

基于LabWindows/CVI的列车逆变电源分析仪的设计

本文基于插值快速傅里叶变换原理，改进了一种基于汉宁（Hanning）窗的三谱线估计插值方法；采用传感器采样的线性拟合算法和频率跟踪技术动态调整采样频率方案，设计出了一款基于Labwindows／CVI的列车逆变电源分析仪，成功用于电力谐波分析，提高了系统的分析精度，仿真实验和测试结果表明这种全局修正的插值快速傅里叶变换算法是成功的。     

通用动平衡机中智能振动传感器模块的设计

智能振动传感器模块采用了高精度加速度传感器ADXL05。以高性能数字信号处理器TMS320F206为核心，采样电路使用高度A/D转换器MAX151，用离散小波变换和离散傅里叶变换结合的处理方法测量振动量所对应的幅度和相位，并设计了CAN现场总线接口，实践证明，该模块具有较好的性能。     

相位检测法定镜自适应校正技术

为保持傅里叶变换光谱仪在动镜运动和外界震动等恶劣条件下动镜和定镜间的准直性,采用了相位检测法检测准直性误差的定镜自适应校正技术。介绍了相位检测法的基本原理和实现自适应校正的途径以及自适应校正系统的基本结构。采用高速压电倾斜镜作为驱动补偿元件,分析了相位检测精度对校正精度的影响。实验结果表明,采用自适应校正后系统干涉效率明显提高。     

傅里叶变换光谱学中切趾函数对相位校正的影响

研究了傅里叶变换光谱学中采用不同切趾函数对相位校正的影响,进行了模拟数据计算和实验光谱研究。理论分析和实验结果表明:采用Mertz相位校正法,不同切趾函数对校正结果影响很小;但采用Forman相位校正法时,不同切趾函数对校正结果的影响明显不同。Formsn法时余弦函数的校正效果最佳,Happ-Genzel函数次之,而市售仪器中常用的三角形切趾函数效果不好。     

相位式激光测距谱分析鉴相的无偏改进

针对相位式激光测距中的鉴相误差,建立了谱分析鉴相的误差模型,提出了在数据预处理中引入希尔伯特变换来消除相位差估计偏差的测量方法.分析了传统谱分析鉴相的偏差和方差,指出这些测量偏差受初相位的影响,在高速测距中不容忽略.提出了一种无偏改进方法,通过窗函数法设计正弦信号的简易希尔伯特变换器,将离散傅里叶变换的对象转换为解析信号,在仅增加4次加减法运算和2次移位操作的情况下,实现了近似无偏谱分析鉴相.仿真分析和实验验证结果表明,鉴相均值与真实相位差相同;当信噪比为40 dB时,每秒百万次高速鉴相的误差为0.1°;当调制频率为100 MHz时,测距精度达到0.4 mm.实验表明,将希尔伯特变换应用于谱分析鉴相,可实现高准确度相位差测量,并可应用于高速相位式激光测距.     

高频相位激光测距系统的高精度鉴相

相位测距是一种非常重要的绝对测距手段,是大尺寸精密测量的重要保障。提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。针对高性能器件的最大采样频率总是受限,难以满足高调制频率采样的难题,分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性,同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（allphase Fast Fourier Transform,apFFT）提高鉴相精度的优势。在此基础上,提出“欠采样+apFFT”的方法,并构建了激光相位测距的鉴相系统。当调制频率为201 MHz,欠采样频率为100 MHz时,系统鉴相精度高于±0.04°,对应的测距精度为±0.08 mm。实验结果表明,基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势,在科学研究与工程应用中具有重要价值。     

傅里叶变换光谱学方法——基本原理、近期进展及其应用

傅里叶变换光谱学方法是目前红外、远红外波段最重要的一种光谱方法。本文简述傅里叶变换光谱学的基本原理和优点,评述和讨论它的近期进展以及在固体物理、有机化学、生物学大分子、天文观测和能源开发等方面的较重大的应用实例或前景。     

光导纤维在傅里叶变换红外及拉曼光谱中的发展及应用

本文简要介绍了光导纤维传输光的基本原理，总结了近红外和中药餐波长范围的光导纤维的实际应用状况及其近年来光导纤维材料的发展与改进，并对光导纤维在傅里叶变换近红外光谱（ＦＴ－ＮＩＲ）、中红外光谱（ＦＴ－ＭＩＲ）及傅里叶变换拉曼光谱中的广泛应用作了综述。     

