一种新型单片集成光谱传感器的波长定标方法（英文）

新型短波红外单片集成光谱传感器(MCSS)是光谱传感物联网的核心感知部件.提出了一种MCSS的波长定标方法,根据相对光谱响应度和波长分配原则把相邻像素组成一个定标通道.分别采用MCSS和两款商用光谱仪测量标准物质的光谱.实验结果表明,平均定标偏差为1.8 nm,与一款具有相似FWHM和取样间隔的商用光谱仪接近,能够满足实际应用的需要.     

成像光谱仪光谱定标

成像光谱仪是谱像合一的新型光学遥感器.成像光谱仪的光谱定标是辐射定标的基础,准确的光谱定标是获得地物正确光谱信息的必要条件.介绍了成像光谱仪光谱定标的原理和几种光谱定标方法,并对国内成像光谱仪光谱定标技术进行了展望.     

基于空间光调制器的光谱可调光源定标

基于空间光调制器的光谱可调光源是一种新型的定标光源,旨在实现定标光源与观测场景光谱匹配的定标新模式,进一步提高光谱定标和辐射定标精度。针对空间光调制器非光敏的特点以及这种新型光源特殊的工作模式,采用“激光光源+光谱仪”进行了光谱预定标和光谱精细定标,采用“标准灯-参考板+光谱仪”进行了辐射定标,实现了对该光源系统470~945 nm范围的光谱及辐射定标。不确定度分析结果表明,波长定标的不确定度优于0.2 nm,辐射定标的不确定度优于3.1%（k=1）。     

基于元素灯的多通道光谱仪定标研究

多通道光谱仪光谱范围为190~603 nm,由于常规的汞灯定标方式在部分波段谱线较少,不满足定标后谱线准确度要求。为了使定标精度更高,本文研究了利用元素灯对多通道光谱仪进行光谱定标。通过分析190~603 nm波段内Ag、Zn、Mg、Hg、Bi、Mn、Cu、Na、Si、Ca、Cr、Se、As等13组空心阴极元素灯的光谱,选取可利用谱线,将该谱线与实际的数据库进行对比,得到可利用谱线的实际波长；然后利用待定标多通道光谱仪分析13组空心阴极元素灯的光谱,得到可利用谱线的像素点；最后通过最小二乘多项式算法实现各通道的光谱定标。定标后,分析设备的波长准确度,验证经元素灯定标后的设备满足波长准确度要求。     

基于辐亮度匹配的无人机载成像光谱仪外场光谱定标研究

针对可见光与近红外波段无人机载成像光谱仪,在保证精度的前提下,提出了一种快速优化二维反演算法,利用大气吸收特征作为参照,采用辐亮度匹配的方法,在不需要测量地面反射率数据的情况下,反演了成像光谱仪的重要光谱参数中心波长的偏移量和带宽变化量。利用2010年11月14日于内蒙古乌拉特前旗开展的无人机遥感载荷综合验证场科学实验数据,在实验室光谱定标基础上进行了外场光谱定标。算法时间、成本大大减少,反演效率比常规二维反演算法提高了近100倍。通过地面光谱靶标对定标结果进行验证,对带宽为7 nm左右的成像光谱仪外场定标精度可达到0.1nm,一般优于0.5 nm。     

偏轴式扫描三光栅单色仪

为了获得宽波段高分辨率的单色光,对成像光谱仪进行了波长标定,设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构,针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题,创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法,通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移,有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构,通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出,保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率;并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描,使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明,仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm,波长重复性分别为0.094、0.186、0.372 nm,波长准确度分别为0.096、0.191、0.382 nm,达到了设计目标,满足成像光谱仪波长定标的使用要求。     

大气痕量气体差分吸收光谱仪地面数据评价软件设计

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。     

成像光谱仪光谱定标技术

本文首先介绍了成像光谱仪光谱定标的背景、原理．接着重点介绍了国外关于光谱定标的几种技术,最后对国内光谱定标进行了展望。     

应用于超光谱定标的光谱可调光源光学设计

针对超光谱遥感中,传统定标光源和目标光源光谱精细结构不匹配、精确度量困难,影响定标精度的难题,提出了一种基于数字微镜器件和光谱仪结构的新型光谱可调光源,并设计了该光源的光学系统。详细描述了这种光源系统的工作原理,确定了光学系统的设计方案,计算了系统的结构参数,并说明了具体的设计过程。设计结果表明:在0.4~1.0 m 的设计波段上,光学系统整体性能接近衍射极限,各波长点列图RMS 半径小于3.5 m,各波长MTFs 在37 lp/mm 空间频率处都达到0.8 左右,满足设计要求。这种新型的光谱可调光源,有望提高目标光谱精细结构模拟的准确度,可利用基于标准探测器的方法进行精确度量,有利于降低超光谱遥感仪的定标不确定度。     

成像光谱仪光谱定标技术

本文首先介绍了成像光谱仪光谱定标的背景、原理。接着重点介绍了国外关于光谱定标的几种技术，最后对国内光谱定标进行了展望。     

Accurate spectral characterization of polarization-dependent loss

Building on previous work, a rapid automated nonmechanical measurement system for spectral characterization of polarization-dependent loss (PDL) has been developed. A deterministic fixed-states Mueller-Stokes method in conjunction with realtime calibrated spectral information is used to derive wavelength-dependent Mueller matrix elements. Voltage-modulated liquid-crystal variable retarders set the input polarization states. A narrow voltage-tuned filter provides a wavelength sweep following a broadband source; the sweep wavelength is calibrated in realtime by hydrogen cyanide reference lines. This rapid measurement system can measure PDL over a wavelength range of 15 nm in 5 s. A complete uncertainty analysis has been conducted for PDL in the range of 0.05 to 0.3 dB with an expanded uncertainty of 0.0098 dB over the range of 1535 to 1560 nm. Performance was verified using a Fresnel reference. Finally, design and performance results from all-fiber artifact calibration standards are presented.     

