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。     

一种体相位全息透射式光栅的光谱仪分光系统

针对平面和凹面反射式光栅型光谱仪分光光路(SLP),存在像差大、谱面平直度差和衍射效率不高等不足,设计了一套基于体相位全息透射式(VPHT)光栅的分光光路。在理论探讨的基础上通过数值仿真模拟了VPHT光栅的衍射效率情况;为了充分验证所设计光路的可行性,实验中通过光谱定标验证了光路的光谱分辨率优于2 nm,通过最小二乘线性拟合算法得到定标波长与对应探测像元的校准关系式,对635 nm波长采用多次测量取平均值,测试结果表明波长绝对误差为0.37 nm,整个定标波长点的均方根误差(RMSE)为0.3 nm;另外,使用了多项式拟合算法建立了200~800 nm光谱范围内的波长偏移量与对应衍射波长的关系式,能较好地解决分光光路中波长校正的问题。     

一种针对使用背照减薄型CCD器件色散型成像光谱仪的星上光谱定标方法

使用背照减薄型CCD器件的色散型成像光谱仪在近红外波段会出现呈条带状干涉条纹现象,该干涉条纹对入射光波长分布敏感,空间频率稳定,特别适用于微小光谱偏差的测量与校准.针对一台光栅色散型推扫式成像光谱仪样机,先估计出条纹分布的规律,再以此为基础,采用频域滤波、最小二乘拟合等方法提取干涉条纹中包含的相位信息,以此作为光谱定标的辅助参数.实验表明,当入射光强变化达到130％以上时,拟合谱线位置的不确定度最大为0.007 3 nm,模拟光谱位置改变后,以汞灯谱线作为基准光谱位置曲线,测得拟合算法的最大误差为0.135 8 nm,该结果证明,干涉条纹拟合定标方法可有效减少定标系统对光源稳定性的依赖,提高对光谱维微小偏移量的检测精度.     

一种针对使用背照减薄型CCD器件色散型成像光谱仪的星上光谱定标方法（英文）

使用背照减薄型CCD器件的色散型成像光谱仪在近红外波段会出现呈条带状干涉条纹现象,该干涉条纹对入射光波长分布敏感,空间频率稳定,特别适用于微小光谱偏差的测量与校准。针对一台光栅色散型推扫式成像光谱仪样机,先估计出条纹分布的规律,再以此为基础,采用频域滤波、最小二乘拟合等方法提取干涉条纹中包含的相位信息,以此作为光谱定标的辅助参数。实验表明,当入射光强变化达到130%以上时,拟合谱线位置的不确定度最大为0.007 3 nm,模拟光谱位置改变后,以汞灯谱线作为基准光谱位置曲线,测得拟合算法的最大误差为0.135 8 nm,该结果证明,干涉条纹拟合定标方法可有效减少定标系统对光源稳定性的依赖,提高对光谱维微小偏移量的检测精度。     

利用变形镜抑制光纤模态噪声

光纤模态噪声限制了下一代高精度视向速度光谱仪的测量精度。特别是当使用相干光源进行波长定标时,模态噪声会引起视向速度测量误差,降低视向速度测量精度。为了抑制光纤模态噪声,提出了一种基于变形镜的动态改变散斑花样的技术方法,该方法是在单次曝光时间内通过动态改变变形镜的面型,平滑光纤引起的散斑花样,提高定标光谱的质心稳定性,从而保证视向速度的测量精度。通过实验,利用632.8 nm 氦氖激光器作为定标光源,验证了该方法的有效性。实验结果表明,单次曝光图像包含约105个变形镜形变模式时,可以有效抑制光纤模态噪声。针对分辨率R=100000的光谱仪,单根定标谱线的情况下,光纤模态噪声引起的视向速度定标误差约为19.8 cm/s,与国际上其他技术方法的精度持平,该方法不仅可以提高能量利用率,且不影响光纤的使用寿命。     

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。     

基于场景的热红外高光谱数据光谱定标

传感器每个波段的中心波长和半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）随成像环境变化会发生较大的系统性漂移。这种漂移最终会影响发射率和温度的反演精度，尤其是在大气吸收波段附近的发射率反演精度。选择水汽在11.73 m处的吸收通道作为参考波段，提出了适用于热红外高光谱数据的光谱定标技术流程。模拟实验表明:光谱分辨率为50 nm，中心波长偏移在-50~50 nm、FWHM变化在-25~25 nm时，大气水汽含量对光谱定标误差的影响最大。同时，对误差分布曲面进行拟合得到描述误差分布模型，用于误差的估计。当大气水汽含量足够大时，光谱中心波长偏移估算误差可达到1 nm以内。最后，将所提方法应用于机载热红外高光谱数据光谱定标。结果显示，热红外高光谱成像仪中心波长偏移为28.4 nm，FWHM变化为-18.5 nm。     