基于拟合算法的傅里叶变换光谱仪光谱反演

在傅里叶变换光谱仪(FTS)中,精确获取每个干涉信号采样点处的光程差是获取光谱图的关键。动镜速度的波动会对等时间采样造成采样误差,而当目标光源波长较短时无法直接利用传统方法进行等光程差采样。分析了速度波动误差对光谱的影响,并提出了一种基于拟合算法计算干涉信号每个采样点处光程差的方法,在动镜速度波动较大的情况下对可见光波段的干涉信号进行采样反演。实验结果表明,此方法准确度高,适用于各种傅里叶变换光谱仪。     

一种配电线路漏电流精确计算方法

漏电流的准确计算对于保证人身和设备安全是非常重要的。由于非线性电力电子器件的广泛应用，配电线路的漏电流为交直流混合复杂信号，目前的计算方法难以精确计算。为此，提出了一种结合全相位傅里叶变换的方均根值算法。以漏电流仿真值作为基准值，根据采样数据的方均根值、基准值以及全相位傅里叶变换的计算值来计算配电线路的漏电流，高效准确。算例证明了算法的准确性与有效性，为配电网漏电流的准确计算提供了一种新方法。     

VIRR/FY-3A分裂窗波段与AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据的交叉辐射定标

实际应用显示搭载在风云三号A星(FY-3A)上的可见光红外扫描辐射计(VIRR)的两个分裂窗波段(IR4,~10.8μm;IR5,~12.0μm)存在定标偏差。本文选择高光谱卷积法,用AQUA卫星搭载的大气红外探空仪(AIRS/AQUA)和METOP-A卫星搭载的干涉式红外大气探测仪(IASI/METOP-A)的观测数据对VIRR/FY-3A的两个分裂窗波段进行交叉辐射定标。根据卫星轨道特点,选择北极地区(60°N~90°N,180°W~180°E)作为研究区域,并选择2010年6月、9月、12月以及2011年3月作为研究时间段。首先,分别将AIRS/AQUA和IASI/METOP-A数据与VIRR/FY-3A的第4波段和第5波段的光谱响应函数进行卷积;对观测数据进行重采样,并基于普朗克黑体辐射公式实现辐射值和亮度温度之间的转换。然后,使用两个相关的匹配条件提取VIRR/FY-3A分别与AIRS/AQUA、IASI/METOP-A在第4波段和第5波段的匹配观测点对。最后,对匹配观测点对进行回归分析,得到交叉辐射定标偏差订正方程的系数。结果表明AIRS/AQUA和IASI/METOP-A的在轨辐射定标非常一致。以AIRS/AQUA和IASI/METOP-A波段的辐射定标为标准,VIRR/FY-3A第4波段的平均定标偏差分别为2.39K和2.06K,第5波段的平均定标偏差分别为0.59K和0.44K。实验指出定标偏差与亮度温度有关。     

小型近红外玉米蛋白质成分分析 仪器设计的波段选择

采用傅里叶变换近红外漫反射光谱技术和偏最小二乘法(PLS)建立了玉米蛋白质含量的定标模型。按照预测效果优选光谱波段,为设计小型近红外玉米蛋白质成分分析仪器提供依据。采用多元散射校正方法对光谱进行预处理,然后利用Savitzky-Golay平滑法对原谱、一阶导数谱和二阶导数谱进行平滑处理。选取全谱、合频、一倍频、二倍频和蛋白质基团等5个波段,每个波段分别采用原光谱、一阶导数谱、二阶导数谱,共建立15个定标模型。同时调整Savitzky-Golay平滑点数和PLS因子数,通过多次PLS数值实验比较,按照预测效果确定每个模型的最优平滑点数、因子数,再从中选优。结果表明,采用一阶导数谱的一倍频波段(7 000~5 500 cm^－1)的定标效果最好,模型的预测相关系数、预测均方根偏差、相对预测均方根偏差分别为0.945,0.357,3.340%。一倍频波段可以代替全谱波段并得到更好的定标效果。     

基于DSP的科氏质量流量计信号处理系统

本文利用离散傅里叶变换（DFT）方法处理奥利质量流量传感器的信号，计算其频率和相位差，提出一种容易实现的、精度较高的频率跟踪方法，实现整周期采样，保证数字信号处理的精度。研制基于数字信号处理器（DSP）的实时信号处理系统，其硬件包括信号采集通道、DSP芯片、逻辑控制电路、液晶显示器（LCD）电路、键盘输出电路、温度检测电路和输出电路，其软件包括监控程序、中断服务模块、初始化模块、相位差测量模块、频率跟踪模块、键盘监控模块和显示模块等。仿真和实测结果表明，本文所研究的方法和研制的系统是可行的、有效的。     