基于高温黑体的傅里叶光谱测量系统响应度分段线性标定

傅里叶红外光谱仪（FTIR）光谱响应度的标定工作是FTIR红外光谱精准测量的基础。基于中国计量科学研究院（NIM）的ThermoGage HT9500型高温基准黑体辐射源,对NIM搭建的FTIR高温黑体红外辐射特性测量系统的光谱响应度,通过分段线性标定法进行了标定实验。建立并描述了FTIR测量高温黑体红外辐射特性系统响应度函数标定模型,并通过测量的黑体辐射源在1 273~1 973 K温区、1~14 m宽频谱内的红外光谱,对FTIR测量系统的光谱响应度进行了标定实验研究。结果表明:分段线性标定FTIR红外光谱测量系统方法具有良好可靠性。1 373~1 873 K温区的测量光谱与基于黑体标定的计算光谱在1~14 m频谱内平均偏差优于1%,黑体光谱辐射亮度峰值波长上反演得到的黑体计算温度与实际温度偏差优于0.45%。     

二维划分反馈控制的星模拟器光源光谱匹配精度提升方法

为提高星模拟器光源系统光谱匹配精度,首先设计并搭建了基于数字微镜的星模拟器光源系统;其次,根据按波长标定的区域光谱进行遗传算法的光谱拟合,结果表明该方案拟合光谱与目标光谱存在一定匹配误差;最后,为提高光谱匹配的精度,提出了按波长和能量二维划分区域的误差反馈及精度提升方法。实验模拟了色温为2 550、4 766、6 576、8 910 K光源,结果表明相较于波长方向一维划分的反馈方法,光谱匹配最大误差分别下降了55.7%、50.6%、45.2%、42.2%,极大地提升了星模拟器光源系统的光谱匹配精度。该研究旨在补偿该类色温匹配误差所引入的星敏感器角检测误差,达到高精度星敏感器的定标精度要求。     

Prelaunch and in-flight radiometric calibration of the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS)

With 2378 infrared spectral channels ranging in wavelength from 3.7-15.4 /spl mu/m, the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) represents a quantum leap in spaceborne sounding instruments. Each channel of the AIRS instrument has a well-defined spectral bandshape and must be radiometrically calibrated to standards developed by the National Institute of Standards and Technology. This paper defines the algorithms, methods, and test results of the prelaunch radiometric calibration of the AIRS infrared channels and the in-flight calibration approach. Derivation of the radiometric transfer equations is presented with prelaunch measurements of the radiometric accuracy achieved on measurements of independent datasets.     

线阵CCD紫外光谱仪的波长定标研究

波长定标的精度是衡量光谱仪的重要 指标之一。鉴于其重要性,研究了线阵电荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)紫外光谱仪的波长定 标,并完整地给出了一种波长定标方法(包括噪声扣除、谱 峰定位和波长拟合三部分)。针对暗噪声影响光谱信号的问 题,提出了一种利用非曝光像元扣除暗噪声的方法;针对谱峰漂移 的问题,提出了一种基于权重窄窗差分的谱峰定位方法;针对单一光 源特征谱线数量不足的问题,提出了一种多波段波长拟合方法。实 验结果表明,本文方法的波长定标精度在0.6 nm之内,关键波长点 上的定标精度在0.01 nm之内,具有定标精度高、复杂度低等优 点,因此可用于紫外光谱仪的波长定标。     

临边成像光谱仪光谱辐亮度响应度定标研究

基于积分球原理,提出了一种利用积分球进行光谱辐亮度响应度定标的新方法,消除了利用积分球定标的传统方法中由于漫反射板的双向反射率分布函数(BRDF)的测量不确定度大对定标精度的影响,极大地提高了定标精度。利用该方法标定了在研的空间遥感临边成像光谱仪原型样机的光谱辐亮度响应度,分析了定标不确定度,定标合成不确定度为2.6%。将该方法的定标结果与采用标准灯联合漫反射板的定标结果进行了分析比对,结果表明,二者在3%以内相符。引起两种定标结果偏差的主要原因是漫反射板BRDF测量的不确定度。     

分光谱型天空背景辐射计的研制

为满足对天空背景辐射进行实时光谱测量和特征提取的需求,基于光纤光谱仪研制了一台一体化天 空背景辐射计,可测量340$\sim$1030 nm波长范围内的天空背景辐射光谱,波长分辨率优于0.5 nm, 具有定点测量、全天空扫描测量两种工作模式。在介绍系统总体结构的基础上,描述了光学组件、 转台系统、跟踪模块、嵌入式控制系统及恒温控制模块等硬件部件的结构,以及上位机软件的 设计思路、设备工作流程和定标方式。最后分析经光谱辐射定标后的测量数据,初步验证设备 工作的可靠性,为天空背景辐射的实时测量及光谱特性研究提供了有效手段。