用于空间外差光谱仪光谱定标的窄线宽可调谐光纤激光器

针对星载CO2遥感探测空间外差光谱仪2.04 μm通道光谱定标的应用需求,研制了一台2.04 μm波段窄线宽波长可调谐的高稳定性铥钬共掺光纤激光器(THDFL).利用线型复合谐振腔的维纳效应扩大有效纵模间隔,有效抑制了多模激光振荡,输出激光线宽达7.5 MHz;通过对振动隔离和温度补偿封装的FBG施以轴向拉伸应力,该THDFL可在2040～2042.5 nm范围内调谐,且输出波长不确定度小于5×10-3 nm;使用研制的1565 nm光纤激光泵浦源,THDFL输出功率达192 mW;利用该可调谐THDFL提供的输出激光,溯源于波长标准后实现了空间外差光谱仪2.04 μm通道的光谱定标,且定标精度优于设定的指标要求.     

提高光纤光栅传感器测量精度的研究

在实际应用中,光纤光栅传感器的测量精度受到噪声,成本等因素的制约。为了实现低成本的高精度光纤光栅传感器系统,提出了对光纤光栅反射谱采用自适应阈值小波消噪和B多节点样条拟合插值算法的处理技术,并通过实验和仿真得出自适应阈值小波消噪,有效提高了系统的信噪比,在相同采样精度下拟合插值处理前波长检测的误差为0.01nm,处理后误差为0.0017nm,误差降低了一个数量级。实验结果证明该方法不但可以有效降低噪声带来的读取误差,而且提高了测量Bragg波长漂移量的分辨率,从而实现高精度地测量温度、应变等外界参量。     

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。     

DWDM技术在新型波长解调方法中的应用

为实现光纤传感器的波长解调,以8通道50 GHz密集型波分复用器作为光纤光栅压力传感器中的解调工具,依据各个通道的中心波长作为波长的标定基准,利用从各通道中获得的光功率输出值获得光纤光栅反射光谱分布曲线的包络,并以高斯多项式拟合法作为光纤光栅波长寻峰算法,最终获得光纤光栅反射光谱的中心波长的准确位置,从而实现结构简洁、成本低廉、全光纤的波长解调系统,系统压力与波长的线性拟合度为0.996 5,实验测得的波长分辨率可达0.3 pm,最大引用误差为2.6%,测量精度为0.16 MPa。     

基于系统空间结构约束的多线结构光条纹中心线提取方法

线结构光测量系统容易受到环境光干扰从而影响条纹中心线的提取.通过对系统空间结构约束的分析,文中提出一种多线结构光条纹中心线的提取方法.该方法分为标定和测量两个阶段,在标定阶段求出中心线的偏移量和偏移系数;在测量阶段中,分别在有环境光和无环境光时求得条纹中心线的三维世界坐标.通过平面和曲面拟合实验测量精度,并与Stege...     

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...     

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.     

相位凝固技术中干涉信号调制解调误差分析

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。     

基于可调谐激光器的光纤光栅高速解调的时延误差补偿方法

基于可调谐激光器的光纤光栅(fiber Bragg grating, FBG)解调仪用于FBG传感器的远距离、高速测量时,光传输时延会导致显著的波长解调误差。本文设计了一种补偿光传输时延导致的FBG解调误差的方法,可调谐激光器在工作光频率范围内进行高线性度的正向、反向扫描,利用正向、反向扫描过程中的光电探测信号的FBG反射峰差异,对光传输时延导致的波长解调误差进行补偿。试验结果表明,在50 kHz解调频率和100 m连接光纤长度条件下,将光传输时延导致的波长解调误差由2 nm降低到小于10pm。     

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。     

热真空环境下二维尺寸视觉测量标定方法研究

针对热真空环境条件对视觉测量精度影响的问题,提出了一种新的基于像素当量的二维尺寸视觉测量系统实时标定方法。该方法采用光刻已知尺寸线条的石英标准件作为测量基准,利用一阶微分期望亚像素细分算法和最小二乘拟合,可实时获取较高精度的像素当量值从而减小环境误差。热真空环境下的实验结果表明,该方法可用于热真空环境下二维小尺寸视觉测量的标定。     

基于低温辐射计的陷阱探测器红外绝对光功率响应度的定标

采用低温辐射计在1064nm波长对两个硅陷阱探测器（trap 0#和trap B）进行绝对光功率响应度定标。描述了定标方法、实验装置和数据的分析方法,提出了低温辐射计窗口的精确复位和窗口透过率的测量方案,测量得到的透过率达到0.999以上。结果表明,两个探测器绝对响应度定标的合成不确定度分别为1.457×10-4和1.458×10-4,定标结果的重复性分别达到了0.014％和0.008％。分析了测量时各项不确定度来源,对光功率响应度定标不确定度进行了评估。最后对0＃硅陷阱探测器在1064nm波长处光功率响应度的温度稳定性进行了测试研究。