基于三维傅里叶变换的胸腹表面测量

鉴于人体胸腹表面三维运动测量在精确放疗等医学领域中的重要应用背景,提出一种三维傅里叶条纹分析与三频时间相位展开相结合的三维傅里叶变换胸腹表面测量方法。投射一幅不同频率三原色余弦条纹组成的图案,每采集一幅图像就能实现相应时刻胸腹表面的三维形状测量;将动态条纹图像序列作为一个三维序列整体,通过三维傅里叶变换并结合三维高斯滤波器提取折叠相位。无干扰时其均方根误差不超过0.005rad,峰谷值误差不超过0.015rad,其抗干扰能力高于二维傅里叶条纹分析和其他胸腹表面三维傅里叶条纹分析方法;通过三频时间相位展开方法进行折叠相位展开,在限定条件下绝对相位的误差不超过折叠相位的误差。理论分析和实验结果表明,本文方法能实现人体胸腹表面的三维动态测量。     

基于FFT-MCC分析的ICA(BSS)盲不确定性消除

为了消除ICA（BSS）估计的幅值、相位及排序等盲不确定性，提出一种基于快速傅里叶变换与最大相关准则分析的ICA（BSS）估计源自适应校正方法。借助对原始传感观测及估计源的频谱分析，近似获得各本底源信号在观测信号中所占的比重——初始放大权值；基于最大相关准则优化调整ICA（BSS）估计源的相位，并对初始放大权值进行微调，从而消除ICA（BSS）估计的盲不确定性，实现源波形的恢复及其混合参数的估计。仿真试验结果证明了该方法的有效性，也表明它在复杂系统源识别或重建方面具有较大的应用潜力。     

基于样条函数改进的傅里叶积分重建算法研究

为提高曲面物体三维廓形的重建精度,提出了一种基于样条函数曲线拟合改进的傅里叶梯度积分算法。通过使用样条函数表示曲面梯度改进算法中的southwell模型来提高模型精度,改进后对曲面梯度计算的southwell模型进行反对称周期性扩展,对扩展后的southwell模型进行二维离散傅里叶变换,模型与频域中曲面展开系数形成傅里叶变换对,以此计算出频域中曲面展开系数;对频域中曲面展开系数进行傅里叶逆变换,进而得到曲面高度分布。通过与传统southwell模型的傅里叶积分重建及差分采样模型积分重建进行精度对比分析,结果表明,相较于使用southwell模型及差分采样模型等传统傅里叶梯度积分法,本文提出的基于样条函数改进的傅里叶积分重建算法可显著提高重建精度。     

基于采样逼近的准同步改进算法研究

准同步算法在和离散傅里叶变换结合求取周期信号的幅值和相位时,由于被测信号频率未知或仅知道被测信号的频率变化范围,在求解傅里叶系数时只能将采样频率作为被测信号频率带入造成傅里叶系数计算产生理论近似,尤其是在求解各次谐波初相角时频偏越大,求解相位误差相应增大。本文首先基于准同步测频差原理求出被测信号的实际频率,重新选取采样点使其逼近整周期采样点数,再将计算频率代入傅立叶变换中的基函数频率,最后迭代求取傅里叶系数。计算结果表明这种基于频率代入并采样逼近的改进准同步算法可以极大地提高准同步谐波算法的准确度。     

基于全相位谱分析的傅里叶望远镜外场实验数据处理

为了提高傅里叶望远镜(FT)的成像质量,实现对运动目标的高分辨率成像,研究了能抑制由声光移频器移频误差、光学器件偏差及信号采样截断等产生的频谱泄漏且能实时计算信号频率的数据处理方法。首先,采用全相位预处理技术对外场静态目标的采样信号进行处理;通过搜索算法得到每束干涉光的整点频率最大值。然后,基于apFFT谱分析时移相位差校正法计算每束干涉光的真实频率。最后,对非整点频率解调,采用5点最小二乘拟合方法,得到目标的傅里叶分量信息。实验结果表明:与传统方法相比,本文提出的数据处理方法得到的重构图像的斯托里尔比(Strehl)相应提高了3%。另外,本文方法对频谱泄漏的抑制能力更强;对静态目标实验数据进行处理后,重构图像质量有一定的提升;该方法也为运动目标的成像数据处理提供了参考。